STAMM WERNER (DE)
| US20050170200A1 | 2005-08-04 | |||
| US20150159507A1 | 2015-06-11 | |||
| EP0595451A1 | 1994-05-04 | |||
| EP1382707A1 | 2004-01-21 | |||
| EP2468925A2 | 2012-06-27 | |||
| DE102015114981A1 | 2016-03-24 | |||
| EP2223905A1 | 2010-09-01 |
| Patentansprüche 1. Keramisches Material, das zumindest Erbiumoxid (Er203) -stabilisiertes Zirkonoxid (Zr02) aufweist, insbesondere daraus bestehend. 2. Keramisches Material nach Anspruch 1, zumindest aufweisend: ein mit Erbiumoxid (Er203) und Yttriumoxid (Y203) stabilisiertes Zirkonoxid (Zr02) , insbesondere bestehend daraus, und ganz insbesondere größtenteils oder ganz in einer tetragonalen Phase. 3. Keramisches Material nach Anspruch 2, das Erbiumoxid (Er203) -stabilisiertes Zirkonoxid (Zr02) und vollstabilisiertes , insbesondere durch Y203-stabilisiert , ganz insbesondere durch 33,5mol% Y203 stabilisiertes, Zirkonoxid aufweist, insbesondere daraus besteht. 4. Keramisches Material nach Anspruch 2, das Erbiumoxid (Er203) -stabilisiertes Zirkonoxid (Zr02) und stabilisiertes , insbesondere durch Y203-stabilisiert , ganz insbesondere durch 13-20mol% Y203 stabilisiertes, Zirkonoxid (Zr02) aufweist, insbesondere daraus besteht. 5. Keramisches Material nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2, 3 oder 4, aufweisend 2mol% bis 6mol%, insbesondere 3,5 mol%, Erbiumoxid (Er203) -stabilisiertes Zirkonoxid (Zr02) . 6. Keramisches Material nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, aufweisend 8mol%-30mol% , insbesondere 15mol%, Erbiumoxid (Er203) -stabilisiertes Zirkonoxid (Zr02) . 7. Keramische Material nach einem oder mehreren der vor herigen Ansprüche, bei dem für das keramische Material Teilschmelzen aus Erbiumoxid (Er203) -stabilisiertem Zirkonoxid (Zr02) und Yttriumoxid (Y203) -stabilisiertem Zirkonoxid (Zr02) verwendet wurden, insbesondere daraus bestehend, die zusammen aufgeschmolzen oder gesintert wurden, insbesondere bei dem nur zwei Teilschmelzen verwendet wurden, die nach finaler Erschmelzung eine homogene Mischung aufweisen . 8. Verfahren zur Herstellung eines keramischen Materials nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 10, bei dem Teilschmelzen aus: Er203-stabilisiertem Zirkonoxid und stabilisiertem Zirkonoxid, insbesondere durch Y203-stabilisiertes Zirkonoxid, verwendet werden, indem diese zusammen aufgeschmolzen oder zusammen gesintert werden . 9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei Teilschmelzen aus Erbiumoxid (Er203) -stabilisiertem Zirkonoxid (Zr02) und vollstabilisierten, insbesondere durch Y203-vollstabilisiertem ganz insbesondere durch 33,5mol% Y203 stabilisiertem, Zirkonoxid verwendet werden. 10. Verfahren nach Anspruch 8, wobei Teilschmelzen aus Erbiumoxid (Er203) -stabilisiertem und 13-20mol% Y203 stabilisiertem Zirkonoxid (Zr02) , insbesondere 15mol% stabilisiertem Zirkonoxid (Zr02) verwendet werden. 11. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 8 bis 10, bei dem 2mol% bis 6mol%, insbesondere 3,5mol%, Erbiumoxid (Er203) stabilisiertes Zirkonoxid (Zr02) für die Teilschmelze verwendet wird. 12. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 8 bis 10, bei dem 8mol%-30mol% , insbesondere 15mol%, Erbiumoxid (Er203) -stabilisiertes Zirkonoxid (Zr02) für die Teilschmelze verwendet wird. 13. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 8 bis 12, bei dem zumindest 10vol% und maximal 90vol% Erbiumoxid (Er203) -stabilisiertes Zirkonoxid (Zr02) für die Teilschmelze verwendet wird. 14. Schicht , aufweisend ein keramisches Material nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7. 15. Schichtsystem, aufweisend : entweder ein metallisches Substrat oder ein Substrat aus CMC, und/oder eine Anbindungsschicht, entweder metallisch oder keramisch, insbesondere auf der Basis NiCoCrAlY und zumindest eine Schicht nach Anspruch 14. |
Schichtsystem
Die Erfindung betrifft Erbiumoxid- stabilisiertes Zirkonoxid, das insbesondere als keramische Wärmedämmschicht eingesetzt werden kann.
