HINTERGRUND ERFINDUNG
GEBIET DER ERFINDUNG
[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wärmedämmschicht für ein temperaturbelastetes
Bauteil, insbesondere für eine Komponente einer Strömungsmaschine, mit einer Haftvermittlerschicht,
einer inneren Keramikschicht, einer metallischen Barriereschicht und einer äußeren
Keramikschicht.
STAND DER TECHNIK
[0002] Bei Strömungsmaschinen, wie stationären Gasturbinen oder Flugzeugtriebwerken, werden
bestimmte Bauteile, wie beispielsweise Turbinenschaufeln, hohen Temperaturen und widrigen
Umgebungsbedingungen ausgesetzt, sodass die Bauteile durch entsprechende Schutzschichten
geschützt werden müssen. Hierzu ist es beispielsweise bekannt, so genannte Wärmedämmschichten
(TBC thermal barrier coating) auf temperaturbelasteten Bauteilen vorzusehen, wobei
die Wärmedämmschichten üblicherweise aus keramischen Materialien gebildet sind und
die unterhalb der Wärmedämmschicht angeordneten Bauteile vor zu hoher Temperaturbelastung
schützen.
[0003] Üblicherweise sind die Wärmedämmschichten Teil eines Schutzschichtsystems, welches
weitere Schichten aufweist, um das mit dem Schutzschichtsystem geschützte Bauteil
beispielsweise vor Oxidationsangriff zu schützen. Entsprechend ist es bekannt im Zusammenhang
mit Wärmedämmschichten sogenannte Haftvermittlerschichten vorzusehen, die einerseits
eine gute Haftung der Wärmedämmschicht auf dem zu schützenden Bauteil ermöglichen
und andererseits einen Oxidationsschutz für das Bauteil bereitstellen. Beispielsweise
wird als Wärmedämmschichte mit Yttriumoxid stabilisiertes Zirkonoxid eingesetzt, während
die Haftvermittlerschicht durch so genannte MCrAlY - Legierungen mit M = Eisen, Nickel
oder Kobalt gebildet sein können.
[0004] Allerdings kann es trotz der Haftvermittlerschicht auf Grund unterschiedlicher thermischer
Ausdehnungskoeffizienten der Schichten und des Bauteils und der extremen Umgebungsbedingungen
mit Erosion und dergleichen zu Beschädigungen des Schutzschichtsystems mit Abplatzungen,
Rissbildung oder ähnlichem kommen, die zu einer Beschädigung des Bauteils führen können.
[0005] Insbesondere bestehen bei Flugzeugtriebwerken, die in unterschiedlichen Umgebungen
mit vielen verschiedenartigen Betriebsbedingungen betrieben werden, derartige Probleme.
So kann es beispielsweise durch kontaminierende Substanzen zu chemischen und mechanischen
Interaktionen mit dem Schutzschichtsystem und insbesondere der Wärmedämmschicht kommen,
die zu einer Beschädigung des Schutzschichtsystems und somit des Bauteils führen können.
So können beispielsweise Kalziumoxide, Magnesiumoxide, Aluminiumoxide, Siliziumoxide
und Mischungen davon beispielsweise bei entsprechenden Umgebungsbedingungen durch
das Eindringen von Sand in die Strömungsmaschine gelangen, welche bei den hohen Temperaturen
schmelzen und in die Wärmedämmschicht eindringen können. Die sogenannten CMAS - Oxide,
nämlich Kalzium -, Magnesium -, Aluminium - und Siliziumoxide, können nach dem Eindringen
in die Wärmedämmschicht dort wieder erstarren und beim Erstarrungsprozess Risse und
Abplatzungen verursachen. Darüber hinaus können die geschmolzenen CMAS - Oxide auch
mit der Wärmedämmschicht reagieren und dieses dadurch beschädigen.
