Zweilagiges keramisches Schichtsystem mit äußerer poröser Schicht und Vertiefungen darin

Abstract

 Durch die Verwendung einer äußeren keramischen Schicht (19) mit einer höheren Porosität und die Einbringung von Löchern und Vertiefungen in die äußerste porösere keramische Wärmedämmschicht werden in einfacher Art und Weise Laufschichten hergestellt, die gleiche oder verbesserte Eigenschaften aufweisen und günstiger sind.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Schichtsystem, bei dem eine zweilagige keramische Wärmedämmschicht vorhanden ist, bei dem in der äußersten keramischen Schicht Vertiefungen eingebracht werden, wodurch das abrasive Verhalten verbessert wird.

[0002] Keramische Schichtsysteme auf Substraten mit zwischenliegenden metallischer Haftvermittlerschicht sind Stand der Technik.

[0003] Darüber hinaus gibt es dann noch zusätzliche Beschichtungen auf der keramischen Wärmedämmschicht, die eine andere Zusammensetzung aufweisen oder ein Honigwabensystem aufweisen und sogenannte Einlaufschichten ("abradable") darstellen.

[0004] Jedoch kommt es manchmal zum Abplatzen dieser Einlaufschicht.

[0005] Es ist daher Aufgabe der Erfindung ein System aufzuzeigen, bei dem oben genanntes Problem verhindert wird.

[0006] Die Aufgabe wird gelöst durch ein Schichtsystem gemäß Anspruch 1.

[0007] In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Maßnahmen gelistet, die beliebig miteinander kombiniert werden können, um weitere Vorteile zu erzielen.

[0008] Es zeigen:

Figuren 1, 2

ein erfindungsgemäßes Schichtsystem,

Figur 3

eine Turbinenschaufel,

Figur 4

eine Liste von Superlegierungen und

Figur 5

eine Gasturbine.

[0009] Die Figuren und die Beschreibung stellen nur Ausführungsbeispiele der Erfindung dar.

[0010] In Figur 1 ist ein erfindungsgemäßes Schichtsystem 1 dargestellt.

[0011] Das Schichtsystem 1 weist ein Substrat 4 auf.

[0012] Das Substratmaterial ist insbesondere eine nickel- oder kobaltbasierte Superlegierung, ganz insbesondere eine Legierung gemäß Figur 4.

[0013] Auf dem Substrat 4 kann, muss aber nicht, eine metallische Haftvermittlerschicht 7 vorhanden sein, die Nickel-Aluminide, Platin-Aluminide oder vorzugsweise eine MCrAlX-Legierung aufweist.

[0014] Auf dieser metallischen Haftvermittlerschicht 7 oder auf dem Substrat 4 ist vorzugsweise vor dem Aufbringen einer keramischen Schicht, eine Aluminiumoxidschicht (TGO) gewachsen oder sie wird bewusst erzeugt, wohingegen sie im Einsatz auf jeden Fall generiert wird (TGO nicht dargestellt).

[0015] Auf die dann gegebenenfalls vorhandene MCrAlX-Schicht 7 oder TGO wird eine zumindest zweilagige keramische Wärmedämmschicht 13 in bekannter Weise aufgebracht.

[0016] Auf eine innere keramische Wärmedämmschicht 16 wird eine deutlich porösere äußerste Wärmedämmschicht 19 aufgebracht, die eine zweilagige Wärmedämmschicht 13 bilden.

[0017] Deutlich poröser bedeutet, dass der absolute Unterschied in der Porosität mindestens 2 vol%, insbesondere mindestens 4 vol% beträgt. (Beispiel: Porosität von innerer Schicht 13: 8 vol%, dann Porosität von äußerer Schicht 19: ≥ 12 vol%). Die Porosität der äußersten Schicht 19 beträgt maximal 40%.

[0018] Dabei wird für die Wärmedämmschichten 16, 19 vorzugsweise das gleiche Material verwendet.

