DE102006010860A1 - Verfahren zur Herstellung einer Wärmedämmschicht und Wärmedämmschicht für ein Bauteil - Google Patents

Verfahren zur Herstellung einer Wärmedämmschicht und Wärmedämmschicht für ein Bauteil Download PDF

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer keramischen Wärmedämmschicht auf einem Bauteil zur Verwendung in Verdichter- und Turbinenkomponenten mittels eines Dampfablagerungsverfahrens, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: a) Bereitstellung eines Keramikdampfs zur Ablagerung auf dem Bauteil; b) Ablagerung des Keramikdampfs auf dem Bauteil zur Ausbildung einer säulen- oder stängelartig strukturierten Wärmedämmschicht, wobei die Säulen oder Stängel im Wesentlichen senkrecht zu eienr Bauteiloberfläche ausgerichtet sind; und c) Variierung von mindestens einem Verfahrensparameter während des Verfahrensschritts b), derart, dass die resultierende Wärmedämmschicht Säulen oder Stängel umfasst, die abwechselnd sich verkleinernde und sich vergrößernde Durchmesser aufweisen. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Wärmedämmschicht für Bauteile zur Verwendung in Verdichter- und Turbinenkomponenten, wobei die Wärmedämmschicht auf einer säulen- oder stängelartig strukturierten keramischen Wärmedämmschicht besteht und die Säulen oder Stängel im Wesentlichen senkrecht zu einer Bauteiloberfläche ausgerichetet sind. Erfindungsgemäß weisen die Säulen oder Stängel abwechselnd sich verkleinernde und sich vergrößernde Durchmesser auf.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer keramischen Wärmedämmschicht auf einem Bauteil zur Verwendung in Verdichter- und Turbinenkomponenten mittels eines Dampfablagerungsverfahrens sowie eine Wärmedämmschicht für Bauteile zur Verwendung in Verdichter- und Turbinenkomponenten, wobei die Wärmedämmschicht üblicherweise aus einer säulen- oder stängelartig strukturierten keramischen Wärmedämmschicht besteht und die Säulen oder Stängel im Wesentlichen senkrecht zu einer Bauteiloberfläche ausgerichtet sind. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Bauteil zur Verwendung in Verdichter- und Turbinenkomponenten bestehend aus einem metallischen Substrat und einer auf das metallische Substrat zumindest teilweise aufgebrachten Wärmedämmschicht.
  • Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Verfahren zur Herstellung einer keramischen Wärmedämmschicht auf Bauteilen, insbesondere zur Verwendung in Verdichter- und Turbinenkomponenten, bekannt. Dabei wird eine Keramikschicht entweder durch ein Plasmaspritzverfahren oder mittels physikalischem Dampfablagerungsverfahren (PVD) auf das Bauteil aufgebracht. Durch die Verwendung von physikalischen Dampfablagerungsverfahren, insbesondere auch der Elektronenstrahlbedampfung (EB-PVD), entstehen Keramikschichten mit stängel- oder säulenförmigen Strukturen. Derartig hergestellte keramische Wärmedämmschichten haben gegenüber den durch einen thermischen Spritzprozess hergestellten Wärmedämmschichten den Vorteil, dass sie infolge der Säulenstruktur eine verbesserte Thermowechselbeständigkeit aufweisen. Zudem lassen Zwischenräume zwischen den einzelnen Stängeln oder Säulen ein Ausdehnen und Zusammenziehen des Stängelgefüges zu, ohne dass es zu Spannungen kommt, die im Extremfall zum Abplatzen einzelner Teile der Wärmedämmschicht führen können. Durch das zusätzliche Auftragen von wärmedämmenden Keramikschichten auf die genannten Bauteile wird die Bauteilwerkstofftemperatur erniedrigt und damit die Festigkeit erhalten. Als keramischer Werkstoff wird dabei meistens Zirkoniumoxid mit verschiedenen Stabilisatoren, insbesondere Yttriumoxid, verwendet. Verfahren zur Herstellung keramischer Wärmedämmschichten und entsprechende Wärmedämmschichten für metallische Bauteile zur Verwendung in Verdichter- und Turbinenkomponenten sind aus der DE 601 03 526 T2 , der DE 693 18 856 T2 sowie den US-Patentschriften Nr. 4,321,311 A, 4,401,697 A, 4,405,659 A sowie 5,514,482 bekannt.