[0006] Um dieses Problem zu beseitigen wird in der
US 5,914,189 A vorgeschlagen, verschiedene Schutzschichten vorzusehen, die eine Beschädigung der
Wärmedämmschicht durch sogenannte CMAS - Oxide verhindern sollen. Die Schutzschichten
umfassen eine Barriereschicht aus keramischen oder metallischen Schichten und eine
oxidische Opferschicht, die mit den CMAS - Verbindungen reagieren soll, um die Schmelztemperatur
und die Viskosität zu erhöhen. Die oxidische Opferschicht kann hierbei Aluminiumoxid,
Magnesiumoxid, Chromoxid, Kalziumoxid, Scandiumoxid, Kalziumzirkonat, Siliziumoxid
und dergleichen umfassen, während die Barriereschicht oxidische und nicht oxidische
Keramiken sowie metallische Schichten, die Platin, Palladium, Silber, Gold, Ruthenium,
Rhodium, Iridium und Legierungen davon umfassen können, aufweisen kann.
[0007] Gleichwohl besteht weiterhin Bedarf an einem Schutzschichtsystem, welches für temperaturbelastete
Bauteile in Strömungsmaschinen, wie Flugzeugtriebwerken, bei aggressiven Umgebungsbedingungen
einen ausgewogenen Schutz bietet und eine möglichst lange Lebensdauer aufweist.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
AUFGABE DER ERFINDUNG
[0008] Es ist deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Wärmedämmschutzschichtsystem
für ein temperaturbelastetes Bauteil, insbesondere einer Komponente einer Strömungsmaschine
bereitzustellen, welches einen effektiven Schutz des Bauteils vor hohen Temperaturen
bei aggressiven Umgebungen mit einer hohen Lebensdauer bereitstellt, wobei insbesondere
Beschädigungen des Wärmedämmschichtsystems durch sogenannte CMAS - Oxide vermieden
oder zumindest verringert werden sollen. Gleichzeitig soll das Wärmedämmschichtsystem
einfach aufgebaut und einfach herstellbar sein.
TECHNISCHE LÖSUNG
[0009] Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Wärmedämmschutzschichtsystem mit den Merkmalen
des Anspruchs 1 und ein entsprechendes Bauteil mit den Merkmalen des Anspruchs 7.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
[0010] Die Erfindung schlägt vor, ein Wärmedämmschutzschichtsystem für ein temperaturbelastetes
Bauteil vorzusehen, welches eine Haftvermittlerschicht, eine innere Keramikschicht,
eine metallische Barriereschicht und eine äußere Keramikschicht aufweist. Die Haftvermittlerschicht
und die metallische Barriereschicht sollen jeweils aus einer Iridium - Rhodium - Legierung
gebildet werden. Iridium - Rhodium - Legierungen haben sich als hitzebeständige Legierungen
gezeigt, die sowohl innerhalb des Wärmedämmschutzschichtsystems als Barriereschicht
als auch als Haftvermittlerschicht den aggressiven Umgebungsbedingungen hinsichtlich
einer ausreichenden Oxidationsbeständigkeit und Korrosionsbeständigkeit gewachsen
sind als auch das Wärmedämmschutzschichtsystem an sich und dessen Haftung auf einem
Substrat im Hinblick auf die thermischen Ausdehnungskoeffizienten und mechanischen
Anforderungen stabilisieren kann. Durch das Vorsehen der Iridium - Rhodium - Legierung
sowohl als Haftvermittlerschicht als auch als metallische Barriereschicht werden auch
die chemische Stabilität und die Diffusionsstabilität verbessert.
[0011] Insbesondere können die Haftvermittlerschicht und die Barriereschicht aus identischen
Materialien gebildet sein.
[0012] Die Iridium - Rhodium - Legierung kann 89 Gew.% bis 99 Gew.%, insbesondere 92 Gew.%
bis 96 Gew.% Iridium und 1 Gew.% bis 11 Gew.%, insbesondere 4 Gew.% bis 8 Gew.% Rhodium
aufweisen.