[0019] Darüber hinaus werden von der Oberfläche 22 der äußersten keramischen Schicht 19 aus zumindest in die äußerste keramische Schicht 19 Löcher 20 (Sacklöcher) oder linienförmige Vertiefungen 21 (Figur 2) eingebracht.

[0020] Die Löcher 20 und/oder Vertiefungen 21 stellen keine Risse dar.

[0021] Die Löcher 20 weisen vorzugsweise einen konstanten Querschnitt auf (in Richtung 25 der Schichtdicke gesehen). Ebenso sind die Vertiefungen 21 vorzugsweise gleichförmig ausgebildet, weisen also einen konstanten Querschnitt im Querschnitt parallel zur Richtung 25 auf.

[0022] Die Löcher 20 und/oder Vertiefungen 21 erstrecken sich vorzugsweise parallel in einer senkrechten Richtung 25 zum Substrat 4.

[0023] Die Herstellung der Löcher 20 oder Vertiefungen 21 kann auf mehrere Arten erfolgen, insbesondere durch nachträgliches Laserbearbeiten oder direkt während der Beschichtung.

[0024] Die Löcher 20 und/oder Vertiefungen 21 sind vorzugsweise gleichmäßig verteilt über die Oberfläche 22 oder einen Oberflächenbereich, insbesondere dort wo eine Kontaktfläche für den Einsatz gegeben ist.

[0025] Die linienförmigen Vertiefungen 21 und/oder Löcher 20 dienen vorzugsweise dazu, die Kontaktfläche zwischen einer Schaufelspitze einer Turbinenschaufel 120, und dem Gehäuse einer Gasturbine 100 oder generell zwischen zwei sich gegeneinander bewegenden Komponenten zu reduzieren.

[0026] Darüber hinaus reduziert es die Härte und erzeugt definierte Flächen beim Abplatzen, so dass eine Delamination sich nicht über eine größere Fläche erstrecken kann.

[0027] Wie vorzugsweise in Figur 1 dargestellt, können sich die Löcher 20 und/oder die linienförmigen Vertiefungen 21 ebenfalls bis in die innere dichtere keramische Wärmedämmschicht 16 erstrecken.

[0028] Die Löcher 20 und/oder Vertiefungen 21 erstrecken sich aber vorzugsweise nicht bis zur metallischen Haftvermittlerschicht 7 oder bis zum Substrat 4 bzw. nicht bis zur TGO.

[0029] Höhere Porositäten für die äußere Wärmedämmschicht 19 können vorzugsweise sehr einfach durch Veränderung der Spritzparameter erreicht werden.

[0030] Vorzugsweise werden HVOF oder Plasmaspritzverfahren (APS, VPS, LPPS) für die Herstellung beider keramischen Schichten 16, 19 verwendet.

[0031] Insbesondere, wenn die keramischen Schichten 16, 19 dasselbe Material aufweisen, kommt es zu keinen thermischen Spannungen zwischen den unterschiedlichen Materialien der keramischen Schichten 16, 19 wie im Stand der Technik.

[0032] Die Figur 3 zeigt in perspektivischer Ansicht eine Laufschaufel 120 oder Leitschaufel 130 einer Strömungsmaschine, die sich entlang einer Längsachse 121 erstreckt.

[0033] Die Strömungsmaschine kann eine Gasturbine eines Flugzeugs oder eines Kraftwerks zur Elektrizitätserzeugung, eine Dampfturbine oder ein Kompressor sein.

[0034] Die Schaufel 120, 130 weist entlang der Längsachse 121 aufeinander folgend einen Befestigungsbereich 400, eine daran angrenzende Schaufelplattform 403 sowie ein Schaufelblatt 406 und eine Schaufelspitze 415 auf.

[0035] Als Leitschaufel 130 kann die Schaufel 130 an ihrer Schaufelspitze 415 eine weitere Plattform aufweisen (nicht dargestellt).

[0036] Im Befestigungsbereich 400 ist ein Schaufelfuß 183 gebildet, der zur Befestigung der Laufschaufeln 120, 130 an einer Welle oder einer Scheibe dient (nicht dargestellt).

