Keramische Wärmedämmschicht

Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Werkstofftechnik. Sie betrifft eine keramische Wärmedämmschicht, welche zum Beschichten thermisch hochbelasteter Bauteile, wie z. B. Laufschaufeln einer Gasturbine, eingesetzt wird.

Stand der Technik

Um die Effizienz von Gasturbinen zu erhöhen werden diese bei sehr hohen Betriebstemperaturen gefahren. Die den heissen Gasen ausgesetzten Bauteile, z. B. Leit- und Laufschaufeln oder Brennkammerelemente, werden daher bekanntermassen auf ihrer Oberfläche mit Wärmedämmschichten (Thermal Barrier Coatings, TBC) versehen, um höhere Betriebstemperaturen zu erreichen bzw. die Lebensdauer der Bauteile zu verlängern. Diese Wärmedämmschichten bestehen üblicherweise aus einem keramischen Material, meist aus mit Yttriumoxid (Y2O ₃ ) stabilisiertem Zirkonoxid (Zrθ2), das

2 B04/002-0 auf die Oberfläche der oftmals aus Nickelbasis-Superlegierungen bestehenden Bauteile aufgebracht wird. Um die Haftung der keramischen Schicht auf dem Bauteil zu verbessern, werden zwischen der Wärmedämmschicht und der Oberfläche des Bauteiles oftmals Haftschichten aus MCrAIY vorgesehen, wobei M für Metall, und zwar für Ni, Fe, Co oder Kombinationen daraus, steht.

Es ist bekannter Stand der Technik, die TBC thermisch aufzuspritzen. Als mögliche Verfahren zum Aufbringen dieser Schichten sind Plasmaspritzen, wie z. B. Plasmaspritzen in Luft (Air Plasma Spraying APS), Niederdruck- Plasmaspritzen (Low Pressure Plasma Spraying LPPS), Vakuum- Plasmaspritzen (Vacuum Plasma Spraying VPS) oder Flammenspritzen, wie z. B. Hochgeschwindigkeitsflammenspritzen (High Velocity Oxygen Fuel HVOF), sowie physikalische Dampfabscheidung (Physical Vapour Deposition PVD), z. B. mittels Elektronenstrahl (Electron Beam Physical Vapour Deposition EP-PVD) bekannt (siehe z. B. US 6,352,788 B2, US 6,544,665 B2).

Mit Hilfe des EP-PVD-Verfahren werden säulenartige Schichten erzeugt, die eine dehnungstolerante Kornstruktur aufweisen, die fähig ist sich bei unterschiedlicher Beanspruchung auszudehnen oder zusammenzuziehen, so dass keine Spannungen erzeugt werden, welche beispielsweise zum Abplatzen der Schichten führen würden. Nachteilig sind bei diesem Verfahren aber die hohen Kosten.

Im Gegensatz dazu haben APS-gespritze TBC z. B. einen hohen Grad an Inhomogenitäten und Porosität, was vorteilhaft den Wärmetransfer durch die TBC reduziert. Während des Betriebes einer Gasturbine erhöht aber sich durch Strukturveränderungen, z. B. Kornwachstum, die thermische Leitfähigkeit, so dass Gegenmassnahmen getroffen werden müssen um einen ausreichenden Wärmeschutz zu erreichen. Eine dieser Gegenmassnahmen ist beispielsweise das Spritzen dickerer Schichten. Dies ist nachteilig

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einerseits sehr teuer, andererseits praktisch oftmals nicht machbar. übliche TBC-Schichtdicken sind ca. 250-300 μm.

Gemäss US 6,544,665 B2 wird deshalb vorgeschlagen, z. B. AI2O ₃ (mindestens 0.1-3 Mol-%) in die Mikrostruktur einer TBC einzubringen. Das AI ₂ O ₃ verbindet sich nicht mit der Matrix der keramischen Schicht, sondern bildet Ablagerungen und verhindert damit das Kornwachstum. Einen positiven Einfluss auf den Spannungsgradienten und damit auf die Senkung der Abplatzgefahr der TBC hat dies aber nicht.

Darstellung der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, die genannten Nachteile des Standes der Technik zu vermeiden. Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, zur Beschichtung einer Komponente aus einer Nickelbasis-Superlegierung eine verbesserte keramische Wärmedämmschicht auf der Grundlage von mit Yttriumoxid

(Y2O ₃ ) stabilisiertem Zirkonoxid (Z1O2) zu entwickeln, welche sich durch eine hohe Lebensdauer und hohe Oxidationsbeständigkeit und Duktilität auszeichnet.

Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass die Wärmedämmschicht auf der Grundlage von mit Yttriumoxid (Y2O ₃ ) stabilisiertem Zirkonoxid (ZrO ₂ ) neben herstellungsbedingten Verunreinigungen noch mindestens eine hochtemperatur- und oxidationsbeständige intermetallische Verbindung aufweist, deren Volumenanteil in Abhängigkeit vom Abstand von der Oberfläche der Nickel- Basis-Superlegierung kontinuierlich oder stufenweise, vorzugsweise in exponentieller oder linearer Form, abnimmt.

Das erfindungsgemässe Verfahren zum Aufbringen der beschriebenen Wärmedämmschicht auf die Oberfläche einer aus einer Nickel-Basis-

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Superlegierung und einer wahlweise darauf aufgebrachten metallischen Haftschicht bestehenden Komponente ist dadurch gekennzeichnet, dass a) keramisches Pulver aus mit Yttriumoxid (Y2O ₃ ) stabilisiertem Zirkonoxid (Zrθ2) und Pulver aus mindestens einer intermetallischen Verbindung miteinander gemischt werden, b) diese Pulvermischung anschliessend mittels bekannter thermischer Spritzverfahren entweder direkt auf die Oberfläche der Komponente oder beim Vorhandensein einer metallischen Haftschicht direkt auf die metallische Haftschicht aufgespritzt wird, c) die Verfahrensschritte a) und b) mehrfach wiederholt werden, wobei die

Pulvermischung jeweils einen geringeren Volumenanteil an intermetallischer Verbindung aufweist als in den vorangegangenen Verfahrensschritten und die Pulvermischung jeweils auf die bereits im vorausgegangenen Verfahrensschritt aufgespritzte Schicht aufgespritzt wird, so dass letztlich eine Wärmedämmschicht mit einem über die

Schichtdicke abnehmenden Volumenanteil an intermetallischen Verbindungen gebildet wird.

Der Vorteil der Erfindung besteht darin, dass durch die allmähliche Veränderung der Zusammensetzung der Wärmedämmschicht in Abhängigkeit von der Dicke der Wärmedämmschicht ein weniger steiler Spannungsgradient erzeugt wird. Dies führt zu einer höheren Dehnungstoleranz der TBC-Schicht und damit einerseits zu einer erhöhten Lebensdauer bei thermischer

Beanspruchung (kein Abplatzen) und anderseits zur Möglichkeit, dickere Wärmedämmschichten aufzubringen und somit die beschichteten Bauteile bei höheren Temperaturen einzusetzen.

Es ist zweckmässig, wenn als intermetallische Verbindungen NiAI, legierte NiAI, YRh oder ErIr verwendet werden. Diese intermetallischen Verbindungen sind oxidationsbeständig und besitzen in einem grossen Temperaturbereich eine ausreichende Duktilität. Ausserdem haben sie nur eine geringe Tendenz zur Interdiffusion und besitzen einen hohen Schmelzpunkt.

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Vorteilhaft ist, wenn der Volumenanteil der intermetallischen Verbindung in der Schicht an der Oberfläche der Komponente ca. 80 Vol.-% und an der freien Oberfläche ca. 5 % beträgt.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt.

Es zeigen.

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung einer Laufschaufel einer

Gasturbine;

Fig. 2 einen Schnitt entlang der Linie M-Il in Fig. 1 und Fig. 3 einen schematischen Verlauf der Volumenanteile in der TBC in

Abhängigkeit vom Abstand vom Grundsubstrat.

Es sind nur die für die Erfindung wesentlichen Merkmale dargestellt. Gleiche Elemente haben in unterschiedlichen Figuren gleiche Bezugszeichen.

Wege zur Ausführung der Erfindung

Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert.

Die Erfindung ist anwendbar für alle Komponenten, welche hohen Temperaturen und oxidativen/korrosiven Umwelteinflüssen ausgesetzt sind, wie z. B. Schaufeln, Wärmestausegmente oder Teile der Brennkammern von Gasturbinen.

