Beschichtungssystem für Turbinenkomponente Die Erfindung betrifft einen Teil einer Wärmedämmschicht ei ^¬ nes Umgebungs-Beschichtungssystems (Environmental barrier coatings (EBC) ) für eine Turbinenkomponente wie beispielswei ^¬ se eine Gasturbinenschaufel und/oder ein Gasturbinenblatt, die zumindest zum Teil aus einem keramischen Matrix- Komponenten-Material „CMC" (Ceramic Matrix Component) ist.

Wärmedämmschichten werden in der Industrie eingesetzt, um die Werkstofftemperatur bei Hochtemperaturanwendungen zu senken. Ein Beispiel sind Gasturbinen, bei denen die Beschichtung den Bedürfnissen entsprechend im Bereich von wenigen Zehntelmillimetern bis hin zu Millimetern auf den Schaufeln sowie auf anderen Komponenten im Heißgaspfad von Turbinen aufgetragen wird . Turbinen werden, beispielsweise in Form von Gasturbinen, zur Energiegewinnung elektrischer Energie über Verbrennungsgas in einer Verbrennungskammer eingesetzt. Dabei fließt das heiße Gas in die Turbine, die mit einem Generator verbunden ist. Um die Effizienz der Gasturbine zu steigern, wird das Gas so heiß wie möglich eingeleitet. Je heißer das Gas, desto höhere Ansprüche an die Beschichtungsmaterialien, die die Turbinenkomponenten, wie beispielsweise Turbinenblätter und Turbinenschaufeln, entlang dem Heißgaspfad in den Turbinen vor Schäden durch das heiße Gas schützen.

Bislang werden entsprechende Turbinenkomponenten aus einer Superlegierung mit einer Haftschicht und darauf einer thermischen Barriereschicht (TBC, Thermal Barrier Coating) aufge ^¬ baut, wobei diese beiden Schichten sowohl die Gastemperatur beschränken als auch ein Kühlsystem erfordern. Eine alternative Herangehensweise ist die Entwicklung von keramischen Verbundwerkstoffen, sog. Ceramic-Matrix-Component "CMCs"- . Diese Trägerstrukturen halten höhere Temperaturen als Super- legierungen aus, haben eine geringere Dichte und eine bessere Oxidationsbeständigkeit , insbesondere die oxidischen CMCs . Die eingeschränkte Bruchfestigkeit und Schadenstoleranz der keramischen Materialien wird grundsätzlich durch Faserverstärkung verbessert und ausgeglichen.

Trotzdem sind die CMCs anfällig gegenüber Bestandteilen des heißen Gases, wie beispielsweise Wasserdampf, vergleichbar zu den herkömmlichen Superlegierungen . Deswegen werden die CMC- Trägerstrukturen mit einer Haftschicht und darauf zumindest ein bis zwei Schutzschichten, die im Ganzen als Umgebungs- Beschichtungssystem (Environmental barrier coatings (EBC) ) bezeichnet werden, vor Umgebungseinflüssen bewahrt.

Typische EBC-Beschichtungssysteme für beispielsweise

Siliziumcarbid SiC/SiC-CMCs sind aus Barium-Strontium- Aluminium-Silikaten (BSAS) oder Silikaten von seltenen Erden, also Yttrium, Ytterbium wie z.B. Y2 S 12O7 , Y2 S 1 O5 ) im Sinne ei- ner gemischten Mullit-BSAS Beschichtung auf einer Silizium- Haftschicht aufgebaut.

Zusätzlich kann gemäß dem Stand der Technik, wie er beispielsweise aus der WO 2010/080240 und/oder aus der US

2010/0158680 bekannt ist, eine separate Barriereschicht gegen das Eindringen von flüssigen CMAS, also Calcium, Magnesium, Aluminiumsilikaten, auf dem EBC -Beschichtungssystem vorgesehen sein. Aus DE 10 2015 205 807.7 ist eine kombinierte Schutzschicht gegen Feuchte, Sauerstoff und Eindringen von Calcium, Magne ^¬ sium und/oder Aluminiumsilikaten (CMAS) in eine Trägerstruktur aus keramischem Matrixmaterial für Hochtemperatur- Anwendungen bekannt. Diese Schutzschicht umfasst eine kerami- sehe Komponente, einen Spinell der allgemeinen Formel (Mg, Zn, Fe, Mn) - AI ₂ O ₄ , einen Perowskit der allgemeinen Formel (RE1, RE2)A103, wobei RE1 für ein dreiwertiges Kation eines seltenen Erden-Elements steht und gleich oder ungleich RE2 sein kann, einen Oxyapatit und/oder einen Granaten mit einer allgemeinen Formel (RE1RE2RE3 ) AI5O12 wobei RE1, RE2 und RE3 jeweils für ein dreiwertiges Kation eines seltenen Erden- Elements steht und gleich oder verschieden sein können, sowie beliebige Mischungen der vorgenannten Verbindungen.