[0037] Der Schaufelfuß 183 ist beispielsweise als Hammerkopf ausgestaltet. Andere Ausgestaltungen als Tannenbaum- oder Schwalbenschwanzfuß sind möglich.

[0038] Die Schaufel 120, 130 weist für ein Medium, das an dem Schaufelblatt 406 vorbeiströmt, eine Anströmkante 409 und eine Abströmkante 412 auf.

[0039] Bei herkömmlichen Schaufeln 120, 130 werden in allen Bereichen 400, 403, 406 der Schaufel 120, 130 beispielsweise massive metallische Werkstoffe, insbesondere Superlegierungen verwendet.

[0040] Solche Superlegierungen sind beispielsweise aus der EP 1 204 776 B1, EP 1 306 454, EP 1 319 729 A1, WO 99/67435 oder WO 00/44949 bekannt.

[0041] Die Schaufel 120, 130 kann hierbei durch ein Gussverfahren, auch mittels gerichteter Erstarrung, durch ein Schmiedeverfahren, durch ein Fräsverfahren oder Kombinationen daraus gefertigt sein.

[0042] Werkstücke mit einkristalliner Struktur oder Strukturen werden als Bauteile für Maschinen eingesetzt, die im Betrieb hohen mechanischen, thermischen und/oder chemischen Belastungen ausgesetzt sind.

[0043] Die Fertigung von derartigen einkristallinen Werkstücken erfolgt z.B. durch gerichtetes Erstarren aus der Schmelze. Es handelt sich dabei um Gießverfahren, bei denen die flüssige metallische Legierung zur einkristallinen Struktur, d.h. zum einkristallinen Werkstück, oder gerichtet erstarrt.

[0044] Dabei werden dendritische Kristalle entlang dem Wärmefluss ausgerichtet und bilden entweder eine stängelkristalline Kornstruktur (kolumnar, d.h. Körner, die über die ganze Länge des Werkstückes verlaufen und hier, dem allgemeinen Sprachgebrauch nach, als gerichtet erstarrt bezeichnet werden) oder eine einkristalline Struktur, d.h. das ganze Werkstück besteht aus einem einzigen Kristall. In diesen Verfahren muss man den Übergang zur globulitischen (polykristallinen) Erstarrung meiden, da sich durch ungerichtetes Wachstum notwendigerweise transversale und longitudinale Korngrenzen ausbilden, welche die guten Eigenschaften des gerichtet erstarrten oder einkristallinen Bauteiles zunichte machen.

[0045] Ist allgemein von gerichtet erstarrten Gefügen die Rede, so sind damit sowohl Einkristalle gemeint, die keine Korngrenzen oder höchstens Kleinwinkelkorngrenzen aufweisen, als auch Stängelkristallstrukturen, die wohl in longitudinaler Richtung verlaufende Korngrenzen, aber keine transversalen Korngrenzen aufweisen. Bei diesen zweitgenannten kristallinen Strukturen spricht man auch von gerichtet erstarrten Gefügen (directionally solidified structures).

[0046] Solche Verfahren sind aus der US-PS 6,024,792 und der EP 0 892 090 A1 bekannt.

[0047] Ebenso können die Schaufeln 120, 130 Beschichtungen gegen Korrosion oder Oxidation aufweisen, z. B. (MCrAlX; M ist zumindest ein Element der Gruppe Eisen (Fe), Kobalt (Co), Nickel (Ni), X ist ein Aktivelement und steht für Yttrium (Y) und/oder Silizium und/oder zumindest ein Element der Seltenen Erden, bzw. Hafnium (Hf)). Solche Legierungen sind bekannt aus der EP 0 486 489 B1, EP 0 786 017 B1, EP 0 412 397 B1 oder EP 1 306 454 A1.

[0048] Die Dichte liegt vorzugsweise bei 95% der theoretischen Dichte.