Moderne Gasturbinen mit hohem Wirkungsgrad benötigen Wärme dämmschichten, die in dem gesamten Betriebsbereich oder Tem peraturbereich keine ausgeprägten Phasenübergänge aufweisen sollen. Auch sollte sich der Risswiderstand nicht negativ durch Temperaturbelastung und damit verbundener Sinterung ändern. Die heutigen eingesetzten Wärmedämmschichten wie z.B. Gadoliniumzirkonat oder auch ein mit 33,5mol% Y 2 0 3 stabili siertes Zirkonoxid, die in einer Fluorit oder kubisch flä chenzentrierten Struktur kristallisieren, haben einen Riss widerstand, der nur etwa 1/3 von mit 4mol% Y 2 0 3 teilstabili siertem Zirkonoxid (YSZ) beträgt.
Im bisherigen System 4mol% YSZ- nach neusten Erkenntnissen eventuell einsatzfähig bis etwa 1623 K - erhöht sich der Risswiderstand mit steigender Sintertemperatur, wobei der Risswiderstand auf Grund des tetragonal verzerrten Gitters schon um den Faktor 3 höher als kubisch flächenzentrierte Systeme wie 13mol% YSZ oder auch Gadoliniumzirkonat. In die sen Systemen müssen dann die Betriebszustände an die ertrag baren Belastungszustände der Keramik angepasst werden, so dass die Energiefreisetzungsrate des Systems nicht ausreicht, um die Risse in der Keramik voranzutreiben.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung oben genanntes Problem zu lösen .
Die Aufgabe wird gelöst durch ein keramisches Material gemäß Anspruch 1, ein Verfahren gemäß Anspruch 8, eine keramische Schicht nach Anspruch 14 und ein keramisches Schichtsystem nach Anspruch 15. Die Figur und die Beschreibung stellen nur Ausführungsbei spiele der Erfindung dar.
Einige Systeme mit rein kubischer Struktur weisen in weiten Temperaturbereichen keine Phasenübergänge auf. Der Riss widerstand reduziert sich mit verstärkter Sinterung. Das System um 13mol% YSZ (vollstabilisiertes Zirkonoxid) und 33,5mol%YSZ kristallisiert in der kubischen Phase aus. Durch Zusätze von Erbiumzirkonat (Er 2 0 3 ) werden diese Systeme
(ErSZ) in eine niedrigsymmetrischere Phase mit erhöhtem
Risswiderstand stabilisiert. Durch Reduzierung der Symmetrie des Systems wird der Risswiderstand deutlich erhöht und bleibt auch unter Versinterung erhalten bzw. erhöht sich so gar wie z.B. im System 4mol%YSZ. Das neue System ist einfach zu erschmelzen und stabilisiert sich in einer gegenüber der kubischen Phase niedrigsymmetrischen Phase. Bei finalen
Legierungszusammensetzungen aus den drei Elementen Zr0 2/
Er 2 0 3 , Y 2 0 3 sollten bevorzugt zuerst die Zusammensetzung aus Zr0 2 und Er 2 0 3 sowie Zr0 2 und Y 2 0 3 partiell legiert werden, die erschmolzenen Legierungen wieder gemahlen und dann zu einer homogenen Mischung vermengt und anschließend im Elektroofen final homogen erschmolzen werden.