Nachteilig am Stand der Technik ist, dass das Beschichtungs- system zu viele Schichten umfasst, wobei Haftungsprobleme bei den Grenzflächen und insbesondere auch Unterschiede in den thermischen Ausdehnungskoeffizienten zu Instabilitäten der Beschichtungssysteme für Turbinenkomponenten wie Gasturbinenschaufeln und/oder Gasturbinenblätter führen kann.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Verbesserung des Beschichtungssystems für Turbinenkomponenten, ins- besondere Gasturbinenschaufel- und/oder Gasturbinenblatt zu schaffen, das die Nachteile des Standes der Technik minimiert oder überwindet.

Lösung der Aufgabe und Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist daher eine Beschichtung für eine Turbinenkomponente, ins ^¬ besondere Gasturbinenkomponente, beispielsweise eine Turbi ^¬ nenschaufel, die zumindest zum Teil aus einem keramischen Verbundwerkstoff (CMC) ist, wobei der Teil, der aus einem ke ^¬ ramischen Verbundwerkstoff ist, eine Beschichtung aufweist, die wasserdicht ist und mit dem Material der Turbinenkompo ^¬ nente chemisch mischbar und/oder ineinander lösbar, insbesondere chemisch miteinander unbegrenzt mischbar und/oder unbegrenzt ineinander lösbar, also „chemisch kompatibel" sind, weil in der Matrix des CMCs der Gasturbinenschaufel Partikel und/oder Fasern eingearbeitet sind, die aus einem gleichen oder einem chemisch übereinstimmendem, zumindest aber chemisch kompatiblen, Material sind wie sie in der wasserdichten Beschichtung enthalten sind, wobei dieses übereinstimmende und kompatible Material insbesondere auf Basis von Aluminium- oxid, Yttrium Aluminium Granat oder Garnet (YAG) und/oder

Yttrium Stabilized Zirkonoxid (YSZ) sowie beliebiger Mischungen dieser Komponenten beschaffen ist. Als chemisch kompatibles Material wird insbesondere ein Mate ^¬ rial bezeichnet, das eine übereinstimmende chemische Summen ^¬ formel hat. Dabei kann die Modifikation, insbesondere die kristallographische Modifikation, in der das chemisch über- einstimmende Material vorliegt, durchaus ganz verschieden sein, so dass ein amorphes Material oder keramisch gesintertes Material mit einem kristallinen oder teilkristallinem Material im Sinne der vorliegenden Erfindung „chemisch kompatibel", also chemisch miteinander - ohne nennenswerte Reaktion wie Umsetzung oder Zersetzung - mischbar ist.

Vorteilhafterweise ergibt sich daraus eine Beschichtung mit einer sehr dichten Mikrostruktur, deren Gewicht über 90% ihres theoretischen Gewichts beträgt, so dass in der Beschich- tung ein nahezu porenfreies Material vorliegt, das eine hohe Schutzwirkung auf, beispielsweise ein Turbinenblatt, ausübt.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Beschichtung ist diese nahezu porenfrei, das heißt die Beschichtung weist eine Dichte auf, die ein Gewicht der Beschichtung bedingt, das größer oder gleich 95% des theoretischen Gewichts, also bei 100% Dichte, und theoretischer Porenfreiheit ist.

Die Füllstoffe im CMC können in einer oder in mehreren ver- schiedenen Fraktionen, wobei Unterschiede in der Partikel ^¬ größe, von mehreren Mikrometer bis Nanometer, bestehen können, vorliegen.

Des Weiteren können Unterschiede in der Partikelzusammen- setzung des oder der Füllstoffe vorliegen, beispielsweise ausgehend von einem Füllstoff aus reinem Y ₃ AI 15O12 (YAG) über ein 50:50 Mol% Gemisch mit einem stabilisiertem Zirkonium (IV) - oxid, beispielsweise YSZ, bis zu reinem Zirkonium (IV) - oxid, bevorzugt mit 4 Mol% bis 8 Mol% Yttriumoxid Y2O ₃ sta- bilisiert.

Die Füllstoffe liegen bevorzugt weder in der Matrix noch im CMC amorph vor, sondern polykristallin, teilkristallin und/oder kristallin. Die bevorzugte Partikelgröße der im Folgenden als „grob" be ^¬ zeichneten, vorzugsweise zumindest teilkristallin vorliegen- den Partikel des oder der Füllstoffe liegen beispielsweise im Bereich von 500nm bis 15 ym wobei im Bereich der Korngrößen von 700nm bis 3 ym eine Häufung an geeigneten Partikeln vorliegt. Die feinen Partikel sintern während der Herstellung einer Beschichtung zu einem festen Material mit keramischer Mikrostruktur.