Fig. 1 zeigt in perspektivischer Darstellung als ein Beispiel derartiger Komponenten 1 eine Laufschaufel einer Gasturbine. Die Laufschaufel 1

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besteht aus einem Schaufelfuss 2, einer Plattform 3 und einem Schaufelblatt 4, in welchem Kühlluftkanäle vorhanden sind, deren öffnungen in Fig. 1 mit 5 bezeichnet sind. Die Laufschaufel 1 wird mit ihrem Schaufelfuss 2 in Umfangsnuten im nicht dargestellten Rotor der Gasturbine verankert. Während des Betriebes der Turbine wird das Schaufelblatt 4 mit heissen Verbrennungsgasen beaufschlagt, so dass die Oberfläche 7 des Schaufelblattes 4 sowohl den heissen Verbrennungsgasen als auch Angriffen durch Oxidation, Korrosion und Erosion ausgesetzt ist. Zum Schutz vor Oxidation/Korrosion sowie zu hoher thermischer Belastung ist das Schaufelblatt 4 daher auf seiner äusseren Oberfläche 7 mit einer metallischen Haftschicht 6 (in Fig. 1 nicht sichtbar) versehen, auf der eine keramische Wärmedämmschicht 8 aufgespritzt ist.

In der Schnittdarstellung gemäss Fig. 2 ist das Beschichtungssystem gut zu erkennen. Der Grundwerkstoff der Laufschaufel 1 der Gasturbine besteht beispielsweise aus einer gerichtet erstarrten Nickel-Basissuperlegierung CM 247 mit folgender chemischer Zusammensetzung (Angaben in Gew.-%): = 0.07 C, 8.1 Cr, 9.2 Cr, 0.5 Mo, 9.5 W, 3.2 Ta, 5.6 AI, 0.7 Ti, 0.015 B, 0.015 Zr, 1.4 Hf, Rest Ni.

In einem anderen Ausführungsbeispiel kann die Turbinenschaufel vorzugsweise aus einer Einkristalllegierung, beispielsweise mit folgender chemischer Zusammensetzung bestehen (Angaben in Gew.-%): 7.7-8.3 Cr, 5.0-5.25 Co, 2.0-2.1 Mo, 7.8-8.3 W, 5.8-6.1 Ta, 4.9-5.1 AI, 1.3-1.4 Ti, 0.11- 0.15 Si, 0.11-0.15 Hf, 200-750 ppm C, 50-400 ppm B, Rest Nickel und herstellungsbedingte Verunreinigungen.

Diese Grundwerkstoffe (Substrate) sind auf ihrer äusseren Oberfläche 7 mit einer metallischen Haftschicht 6, vorzugsweise des Typs MCrAIY versehen, wobei M für Metall steht (Ni, Co, Fe oder deren Kombinationen). Im vorliegenden Falle wurde NiCrAIY für die Haftschicht 6 verwendet. Die AI- reichen Haftschichten dieses Typs bilden eine AI ₂ O ₃ -Zunderschicht 9, die sich durch thermische Oxidation der Haftschicht 6 bildet. Diese AI ₂ O ₃ -Schicht 9

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bindet chemisch die keramische Wärmedämmschicht an die Haftschicht 6 und das Substrat (Nickel-Basissuperlegierung).

Die TBC 8 besteht aus mit Yttriumoxid (Y2O ₃ ) stabilisiertem Zirkonoxid (Zrθ2), wobei etwa 7 % Yttriumoxid vorhanden ist. Die Wärmedämmschicht 8 wird mittels bekannter thermischer Spritzverfahren beispielsweise mittels APS aufgespritzt. Erfindungsgemäss wird dazu das keramische Pulver zunächst mit Pulver aus einer intermetallischen Verbindung 12, im vorliegenden Ausführungsbeispiel aus Nickelaluminid NiAI, gemischt und anschliessend diese Pulvermischung auf die Haftschicht 6 thermisch aufgespritzt. Im ersten Verfahrensschritt ist der Volumenanteil der intermetallischen Verbindung 12 sehr hoch, hier 80 Vol.-%. Die beiden Verfahrensschritte werden nun mehrfach wiederholt werden, wobei die Pulvermischung jeweils einen geringeren Volumenanteil an der intermetallischen Verbindung NiAI aufweist als in den vorangegangenen Verfahrensschritten und die Pulvermischung jeweils auf die bereits im vorangegangenen Verfahrensschritt aufgespritzte Schicht aufgespritzt wird, so dass letztlich eine Wärmedämmschicht 8 mit einem über die Schichtdicke abnehmenden Volumenanteil an intermetallischer Verbindung 12 gebildet wird. Letztlich sind an der Oberfläche der fertig beschichteten Komponente 1 nur noch ca. 5 Vol.-% NiAI vorhanden.