  • Nachteilig an den bekannten Verfahren zur Herstellung von keramischen Wärmedämmschichten sowie den daraus hergestellten Wärmedämmschichten ist jedoch, dass durch die Verwendung von physikalischen Dampfablagerungsverfahren relativ dichte säulen- bzw. stängelartige Strukturen entstehen. Die relativ hohe Dichte begünstigt jedoch nachteiligerweise den Wärmefluss innerhalb der keramischen Wärmedämmschicht.
    •
  • Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine gattungsgemäße Wärmedämmschicht für ein Bauteil mit einer insbesondere deutlich reduzierten Wärmeleitfähigkeit bereitzustellen.
  • Es ist weiterhin Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein gattungsgemäßes Verfahren zur Herstellung einer keramischen Wärmedämmschicht bereitzustellen, bei dem die resultierende Wärmedämmschicht eine deutliche, insbesondere reduzierte Wärmeleitfähigkeit aufweist.
  • Zudem ist es weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Bauteil zur Verwendung in Verdichter- und Turbinenkomponenten bestehend aus einem metallischen Substrat und einer auf das metallische Substrat zumindest teilweise aufgebrachten Wärmedämmschicht bereitzustellen, wobei die Wärmedämmschicht eine gegenüber bekannten Wärmedämmschichten, insbesondere deutlich, reduzierte Wärmeleitfähigkeit aufweist.
  • Gelöst werden diese Aufgaben durch ein Verfahren gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1, eine Wärmedämmschicht gemäß den Merkmalen des Anspruchs 15 sowie ein Bauteil gemäß den Merkmalen des Anspruchs 20.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den jeweiligen Unteransprüchen beschrieben.
  • Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung einer keramischen Wärmedämmschicht auf einem Bauteil zur Verwendung in Verdichter- und Turbinenkomponenten umfasst ein Dampfablagerungsverfahren mit folgenden Verfahrensschritten: a) Bereitstellung eines Keramikdampfs zur Ablagerung auf dem Bauteil; b) Ablagerung des Keramikdampfs auf dem Bauteil zur Ausbildung einer säulen- oder stängelartig strukturierten Wärmedämmschicht, wobei die Säulen oder Stängel im Wesentlichen senkrecht zu einer Bauteiloberfläche ausgerichtet sind; und c) Variierung von mindestens einem Verfahrensparameter während des Verfahrensschritts b), derart, dass die re sultierende Wärmedämmschicht Säulen oder Stängel umfasst, die abwechselnd sich verkleinernde und sich vergrößernde Durchmesser aufweisen. Bei dem Dampfablagerungsverfahren handelt es sich insbesondere um ein physikalisches Dampfablagerungsverfahren, wie zum Beispiel ein Elektronenstrahl-Dampfablagerungsverfahren. Es ist jedoch auch denkbar ein Kathodenzerstäubungsverfahren oder ein Lichtbogenverdampfungsverfahren sowie CVD-Verfahren einzusetzen. Durch die Verwendung eines Dampfablagerungsverfahrens ist gewährleistet, dass die entstehende Wärmedämmschicht säulen- oder stängelartig strukturiert ist und somit bereits bekannte Vorteile derartig strukturierter keramischer Wärmedämmschichten erhalten bleiben. Erfindungsgemäß weisen die entstehenden Säulen oder Stängel abwechselnd sich verkleinernde und sich vergrößernde Durchmesser auf. Durch die sich abwechselnd verkleinernden und vergrößernden Durchmesser im Laufe der Schichtentstehung der Wärmedämmschicht entstehen Poren zwischen den einzelnen Säulen oder Stängeln, die zu einer deutlichen Reduzierung des Wärmeflusses und damit der Wärmeleitfähigkeit der entstehenden Wärmedämmschicht beitragen. Zudem verhindern vorteilhafterweise die kleinen Durchmesser der einzelnen Stängel oder Säulen den Wärmefluss massiv, so dass es auch dadurch zu einer erheblichen Reduzierung der Wärmeleitfähigkeit der entstehenden Wärmedämmschicht kommt.
  • In weiteren vorteilhaften Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Verfahren in einer Beschichtungskammer, insbesondere einer Vakuumkammer, durchgeführt. Dabei wird das zu beschichtende Bauteil in die Beschichtungskammer eingeführt und die keramische Wärmedämmschicht darauf abgelagert. Das Bauteil wird üblicherweise zumindest an der zu beschichteten Bauteiloberfläche erwärmt bzw. erhitzt.