Ebenso können die Füllstoffe in verschiedene Formen, sphä ^¬ risch, plättchen- und/oder stabförmig vorliegen. Nach einer vorteilhaften Ausbildung der Erfindung wird das

Beschichtungssystem der Turbinenkomponente wie der Gasturbi ^¬ nenschaufel und/oder des Gasturbinenblatts gleich mit der Gasturbine und/oder dem Gasturbinenblatt hergestellt. Aller ^¬ dings kann ebenso gut eine Beschichtung eines bereits ferti- gen Gasturbinenblattes oder einer Gasturbinenschaufel, also beispielsweise eine Nachrüstung, erfolgen.

Im Folgenden wird die Erfindung noch anhand einiger Beispiele näher erläutert:

Eine erfindungsgemäß sehr dichte auf YAG und/oder YSZ basie ^¬ rende Beschichtung wird durch Aufbringen eines Schlickers und anschließende Wärmebehandlung hergestellt. Beispielsweise wird der Schlicker durch Mischen grober Partikel, beispiels- weise Partikel im Mikrometerbereich, und/oder feiner Füllstoffpartikel im Nanometer- Submikrometerbereich mit

deionisiertem, destilliertem Wasser gerührt oder gemischt.

Beispielsweise kann das Verhältnis Füllstoffe zu Wasser 50:50 betragen, wobei beliebige andere Verhältnisse genauso ein ^¬ setzbar sind. der fertigen Mischung liegt dann in wässriger Lösung fes Füllstoff im Bereich von 10 bis 60 Vol% vor. Bevorzugt ,

b liegt der Anteil an Füllstoff im Bereich von 20 bis 50 Vol% und insbesondere bevorzugt im Bereich von ca. 30 bis 40 Vol% Füllstoff - also beispielsweise Partikel aus AI ₂ O ₃ , YAG und/oder YSZ - wiederum beispielsweise in verschiedenen

Partikelfraktionen - vor. Optional kann sowohl ein Binder oder eine Bindermischung, eine Dispergierhilfe und/oder eine Sinterhilfe noch beigemischt sein, diese Komponenten sind dem mit der Technik vertrauten Fachmann geläufig und sowohl in Material als auch in Menge von diesem leicht für das jeweili- ge System passend aufzufinden. Beispielsweise kann als

Dispergierhilfe ein organisches Verflüssigungsmittel, insbe ^¬ sondere ein organisches alkalifreies Verflüssigungsmittel, wie eine Carbonsäurezubereitung, eingesetzt werden. Beispielsweise wird das Material für die Beschichtung als wasserhaltiger und/oder säurehaltiger Schlicker auf das CMC- Substrat aufgebracht und mit diesem einer Wärmebehandlung unterzogen. Dabei können Temperaturen bis zu 1100°C realisiert werden. So entsteht eine Beschichtung, die gesintertes Mate- rial, in dem Füllstoffpartikel in beispielsweise Mikrometer ^¬ größe enthalten sind.

Ein derart hergestellter fester Verbund aus dichter wasserfester Beschichtung gemäß der Erfindung und Turbinenkomponen- te wie Gasturbinenblatt und/oder Gasturbinenschaufel kann wie beispielsweise durch optische Verfahren wie REM-Aufnahmen charakterisiert werden, wobei das Substrat, also beispiels ^¬ weise das Gasturbinenblatt als Schicht mit Fasern und die Be ^¬ schichtung als Schicht ohne Fasern und mit Füllstoffpartikel zu erkennen ist. Die REM Aufnahmen können auch mit chemischen Analysen zur Charakterisierung kombiniert werden.