Folgende Zusammensetzungen sind dafür insbesonders geeignet:
• ErSZ: (2-6) mol% Er 2 0 3 in Zr0 2 ,
vorzugsweise 3,5 mol% Erbiumoxid (Er 2 0 3 )
• 8-30 mol% ErSZ und 48YSZ (2Zr0 2 x Y 2 0 3 ) ,
vorzugsweise 15 mol% Erbiumoxid stabilisertes Zirkonoxid
• 8-30 mol% ErSZ und ytriumstabilisiertem Zirkonoxid mit 13-20 mol% Y 2 0 3 als Stabilisator für Zr02,
vorzugsweise 15 mol% Yttriumoxid, stabilisertes
Zirkonoxid .
Vorzugsweise besteht die Keramik aus Er 2 0 3, Y 2 0 3 und Zr0 2 . Das Zirkonoxid kann teil- oder vollstabilisiert sein, vor zugsweise ist es vollstabilisiert.
Der erfinderische Schritt liegt nicht in der Aufbringung oder Fertigung der Schicht selber, sondern in der Selektierung des einzustellenden Konzentrationsbereichs. Das Material mit ku bischer Ausgangsstruktur wird in einer niedersymmetrischen Struktur (tetragonal) durch die Zusätze stabilisiert.
Das Verfahren beinhaltet, dass zumindest 10vol% und maximal 90vol% Erbiumoxid (Er 2 0 3 ) -stabilisiertes Zirkonoxid (Zr0 2 ) für die Teilschmelze und dementsprechend 90vol% bis 10% Y 2 0 3 -Zr0 2 verwendet werden.
Für die Teilschmelze werden folgende Zusammensetzungen bevorzugt :
- vollstabilisiertes,
insbesondere durch Y 2 0 3 -stabilisiertes,
ganz insbesondere durch 33,5mol% Y 2 0 3 stabilisiertes,
Zirkonoxid
- durch Y 2 0 3 -stabilisiert ,
insbesondere durch 13-20mol% Y 2 0 3 stabilisiertes,
Zirkonoxid (Zr0 2 )
sowie
- 2mol% bis 6mol%,
insbesondere 3,5 mol%,
Erbiumoxid (Er 2 0 3 ) -stabilisiertes Zirkonoxid (Zr0 2 ) ,
- 8mol%-30mol% ,
insbesondere 15mol%,
Erbiumoxid (Er 2 0 3 ) -stabilisiertes Zirkonoxid (Zr0 2 ) .
Diese Teilschmelze aus Er 2 0 3 und Zr0 2 können beliebig
kombiniert werden. Die Figur 1 zeigt vereinfacht ein Schichtsystem 1, das ein metallisches Substrat 4 oder ein keramisches Substrat, insbesoondere aus CMC aufweist. Auf dem Substrat 4 ist entweder eine metallische oder kerami sche Haftvermittlerschicht 7, insbesondere eine NiCoCrAlY- Schicht bei einem metallischen Substrat vorhanden, auf der zumindest eine keramische Schicht 10 auf Basis des erfin dungsgemäßen keramischen Materials vorhanden ist.
In Figur 2 ist eine weitere Variante 1' gezeigt, bei der die keramische Schicht 11 zweilagig ausgebildet ist und zusätz lich zu der Haftvermittlerschicht eine unterliegende kerami- sehe Schicht 8 zur Anpassung des Wärmeausdehnungskoeffizien ten aufweist.
Diese Schicht 8 kann in diesem Fall Zirkonoxid sein, das mit Yttriumoxid stabilisiert ist und kein Erbiumoxid aufweist.