[0049] Auf der MCrAlX-Schicht (als Zwischenschicht oder als äußerste Schicht) bildet sich eine schützende Aluminiumoxidschicht (TGO = thermal grown oxide layer).

[0050] Vorzugsweise weist die Schichtzusammensetzung Co-30Ni-28Cr-8Al-0,6Y-0,7Si oder Co-28Ni-24Cr-10Al-0,6Y auf. Neben diesen kobaltbasierten Schutzbeschichtungen werden auch vorzugsweise nickelbasierte Schutzschichten verwendet wie Ni-10Cr-12Al-0,6Y-3Re oder Ni-12Co-21Cr-11Al-0,4Y-2Re oder Ni-25Co-17Cr-10A1-0,4Y-1,5Re.

[0051] Auf der MCrAlX kann noch eine Wärmedämmschicht vorhanden sein, die vorzugsweise die äußerste Schicht ist, und besteht beispielsweise aus ZrO₂, Y₂O₃-ZrO₂, d.h. sie ist nicht, teilweise oder vollständig stabilisiert durch Yttriumoxid und/oder Kalziumoxid und/oder Magnesiumoxid.

[0052] Die Wärmedämmschicht bedeckt die gesamte MCrAlX-Schicht. Durch geeignete Beschichtungsverfahren wie z.B. Elektronenstrahlverdampfen (EB-PVD) werden stängelförmige Körner in der Wärmedämmschicht erzeugt.

[0053] Andere Beschichtungsverfahren sind denkbar, z.B. atmosphärisches Plasmaspritzen (APS), LPPS, VPS oder CVD. Die Wärmedämmschicht kann poröse, mikro- oder makrorissbehaftete Körner zur besseren Thermoschockbeständigkeit aufweisen. Die Wärmedämmschicht ist also vorzugsweise poröser als die MCrAlX-Schicht.

[0054] Wiederaufarbeitung (Refurbishment) bedeutet, dass Bauteile 120, 130 nach ihrem Einsatz gegebenenfalls von Schutzschichten befreit werden müssen (z.B. durch Sandstrahlen). Danach erfolgt eine Entfernung der Korrosions- und/oder Oxidationsschichten bzw. -produkte. Gegebenenfalls werden auch noch Risse im Bauteil 120, 130 repariert. Danach erfolgt eine Wiederbeschichtung des Bauteils 120, 130 und ein erneuter Einsatz des Bauteils 120, 130.

[0055] Die Schaufel 120, 130 kann hohl oder massiv ausgeführt sein. Wenn die Schaufel 120, 130 gekühlt werden soll, ist sie hohl und weist ggf. noch Filmkühllöcher 418 (gestrichelt angedeutet) auf.

[0056] Die Figur 5 zeigt beispielhaft eine Gasturbine 100 in einem Längsteilschnitt.

[0057] Die Gasturbine 100 weist im Inneren einen um eine Rotationsachse 102 drehgelagerten Rotor 103 mit einer Welle 101 auf, der auch als Turbinenläufer bezeichnet wird.

[0058] Entlang des Rotors 103 folgen aufeinander ein Ansauggehäuse 104, ein Verdichter 105, eine beispielsweise torusartige Brennkammer 110, insbesondere Ringbrennkammer, mit mehreren koaxial angeordneten Brennern 107, eine Turbine 108 und das Abgasgehäuse 109.

[0059] Die Ringbrennkammer 110 kommuniziert mit einem beispielsweise ringförmigen Heißgaskanal 111. Dort bilden beispielsweise vier hintereinander geschaltete Turbinenstufen 112 die Turbine 108.

[0060] Jede Turbinenstufe 112 ist beispielsweise aus zwei Schaufelringen gebildet. In Strömungsrichtung eines Arbeitsmediums 113 gesehen folgt im Heißgaskanal 111 einer Leitschaufelreihe 115 eine aus Laufschaufeln 120 gebildete Reihe 125.