Nach einer weiteren Ausführungsform umfasst das CMC-Material der Gasturbinenschaufel und/oder des Gasturbinenblatts stabi- lisierende Fasern, die aus dem gleichen Material wie die gro ^¬ ben oder feinen Füllstoffe der Beschichtung sind, beispielsweise aus AI ₂ O ₃ , YAG und/oder YSZ. Analytisch können dann das CMC-Substratmaterial und das Beschichtungsmaterial beispiels ^¬ weise dadurch unterschieden werden, dass im Substratmaterial Fasern und gegebenenfalls auch Partikel und in der Beschich ^¬ tung zwar Partikel des gleichen Oxids oder der gleichen Oxidmischung aber keine Fasern vorliegen. Die Fasern können beispielsweise auf Basis von Aluminiumoxid, und/oder Mullit sein und haben zumindest amorphe Anteile. Der Schlicker wird nach üblichen Methoden, beispielsweise über Besprühen, Eintauchen, Aufpinseln oder ähnliches auf das Substrat aufgebracht. Die Beschichtung ergibt sich durch Sin- tern und Tempern der mit Schlicker beschichteten Gasturbinenschaufel oder des Gasturbinenblattes. Dabei sintern die fei ^¬ nen Füllstoffpartikel und ergeben eine nahezu porenfreie ke ^¬ ramische Beschichtung während die größeren und gröberen Partikel für die Festigkeit und Widerstandsfähigkeit der Be- Schichtung sorgen.

Im Folgenden wird die Erfindung noch anhand einer Figur, die einen beispielhaften Aufbau eines Beschichtungssystems nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt, näher erläu- tert:

Zu erkennen ist unten das Substrat 1, also beispielsweise ein Substrat aus einer CMC. Eine CMC umfasst eine Matrix aus bei ^¬ spielsweise einer oxidischen oder einer nicht-oxidischen Keramik wie SiC, S 1 ₃ N ₄ , S 1O ₂ , AI ₂ O ₃ sowie beliebige Mischungen daraus wie beispielsweise aus der EP 1394138 bekannte CMC- Matrizen. In der Matrix befinden sich dann beispielsweise Fasern, die insbesondere zur Verstärkung dienen. Beispielsweise können aber auch Füllstoffpartikel in die Matrix eingearbei ^¬ tet sein. Der Inhalt der EP 1394138 wird hiermit, die CMC- Substrate betreffend auch zum Gegenstand der vorliegenden Of ^¬ fenbarung gemacht. In diese Matrix aus den oben genannten Materialien sind zur Steigerung der Festigkeit im CMC noch Fasern und gegebenenfalls auch noch Partikel eingearbeitet. Die Fasern sind beispielsweise aus dem gleichen Material wie die Füllstoffe des Schlickers aus dem die auf dem Substrat auf ^¬ liegenden wasserdampfdichte Beschichtung 2 gemacht ist. Vorliegend wird ein Substrat, wie ein Gasturbinenblatt aus einer Matrix mit Faserfüllung beschrieben, wobei die Matrix und die Fasern gegebenenfalls aus gleichem chemischem Material, beispielsweise Aluminiumoxid, sind. Auf diesem Substrat befindet sich eine Beschichtung, die über einen Schlicker herstellbar ist, wobei die Beschichtung wiederum das gleiche Material hat, allerdings in Form einer gesinterten Keramik mit groben Füllstoffpartikel , beispielsweise im Mikrometerbe ^¬ reich. Diese Beschichtung ist durch Erhitzen und Sintern eines

Schlickers auf dem CMC Substrat herstellbar, wobei der Schli ^¬ cker zumindest eine Fraktion eines feineren Füllstoffes und eine Fraktion eines gröberen Füllstoffes umfasst und durch das Sintern eine gesinterte Keramik aus dem feineren Füll- stoffPartikeln entsteht und die gröberen Partikel in der fertigen Beschichtung noch nachweisbar bleiben.

Auf dem Substrat 1 befindet sich die chemisch kompatible was ^¬ serdichte Barriereschicht 2 die Füllstoffpartikel umfasst, die nach einer bevorzugten Ausführungsform das gleiche Mate- rial wie im CMC-Substrat enthaltene Füllstoffpartikel auf ^¬ weist. Die Anbindung der wasserdichten nahezu porenfreien Beschichtung 2 an das Substrat ist wegen der chemischen Kompatibilität ausgezeichnet, weil sich keine echten Grenzflächen ausbilden, die verbunden werden müssen, sondern die Grenzflä- chen ineinander übergehen und Grenzbereiche bilden.

Auf der wasserdichten Beschichtung 2 befindet sich vorteilhafterweise noch eine thermische Barriereschicht TBC 3, die nach üblichen Methoden aufbringbar ist.

Die Dicke der Schicht liegt beispielsweise im Mikrometerbe- reich im Bereich von ca. 500nm bis 10 mm.

Die Erfindung betrifft ein Beschichtungssystem für eine Turbinenkomponente wie eine Gasturbinenschaufel und/oder ein Gasturbinenblatt, insbesondere eines aus einem keramischen Matrix-Komponenten-Material „CMC" (Ceramic Matrix Component) , wobei eine wasserdampfdichte keramische Beschichtung auf dem CMC Substrat vorgesehen ist, die chemisch zu dem Substratma ^¬ terial kompatibel und nahezu porenfrei ist.