[0013] Neben Iridium und Rhodium kann die Iridium - Rhodium - Legierung als Legierungsbestandteile
Nickel, Kobalt, Niob, Aluminium und Zirkon umfassen. Ein drittes oder weiteres Legierungselement,
wie Nickel, Kobalt, Niob, Aluminium oder Zirkon ersetzt in der Legierung Iridium und/oder
Rhodium, sodass die Legierung insgesamt selbstverständlich nicht mehr als 100 Gew.%
aufweist. Entsprechend ergibt sich für die weiteren Legierungsbestandteile aus Nickel,
Kobalt, Niob, Aluminium und/oder Zirkon ein maximaler Gesamtanteil von 10 Gew.%, sodass
in diesem Fall beispielsweise der Rhodiumanteil 1 Gew.% beträgt, während der Iridiumanteil
89 Gew.% beträgt.
[0014] Die Haftvermittlerschicht kann in einer Dicke von 10 µm bis 80 µm, vorzugsweise im
Bereich von 40 µm bis 60 µm, insbesondere um 50 µm vorliegen.
[0015] Die Haftvermittlerschicht kann auf einem entsprechenden Bauteil durch physikalische
Dampfphasenabscheidung (physical vapor deposition PVD), insbesondere Elektronenstrahl
- Dampfphasenabscheidung (Electron Beam Physical Vapor Deposition EBPVD), oder durch
chemische Dampfphasenabscheidung (Chemical Vapor Deposition CVD) oder durch Plasmaspritzen,
insbesondere Niederdruckplasmaspritzen (Low Pressure Plasma Spraying LPPS)aufgebracht
werden.
[0016] Wie bereits erwähnt, liegt oberhalb der Haftvermittlerschicht eine innere Keramikschicht
vor, die mit Yttriumoxid stabilisiertes Zirkonoxid und/oder mit Magnesiumoxid stabilisiertes
Zirkonoxid umfassen kann. Insbesondere kann der Anteil an mit Yttriumoxid stabilisiertem
Zirkonoxid (Yttria Stabilized Zirkonia YSZ) im Bereich von 70 Gew.% bis 90 Gew.% liegen,
während der Anteil an mit Magnesiumoxid stabilisiertem Zirkonoxid (Magnesia Stabilized
Zirkonia MSZ) im Bereich von 10 Gew.% bis 30 Gew.% liegen kann.
[0017] Das mit Magnesiumoxid stabilisierte Zirkonoxid kann wiederum Magnesiumoxid im Bereich
von 3 Gew.% bis 6 Gew.% und nicht weniger als 94 Gew.% Zirkonoxid aufweisen. Das mit
Yttriumoxid stabilisierte Zirkonoxid kann Yttriumoxid im Bereich von 6 Gew.% bis 12
Gew.% und Zirkonoxid im Bereich von 88 Gew.% bis 94 Gew.% aufweisen.
[0018] Die Schichtdicke der inneren Keramikschicht kann im Bereich von 100 µm bis 200 µm,
vorzugsweise im Bereich von 150 µm liegen. Die Abscheidung der inneren Keramikschicht
kann durch physikalische Dampfabscheidung, insbesondere durch Elektronenstrahl - Dampfphasenabscheidung
(Electron Beam Physical Vapor Deposition EBPVD) erfolgen.
[0019] Die Barriereschicht aus der Iridium - Rhodium - Legierung kann eine Schichtdicke
im Bereich von 10 µm bis 50 µm vorzugsweise im Bereich von 30 µm aufweisen und ebenfalls
durch Elektronenstrahl - Dampfphasenabscheidung oder durch chemische Dampfphasenabscheidung
aufgebracht werden. Die metallische Barriereschicht verhindert, dass die innere Keramikschicht
von Reaktionsprodukten der äußeren Keramikschicht mit CMAS - Oxiden infiltriert und
somit beschädigt wird.