[0061] Die Leitschaufeln 130 sind dabei an einem Innengehäuse 138 eines Stators 143 befestigt, wohingegen die Laufschaufeln 120 einer Reihe 125 beispielsweise mittels einer Turbinenscheibe 133 am Rotor 103 angebracht sind.

[0062] An dem Rotor 103 angekoppelt ist ein Generator oder eine Arbeitsmaschine (nicht dargestellt).

[0063] Während des Betriebes der Gasturbine 100 wird vom Verdichter 105 durch das Ansauggehäuse 104 Luft 135 angesaugt und verdichtet. Die am turbinenseitigen Ende des Verdichters 105 bereitgestellte verdichtete Luft wird zu den Brennern 107 geführt und dort mit einem Brennmittel vermischt. Das Gemisch wird dann unter Bildung des Arbeitsmediums 113 in der Brennkammer 110 verbrannt. Von dort aus strömt das Arbeitsmedium 113 entlang des Heißgaskanals 111 vorbei an den Leitschaufeln 130 und den Laufschaufeln 120. An den Laufschaufeln 120 entspannt sich das Arbeitsmedium 113 impulsübertragend, so dass die Laufschaufeln 120 den Rotor 103 antreiben und dieser die an ihn angekoppelte Arbeitsmaschine.

[0064] Die dem heißen Arbeitsmedium 113 ausgesetzten Bauteile unterliegen während des Betriebes der Gasturbine 100 thermischen Belastungen. Die Leitschaufeln 130 und Laufschaufeln 120 der in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums 113 gesehen ersten Turbinenstufe 112 werden neben den die Ringbrennkammer 110 auskleidenden Hitzeschildelementen am meisten thermisch belastet.

[0065] Um den dort herrschenden Temperaturen standzuhalten, können diese mittels eines Kühlmittels gekühlt werden.

[0066] Ebenso können Substrate der Bauteile eine gerichtete Struktur aufweisen, d.h. sie sind einkristallin (SX-Struktur) oder weisen nur längsgerichtete Körner auf (DS-Struktur).

[0067] Als Material für die Bauteile, insbesondere für die Turbinenschaufel 120, 130 und Bauteile der Brennkammer 110 werden beispielsweise eisen-, nickel- oder kobaltbasierte Superlegierungen verwendet.

[0068] Solche Superlegierungen sind beispielsweise aus der EP 1 204 776 B1, EP 1 306 454, EP 1 319 729 A1, WO 99/67435 oder WO 00/44949 bekannt.

[0069] Ebenso können die Schaufeln 120, 130 Beschichtungen gegen Korrosion (MCrAlX; M ist zumindest ein Element der Gruppe Eisen (Fe), Kobalt (Co), Nickel (Ni), X ist ein Aktivelement und steht für Yttrium (Y) und/oder Silizium, Scandium (Sc) und/oder zumindest ein Element der Seltenen Erden bzw. Hafnium). Solche Legierungen sind bekannt aus der EP 0 486 489 B1, EP 0 786 017 B1, EP 0 412 397 B1 oder EP 1 306 454 A1.

[0070] Auf der MCrAlX kann noch eine Wärmedämmschicht vorhanden sein, und besteht beispielsweise aus ZrO₂, Y₂O₃-ZrO₂, d.h. sie ist nicht, teilweise oder vollständig stabilisiert durch Yttriumoxid und/oder Kalziumoxid und/oder Magnesiumoxid.

[0071] Durch geeignete Beschichtungsverfahren wie z.B. Elektronenstrahlverdampfen (EB-PVD) werden stängelförmige Körner in der Wärmedämmschicht erzeugt.

[0072] Die Leitschaufel 130 weist einen dem Innengehäuse 138 der Turbine 108 zugewandten Leitschaufelfuß (hier nicht dargestellt) und einen dem Leitschaufelfuß gegenüberliegenden Leitschaufelkopf auf. Der Leitschaufelkopf ist dem Rotor 103 zugewandt und an einem Befestigungsring 140 des Stators 143 festgelegt.