  • Zudem ist es möglich, dass während des Verfahrensschritts b) Sauerstoff und Inertgas zugeleitet werden und die Variierung von mindestens einem Verfahrensparameter während des Verfahrensschritts c) die Variierung des Partialdrucks von Sauerstoff und/oder dem Inertgas während der Beschichtung oder in der Beschichtungskammer umfasst. Es ist aber auch möglich, dass während des Verfahrensschritts b) das zu beschichtende Bauteil bewegt wird und die Variierung von mindestens einem Verfahrensparameter während des Verfahrensschritts c) die Variierung der Art der Bauteilbewegung und/oder Bauteilgeschwindigkeit während der Beschichtung umfasst. Dabei kann das Bauteil insbesondere rotiert werden, so dass die Variierung von mindestens einem Verfahrensparameter während des Verfahrensschritts c) die Variierung der Drehzahl während der Beschichtung umfasst. Des Weiteren ist es möglich, dass die Variierung von mindestens einem Verfahrensparameter während des Verfahrensschritts c) die Variierung der Abscheiderate des Keramikdampfs auf das Bauteil während der Beschichtung umfasst. Schließlich ist auch eine Variierung des Drucks während der Beschichtung oder in der Beschichtungskammer zur Variierung von mindestens einem Verfahrensparameter während des Verfahrensschritts c) möglich.
  • Durch die genannten Maßnahmen ergibt sich die erfindungsgemäße Schichtstruktur der keramischen Wärmedämmschicht, wobei die entstehenden Säulen oder Stängel abwechselnd sich verkleinernde und sich vergrößernde Durchmesser entlang ihrer Längserstreckung aufweisen.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst der Keramikdampf bzw. das verwendete Keramikmaterial Zirkoniumoxid, Yttriumoxid oder eine Mischung hiervon. Auch andere keramische Materialien sind denkbar. Üblicherweise wird die Wärmedämmschicht in einer Dicke zwischen 1 und 400 μm abgelagert, jedoch sind auch andere Schichtdicken denkbar.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zwischen der zu beschichtenden Bauteiloberfläche und in der Wärmedämmschicht zumindest teilweise eine Haftschicht ausgebildet. Die Haftschicht kann dabei aus MCrAlY alitierten/Al-angereicherten Oberflächen, oder Pt/Al bestehen. Die Haftschicht kann dabei mittels bekannter thermischer Spritzverfahren, galvanischer-, Diffusionsbehandlungsverfahren oder auch mittels physikalischer Dampfablagerungsverfahren aufgetragen werden. Zudem ist es in einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens möglich, dass zwischen der zu beschichtenden Bauteiloberfläche und der Haftschicht zumindest teilweise eine Zwischenschicht aus Aluminiumoxid ausgebildet wird.
  • Eine erfindungsgemäße Wärmedämmschicht besteht aus Keramikmaterial und weist eine säulen- oder stängelartige Struktur bzw. Kornstruktur auf, wobei die Säulen oder Stängel im Wesentlichen senkrecht zu einer Bauteiloberfläche ausgerichtet sind. Erfindungsgemäß weisen die Säulen oder Stängel sich verkleinernde und sich vergrößernde Durchmesser entlang ihrer Längserstreckung auf. Die Korngrenzen der einzelnen Säulen oder Stängel können sich dabei zumindest teilweise berühren, zwischen den einzelnen Säulen oder Stängeln werden vorteilhafterweise Porenräume ausgebildet. Durch die erfindungsgemäße Struktur bzw. Ausbildung der einzelnen Säulen oder Stängel ergibt sich eine deutliche Reduzierung der Wärmeleitfähigkeit der Wärmedämmschicht, da die kleinen Durchmesser der Einzelstängel den Wärmefluss massiv behindern. Zudem vermindern die innerhalb der Wärmedämmschicht ausgebildeten Poren den Wärmefluss signifikant.
  • In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Wärmedämmschicht umfasst das Keramikmaterial der Wärmedämmschicht Zirkoniumoxid, Yttriumoxid oder eine Mischung hiervon. Die Verwendung anderer geeigneter Keramikmaterialien zur Ausbildung der Wärmedämmschicht ist jedoch ebenfalls denkbar. Die Wärmedämmschicht weist üblicherweise eine Dicke zwischen 1 und 400 μm auf, wobei auch andere Dicken denkbar sind.