Dies ist in Fig. 3 dargestellt, wo der schematische Verlauf der Volumenanteile an intermetallischer Verbindungen 12 bzw. an mit Yttriumoxid (Y ₂ O ₃ ) stabilisiertem Zirkonoxid (Zrθ2) in der Wärmedämmschicht 8 in Abhängigkeit vom Abstand von der Haftschicht 6, d.h. von der Dicke der Wärmedämmschicht 8 gezeigt wird. Der Volumenanteil an intermetallischer Verbindung 12 nimmt hier kontinuierlich exponentiell ab. In anderen Ausführungsbeispielen kann er auch linear oder stufenweise abnehmend sein.

Es ist bekannt, dass die durch APS erzeugten keramischen Wärmedämmschichten aus einzelnen Körner bestehen und eine relativ grosse Porosität aufweisen. In Fig. 2 sind diese Körner mit dem

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Bezugszeichen 10 und die Poren mit dem Bezugszeichen 11 bezeichnet. Bei der erfindungsgemässen Wärmedämmschicht 8 lagert sich die intermetallische Verbindung 12, hier NiAI, bevorzugt in diesen Poren 11 ab. Die intermetallischen Verbindungen, wie beispielsweise Nickelaluminid, sind oxidationsbeständig und besitzen in einem grossen Temperaturbereich eine ausreichende Duktilität. Ausserdem haben sie nur eine geringe Tendenz zur Interdiffusion und besitzen einen hohen Schmelzpunkt. Durch die allmähliche Veränderung der Zusammensetzung der Wärmedämmschicht in Abhängigkeit von der Dicke der Wärmedämmschicht wird mit Vorteil ein weniger steiler Spannungsgradient in der Schicht erzeugt. Dies führt zu einer höheren Dehnungstoleranz der Wärmedämmschicht und damit einerseits zu einer erhöhten Lebensdauer bei thermischer Beanspruchung (kein Abplatzen) und anderseits zur Möglichkeit, dickere Wärmedämmschichten aufzubringen und somit die beschichteten Bauteile bei höheren Temperaturen einzusetzen.

Während bei konventionellen mit Yttriumoxid stabilisierten Zirkonoxid- Wärmedämmschichten Schichtdicken von ca. 250-300 μm mittels APS gespritzt werden konnten, sind bei der vorliegenden Erfindung Schichtdicken bis ca. 2 mm problemlos machbar.

Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. Neben dem bereits erwähnten NiAI sind auch die folgenden intermetallischen Verbindungen geeignet, die erfindungsgemässen Vorteile zu erreichen: YRh, ErIr und legiertes NiAI, da diese intermetallischen Verbindungen oxidationsbeständig sind, in allen Temperaturbereichen eine gute Duktilität aufweisen, sowie eine geringe Tendenz zur Interdiffusion und hohe Schmelzpunkte haben. Infolge der allmählichen Abstufung des Volumenanteils an intermetallischer Verbindung wird ein weniger steiler Spannungsgradient erreicht, so dass die Wärmedämmschicht wesentlich dehnungstoleranter ist und damit eine längere Lebensdauer bei thermischer Beanspruchung aufweist.

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Die erfindungsgemässen Wärmedämmschichten können auch auf andere thermisch hochbelastete Gasturbinenkomponenten, wie beispielsweise Wärmeschutzschilder oder Brennkammerliner, aufgebracht werden, wobei der Grundwerkstoff der Komponente z. B. Hastalloy oder Haynes 230 sein kann und die Haftschicht z. B. eine NiCoCrAlY-Schicht sein kann.

Schliesslich sind zum thermischen Spritzen der TBC gemäss vorliegender Erfindung auch andere Spritzverfahren als APS geeignet, z. B. EB-PVD. Die damit erzeugten Wärmedämmschichten sind stängelförmig.

Selbstverständlich ist es auch möglich, die TBC direkt auf die Oberfläche der Komponente zu spritzen, d.h. ohne eine zusätzliche Haftschicht.

Bezugszeichenliste

1 Komponente, z. B. Laufschaufel

2 Schaufelfuss

3 Plattform

4 Schaufelblatt

5 öffnungen der Kühlluftkanäle

6 Haftschicht

7 Oberfläche der Komponente

8 Wärmedämmschicht, TBC

9 AI ₂ O ₃ -Sd-IiCl-It

10 Korn

11 Pore

12 Intermetallische Verbindung