[0020] Die äußere Keramikschicht, die auch als Opferschicht bezeichnet wird, kann Aluminiumoxid
und/oder Scandiumoxid und/oder Siliziumoxid umfassen. Insbesondere kann der Anteil
an Aluminiumoxid im Bereich von 60 Gew.% bis 90 Gew.%, der Anteil an Scandiumoxid
im Bereich von 5 Gew.% bis 20 Gew.% und der Anteil an Siliziumoxid im Bereich von
5 Gew.% bis 20 Gew.% liegen. Die Schichtdicke der äußeren Keramikschicht kann im Bereich
von 5 µm bis 40 µm, vorzugsweise im Bereich von 20 µm liegen, und die Schicht kann
durch Elektronenstrahl - Dampfphasenabscheidung oder durch chemische Dampfabscheidung
aufgebracht werden. Die äußere Keramikschicht, die als Opferschicht dient, kann mit
geschmolzenen CMAS - Verbindungen oder anderen Verunreinigungen bzw. entsprechenden
Verbindungen während des Betriebs einer Störungsmaschine reagieren, wodurch der Schmelzpunkt
und/oder die Viskosität der Kontaminationsprodukte erhöht wird, sodass keine reaktiven,
flüssigen Gemenge entstehen können, die weitere Schädigungen hervorrufen könnten.
[0021] Ein entsprechendes Wärmedämmschutzschichtsystem kann vorzugsweise auf Bauteilen aufgebracht
werden, die aus einer Nickel - Kobalt - Legierung gebildet sind. Insbesondere kann
das entsprechende Bauteil aus einer Nickelbasis - Superlegierung oder Kobaltbasis
- Superlegierung gebildet sein. Eine Nickellegierung bedeutet hierbei, dass es sich
um eine Legierung mit dem Hauptbestandteil Nickel handelt, während der Begriff der
Superlegierung für den Fachmann geläufige Legierungen beschreibt, die auf Grund besonderer
Härtungsmechanismen bei hohen Temperaturen eine besonders hohe Festigkeit aufweisen.
Entsprechendes gilt für Kobaltlegierungen bzw. Kobaltbasis - Superlegierungen.
KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
[0022] Die beigefügten Zeichnungen zeigen in rein schematischer Weise in
- Figur 1
- eine perspektivische Darstellung einer Schaufel einer Strömungsmaschine; und in
- Figur 2
- eine teilweise Schnittansicht durch ein erfindungsgemäßes Wärmedämmschutzschichtsystem.
AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
[0023] Weitere Vorteile, Kennzeichen und Merkmale der folgenden Erfindung werden bei der
nachfolgenden detaillierten Beschreibung der Ausführungsbeispiele deutlich. Allerdings
ist die Erfindung nicht auf diese Ausführungsbeispiele beschränkt.
[0024] Die Figur 1 zeigt ein Beispiel eines Bauteils einer Strömungsmaschine, das mit einem
erfindungsgemäßen Wärmedämmschutzschichtsystem versehen werden kann. Bei dem beispielhaften
Bauteil handelt es sich um eine Schaufel 1 mit einem Schaufelblatt 2 und einem Schaufelfuß
3, welcher ein inneres Deckband 4 umfasst. Die Wärmedämmschicht gemäß der vorliegenden
Erfindung kann beispielsweise auf dem Schaufelblatt 2 angeordnet sein.
[0025] Die Figur 2 zeigt einen schematischen Aufbau eines erfindungsgemäßen Wärmedämmschutzschichtsystems,
wie es beispielsweise auf der Schaufel 1 der Figur 1 angeordnet sein kann.
[0026] Auf einem entsprechenden Substrat 10 ist eine Haftvermittlerschicht 11, die auch
als Bondschicht bezeichnet werden kann, angeordnet. Auf dieser ist eine innere Keramikschicht
12 vorgesehen, auf der sich in Richtung nach außen eine metallische Barriereschicht
13 befindet. Den Abschluss des erfindungsgemäßen Wärmedämmschutzschichtsystems bildet
die äußere Keramikschicht 14, die auch als Opferschicht bezeichnet wird.
[0027] Gemäß dem gezeigten Ausführungsbeispiel der Figur 2 ist die Haftvermittlerschicht
11 aus einer Iridium - Rhodium - Legierung gebildet. Die innere Keramikschicht 12
umfasst mit Yttriumoxid stabilisiertes Zirkonoxid sowie mit Magnesiumoxid stabilisiertes
Zirkonoxid, die miteinander vermengt sind.