  • Ein erfindungsgemäßes Bauteil zur Verwendung in Verdichter- und Turbinenkomponenten besteht aus einem metallischen Substrat und einer auf das metallische Substrat zumindest teilweise aufgebrachten erfindungsgemäßen Wärmedämmschicht, wie im Vorhergehenden beschrieben. Ein entsprechend beschichtetes Bauteil weist aufgrund der deutlichen Reduzierung der Wärmeleitfähigkeit der Wärmedämmschicht gemäß vorliegender Erfindung eine deutlich geringere Verschleißrate bei einer entsprechend höheren Lebensdauer auf.
  • In weiteren vorteilhaften Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Bauteils kann zwischen dem Substrat und der Wärmedämmschicht zumindest teilweise eine Haftschicht, insbesondere aus MCrAlY und Pt/Al ausgebildet sein. Es ist zudem möglich, dass zwischen dem Substrat und der Haftschicht zumindest teilweise eine Zwischenschicht aus Aluminiumoxid ausgebildet ist. Das erfindungsgemäße Bauteil ist insbesondere Bestandteil eines Gasturbinentriebwerks.
    •
  • Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines zeichnerisch dargestellten Ausführungsbeispiels. Dabei zeigen:
  • 1 eine schematische Schnittdarstellung eines Bauteils mit einer Wärmedämmschicht gemäß dem Stand der Technik; und
  • 2 eine schematische Schnittdarstellung eines Bauteils mit einer erfindungsgemäßen Wärmedämmschicht.
  • 1 zeigt in einer schematischen Schnittdarstellung ein Bauteil bzw. ein metallisches Substrat 18 mit einer darauf angeordneten Wärmedämmschicht 22. Zwischen der Wärmedämmschicht 22 und der Bauteiloberfläche 16 ist eine Haftschicht 20, insbesondere aus MCrAlY oder Pt/Al, ausgebildet. Man erkennt, dass die Wärmedämmschicht 22 eine säulen- oder stängelartige Struktur aufweist, wobei die einzelnen Säulen oder Stängel 24 im Wesentlichen senkrecht zu der Bauteiloberfläche 16 ausgerichtet sind. Die Korngrenzen 26, 28 jeweils unterschiedlicher Säulen 24 berühren sich dabei über einen weiten Bereich der Längserstreckung der Stängel 24. Dadurch ergibt sich eine relativ dichte kolumnare Struktur, die den Wärmefluss innerhalb der keramischen Wärmedämmschicht 22 begünstigt.
  • 2 zeigt in einer schematischen Schnittdarstellung eine keramische Wärmedämmschicht 10, die auf eine Bauteiloberfläche 16 des Bauteils 18 aufgetragen bzw. dort abgelagert worden ist. Man erkennt, dass die Wärmedämmschicht 10 wiederum aus Säulen oder Stängeln 12 besteht, die im Wesentlichen senkrecht zu der Bauteiloberfläche 16 ausgerichtet sind. Im Gegensatz zu der in 1 dargestellten bekannten Säulenstruktur weisen die in 2 dargestellten Säulen oder Stängel 12 sich abwechselnd verkleinernde und sich vergrößernde Durchmesser d, D – entlang ihrer Längserstreckung – auf. Man erkennt, dass sich die Korngrenzen 30 der einzelnen Stängel zumindest teilweise berühren, jedoch zwischen den einzelnen Säulen oder Stängeln 12 Formräume 14 ausgebildet sind. Durch die kleinen Durchmesser d in den Einzelstängeln oder Einzelsäulen wird der Wärmefluss innerhalb der Wärmedämmschicht 10 massiv behindert. Zudem wird durch die Poren 14 die Dichte der Wärmedämmschicht 10 deutlich verringert, so dass auch hierdurch der Wärmefluss innerhalb der Wärmedämmschicht 10 deutlich verringert wird.