Ansprüche

1. Schichtsystem (1),
das zumindest aufweist:

ein Substrat (4),

optional eine metallische Haftvermittlerschicht (7) auf dem Substrat (4),

eine innere keramische Wärmedämmschicht (16) mit einer inneren Porosität

entweder auf dem Substrat (4) oder auf der Haftvermittlerschicht (13) und

eine äußerste keramische Wärmedämmschicht (19) mit einer äußeren Porosität

auf der inneren keramischen Wärmedämmschicht (16),

wobei die äußerste Wärmedämmschicht (19) eine um mindestens 2% absolut höhere Porosität aufweist als die innere keramische Wärmedämmschicht (16) und

wobei die äußere keramische Wärmedämmschicht (19) mehrere Löcher (20) und/oder mehrere linienförmigen Vertiefungen (21)

ausgehend von der äußeren Oberfläche (22) der äußersten keramischen Wärmedämmschicht (19) aufweist,

die sich in die Tiefe der äußersten Wärmedämmschicht (19) und/oder der inneren Wärmedämmschichten (16) hinein erstrecken.

2. Schichtsystem nach Anspruch 1,
bei dem zumindest einige,
insbesondere höchstens einige,
ganz insbesondere alle Löcher (20) und/oder Vertiefungen (21) sich nur innerhalb der äußersten keramischen Wärmedämmschicht (19) erstrecken.

3. Schichtsystem nach einem oder beiden der Ansprüche 1 oder 2,
bei dem sich zumindest einige,
insbesondere höchstens einige,
ganz insbesondere alle Löcher (20) und/oder Vertiefungen (21) höchstens bis in die innere keramische Wärmedämmschicht (16) erstrecken.

4. Schichtsystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3,
bei dem eine metallische Haftvermittlerschicht (7) zwischen Substrat (4) und innerer keramischer Wärmedämmschicht (16) vorhanden ist,
insbesondere die (7) eine MCrAlX-Legierung aufweist.

5. Schichtsystem einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4,
bei dem das Substrat (4) eine nickel- oder kobaltbasierte Superlegierung aufweist.

6. Schichtsystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2, 3, 4 oder 5,
bei dem die innen liegende keramische Wärmedämmschicht (16) und die äußerste keramische Wärmedämmschicht (19) die gleiche Zusammensetzung aufweisen.

7. Schichtsystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5,
bei dem die innen liegende keramische Wärmedämmschicht (16) und die äußerste keramische Wärmedämmschicht (19) verschiedene Zusammensetzungen aufweisen,
insbesondere eine innen liegende Zirkonoxidschicht (16) und ganz insbesondere eine äußere Pyrochlorschicht (19).

8. Schichtsystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2, 3, 4, 5, 6 oder 7,
bei dem das Schichtsystem (1) nur zwei keramische Schichten (16, 19) aufweist.

9. Schichtsystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8,
bei dem sich die Löcher (20) oder Vertiefungen (21) nicht bis zum Substrat (4) oder
nicht bis zur Haftvermittlerschicht (7) oder
nicht bis zur TGO
erstrecken.

10. Schichtsystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9,
bei dem die Löcher (20) und/oder Vertiefungen (21) keine Risse darstellen.

11. Schichtsystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10,
bei dem die Löcher (20) in der Richtung (25) der Schichtdicke einen konstanten Querschnitt aufweisen.

12. Schichtsystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11,
bei dem die Vertiefungen (21) im Querschnitt parallel zur Richtung (25) der Schichtdicke einen konstanten Querschnitt aufweisen.

13. Schichtsystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12,
bei dem sich die Löcher (20) und/oder die Vertiefungen (21) parallel zu einer Senkrechten (25) der Oberfläche (22) erstrecken.

14. Schichtsystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 13,
bei dem die Löcher (20) und/oder die Vertiefungen (21) über die Oberfläche (22) oder einen Oberflächenbereich gleichmä-βig verteilt sind.

Zeichnung