[0028] Die metallische Barriereschicht besteht wiederum wie die Haftvermittlerschicht aus
einer Iridium - Rhodium - Legierung, während die Opferschicht 14 aus einer Mischung
aus Aluminiumoxid, Scandiumoxid und Siliziumoxid besteht.
[0029] Die Haftvermittlerschicht 11 und die Barriereschicht 13 bestehen aus der selben Iridium
- Rhodium - Legierung, die jeweils einen Anteil von 89 Gew.% bis 99 Gew.% Iridium
und 1 Gew.% bis 11 Gew.% Rhodium sowie mindestens ein Element aus der Gruppe umfasst,
die Nickel, Kobalt, Niob, Aluminium und Zirkonium aufweist. Da der Gesamtanteil der
Legierung 100 Gew.% nicht übersteigen kann, versteht sich, dass die zusätzliche Legierungsbestandteile,
die neben Iridium und Rhodium vorliegen, anstelle entsprechender Anteile von Iridium
und Rhodium in der Legierung enthalten sind. So kann beispielsweise bei einem Anteil
von 2 Gew.% eines dritten oder weiteren Legierungsbestandteils der Iridium - Anteil
zwischen 89 Gew.% und 97 Gew.% liegen, während der Rhodium - Anteil zwischen 1 Gew.%
und 9 Gew.% liegen kann. Bei höheren oder niedrigeren Anteilen der dritten oder weiteren
Legierungskomponente sind die Anteile an Iridium und Rhodium entsprechend anzupassen.
[0030] Obwohl die vorliegende Erfindung anhand der Ausführungsbeispiele detailliert beschrieben
worden ist, ist es für den Fachmann selbstverständlich, dass die Erfindung nicht auf
diese Ausführungsbeispiele beschränkt ist, sondern dass vielmehr Abwandlungen in der
Weise möglich sind, dass einzelne Merkmale weggelassen oder andersartige Kombinationen
von Merkmalen verwirklicht werden können, ohne dass der Schutzbereich der beigefügten
Ansprüche verlassen wird. Die vorliegende Erfindung schließt sämtliche Kombinationen
der vorgestellten Einzelmerkmale mit ein.
1. Wärmedämmschutzschichtsystem für ein temperaturbelastetes Bauteil, insbesondere für
eine Komponente einer Strömungsmaschine mit einer Haftvermittlerschicht (11), einer
inneren Keramikschicht (12), einer metallischen Barriereschicht (13) und einer äußeren
Keramikschicht (14),
dadurch gekennzeichnet, dass
die Haftvermittlerschicht (11) und die metallische Barriereschicht (13) jeweils aus
einer Iridium - Rhodium - Legierung gebildet sind.
2. Wärmedämmschutzschichtsystem nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Haftvermittlerschicht (11) und die metallische Barriereschicht (13) aus identischen
Materialien gebildet sind.
3. Wärmedämmschutzschichtsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Iridium - Rhodium - Legierung 89 bis 99 Gew.%, insbesondere 92 bis 96 Gew.% Iridium
und 1 bis 11 Gew.%, insbesondere 4 bis 8 Gew.% Rhodium aufweist.
4. Wärmedämmschutzschichtsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Iridium - Rhodium - Legierung als Legierungsbestandteil mindestens ein Element
aus der Gruppe aufweist, die Nickel, Kobalt, Niob, Aluminium und Zirkon umfasst.
5. Wärmedämmschutzschichtsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die innere Keramikschicht (12) mit Yttriumoxid und/oder Magnesiumoxid stabilisiertes
Zirkonoxid umfasst.
6. Wärmedämmschutzschichtsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die äußere Keramikschicht (14) eine Opferschicht ist, die Aluminiumoxid und/oder Scandiumoxid
und/oder Siliziumoxid umfasst.
7. Bauteil einer Strömungsmaschine mit einer Wärmedämmschutzschichtsystem nach einem
der vorhergehenden Ansprüche.
8. Bauteil nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Bauteil (1) aus einer Nickel - oder Kobaltlegierung, insbesondere einer Nickelbasis
- Superlegierung oder Kobaltbasis - Superlegierung gebildet ist.