Claims (24)

  1. Verfahren zur Herstellung einer keramischen Wärmedämmschicht auf einem Bauteil zur Verwendung in Verdichter- und Turbinenkomponenten umfassend ein Dampfablagerungsverfahren mit folgenden Verfahrensschritten: a) Bereitstellung eines Keramikdampfs zur Ablagerung auf dem Bauteil; b) Ablagerung des Keramikdampfs auf dem Bauteil zur Ausbildung einer säulen- oder stängelartig strukturierten Wärmedämmschicht (10), wobei die Säulen oder Stängel (12) im Wesentlichen senkrecht zu einer Bauteiloberfläche (16) ausgerichtet sind; und c) Variierung von mindestens einem Verfahrensparameter während des Verfahrensschritts b), derart, dass die resultierende Wärmedämmschicht (10) Säulen oder Stängel (12) umfasst, die abwechselnd sich verkleinernde und sich vergrößernde Durchmesser (d, D) aufweisen.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Dampfablagerungsverfahren ein physikalisches Dampfablagerungsverfahren (PVD) ist.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das physikalische Dampfablagerungsverfahren (PVD) ein Elektronenstrahl-Dampfablagerungsverfahren (EB-PVD), ein Kathodenzerstäubungsverfahren oder ein Lichtbogenverdampfungsverfahren ist.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren in einer Beschichtungskammer, insbesondere einer Vakuumkammer durchgeführt wird.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass während des Verfahrensschritts b) Sauerstoff und Inertgas zugeleitet wird und die Variierung von mindestens einem Verfahrensparameter während des Verfahrensschritts c) die Variierung des Partialdrucks von Sauerstoff und/oder dem Inertgas während der Beschichtung oder in der Beschichtungskammer umfasst.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass während des Verfahrensschritts b) das zu beschichtende Bauteil bewegt wird und die Variierung von mindestens einem Verfahrensparameter während des Verfahrensschritts c) die Variierung der Art der Bau teilbewegung und/oder Bauteilgeschwindigkeit während der Beschichtung umfasst.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil rotiert und die Variierung von mindestens einem Verfahrensparameter während des Verfahrensschritts c) die Variierung der Drehzahl während der Beschichtung umfasst.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Variierung von mindestens einem Verfahrensparameter während des Verfahrensschritts c) die Variierung der Abscheiderate des Keramikdampfs auf das Bauteil während der Beschichtung umfasst.
  9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Variierung von mindestens einem Verfahrensparameter während des Verfahrensschritts c) die Variierung des Drucks während der Beschichtung oder in der Beschichtungskammer umfasst.
  10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Keramikdampf bzw. das Keramikmaterial Zirkoniumoxid, Yttriumoxid oder eine Mischung hiervon umfasst.
  11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmedämmschicht in einer Dicke zwischen 1 und 500 μm abgelagert wird.
  12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der zu beschichtenden Bauteiloberfläche (16) und der Wärmedämmschicht (10) zumindest teilweise eine Haftschicht (20) ausgebildet wird.
  13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Haft schicht MCrAlY und/oder Pt/Al aufweist oder daraus besteht und/oder Al-angereichert bzw. alitiert ist.
  14. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der zu beschichtenden Bauteiloberfläche (16) und der Haftschicht (20) zumindest teilweise eine Zwischenschicht aus Aluminiumoxid ausgebildet wird.
  15. Wärmedämmschicht für Bauteile zur Verwendung in Verdichter- und Turbinenkomponenten, wobei die Wärmedämmschicht aus einer säulen- oder stän gelartig strukturierten keramischen Wärmedämmschicht (10) besteht und die Säulen oder Stängel (12) im Wesentlichen senkrecht zu einer Bauteiloberfläche (16) ausgerichtet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Säulen oder Stängel (12) abwechselnd sich verkleinernde und sich vergrößernde Durchmesser (d, D) aufweisen.
  16. Wärmedämmschicht nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Korngrenzen der einzelnen Säulen oder Stängel (12) sich zumindest teilweise berühren.
  17. Wärmedämmschicht nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den einzelnen Säulen oder Stängel (12) Porenräume (14) ausgebildet sind.
  18. Wärmedämmschicht nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Keramikmaterial der Wärmedämmschicht (10) Zirkoniumoxid, Yttriumoxid oder eine Mischung hiervon umfasst.
  19. Wärmedämmschicht nach einem der Ansprüche 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmedämmschicht (10) eine Dicke zwischen 1 und 500 μm aufweist.
  20. Bauteil zur Verwendung in Verdichter- und Turbinenkomponenten bestehend aus einem metallischen Substrat (18) und einer auf das metallische Substrat (18) zumindest teilweise aufgebrachten Wärmedämmschicht (10) nach einem der Ansprüche 15 bis 19.
  21. Bauteil nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Substrat (18) und der Wärmedämmschicht (10) zumindest teilweise eine Haftschicht (20) ausgebildet ist.
  22. Bauteil nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Haftschicht (20) aus MCrAlY besteht und/oder Al-angereichert bzw. alitiert ist
  23. Bauteil nach Anspruch 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Substrat (18) und der Haftschicht (20) zumindest teilweise eine Zwischenschicht aus Aluminiumoxid ausgebildet ist.
  24. Bauteil nach einem der Ansprüche 19 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil Bestandteil eines Gasturbinentriebwerks ist.
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