DE102015206332A1 - Verfahren zur Herstellung einer Korrosionsschutzschicht für Wärmedämmschichten aus hohlen Aluminiumoxidkugeln und äußerster Glasschicht und Bauteil - Google Patents

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Abstract

Durch die Verbindung von hohlen Aluminiumoxidpartikeln und einer äußersten Glasschicht, die insbesondere durch eine Wärmebehandlung erzeugt wird, besteht ein besonderer Korrosionsschutz für keramische Wärmedämmschichten.

Description

  • Die Erfindung betrifft den Schutz einer Wärmedämmschicht gegen Korrosion, die hohle Aluminiumoxidkugeln aufweist und des Weiteren eine glasartige äußerste Schutzschicht aufweisen kann.
  • Im Heißgaspfad befinden sich Bauteile, die zur Erniedrigung der Metalltemperatur mit Wärmedämmschichten aus teilstabilisiertem Zirkon oder Gadoliniumzirkonat beschichtet werden. Die heutigen Oberflächentemperaturen der Keramiken in Verbindung mit Verunreinigungen wie CMAS führen zu chemischen Angriffen der Keramiken und auch zum Eindringen von Flüssigphasen in die Poren der Keramik. Gleichzeitig kann der Abrieb von Verdichterabradables zu einmaligen Nickelbelägen auf den Schichten führen. Auch dies führt zu TBC Abplatzungen durch reduzierte Wärmedehnungen. Bisher gibt es kein langzeitig stabiles System gegen diesen Mehrfachangriff.
  • Es ist daher Aufgabe der Erfindung oben genanntes Problem zu lösen.
  • Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 mit einem Bauteil gemäß Anspruch 2.
  • In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Maßnahmen aufgelistet, die beliebig miteinander kombiniert werden können, um weitere Vorteile zu erzielen.
  • Es zeigen
  • 1, 2, 3 schematisch erfindungsgemäße Schichtsysteme mit einer Korrosionsschutzschicht.
  • Die Zeichnung und die Beschreibung stellen nur Ausführungsbeispiele der Erfindung dar.
  • Der erfinderische Schritt liegt in der Aufbringung einer Schicht aus Aluminiumpartikeln, insbesondere durch einen Schlicker.
  • Eine zweite optionale Schicht besitzt die Zusammensetzung eines niedrigschmelzenden, viskosen Glases, dessen Schmelzpunkt vorzugsweise niedriger oder im Bereich des Schmelzpunkts des diffundierenden Metalls in der darunter liegenden Schicht ist. Das Glas weist insbesondere im Wesentlichen SiO2 auf und enthält vorzugsweise für die Einstellung des Schmelzpunktes relevante Begleitelemente wie z.B. Magnesium (Mg), Kalzium (Ca) oder auch Bor (B) und/oder Natrium (Na). Das Glas kann auch erst während der Wärmebehandlung in sauerstoffhaltiger Atmosphäre aus einem Silazane-, Siloxane- oder Silicon-Polymer als Precursor gebildet werden. Diese Precursor können zur Einstellung des Schrumpfungs- und Degradationsverhaltens bzw. Widerstands gegen CMAS-Angriff anorganische Füllstoffe enthalten. In jedem Fall kann durch die zusätzliche Schicht des Glases eine Oxidierung der Aluminiumpartikel durchgeführt werden, ohne das reine Aluminiumpartikel, die auf der Oberfläche des Systems entlanglaufen, Bohrungen des Bauteils während der Auslagerung verstopfen.
  • Die 1 zeigt ein erfindungsgemäßes Schichtsystem 1, das ein Substrat 4 aufweist.
  • Das Substrat 4 ist insbesondere metallisch, wobei es insbesondere eine nickel- oder kobaltbasierte Superlegierung aufweist.
  • Auf dem Substrat 4 ist eine optionale metallische Haftvermittlerschicht 7 vorhanden. Insbesondere ist dies eine Überzugsschicht insbesondere auf der Basis MCrAlY (M = Ni, Co und/oder Fe).
  • Auf dieser Haftvermittlerschicht 7 bildet sich bei der weiteren Beschichtung, oder durch bewusste Oxidation oder zumindest im Betrieb eine Oxidschicht (TGO), die hier nicht näher dargestellt ist.
  • Auf dieser thermisch gewachsenen Oxidschicht (TGO) oder auf der metallischen Haftvermittlerschicht ist eine keramische Schutzschicht 10 vorhanden. Diese kann einlagig Zirkonoxid oder zweilagig Zirkonoxid und Pyrochlor oder „DVC“-Schichten aufweisen.
  • Erfindungsgemäß ist auf der keramischen Schutzschicht 10 eine Korrosionsschutzschicht 13 aus Aluminiumoxidkugeln 14 (1) vorhanden, wobei jedoch optional als äußerste Schicht 16 (2) ein viskoses Glas aufgebracht ist.
  • Für die Herstellung wird auf die keramische Schutzschicht 10 eine Schicht aus Aluminiumpartikeln, insbesondere mit Korngrößen von 1µm bis 50µm aufgebracht, insbesondere durch einen Schlicker, Aufdampfen, Aufsputtern, etc.. Diese Schicht kann eine Schichtdicke zwischen einigen Mikrometern bis zu 300µm, insbesondere maximal 200µm, ganz insbesondere maximal 100µm aufweisen.
  • Diese Schicht soll das Eindringen der CMAS (CMAF) Schicht verhindern sowie mit dem CMAS (CMAF) reagieren. Durch eine Wärmebehandlung bildet sich Aluminiumoxid und eine Reaktionsschicht zwischen Wärmedämmschicht und Aluminiumschicht. Das so aufgebrachte Alumina hat einen geringeren Ausdehnungskoeffizienten und in Verbindung mit dem Nickel (Ni), der von dem Verdichterabradable stammt, platzt ein Teil des Aluminiumoxids ab. Die verbleibende Schicht schützt dann gegen das Eindringen von Flüssigablagerungen.
  • Der erfinderische Schritt liegt auch in der Aufbringung der unterschiedlichen Partikelgrößen des Aluminiumoxids begründet, das einerseits einen Schutz gegen Ni-Ablagerungen aber auch gegen CMAS aufweist. Da die Ablagerungen von Nickel (Ni) nur kurzfristig und am Beginn der Betriebszeit auftritt, ist eine Schicht vorhanden, die hier kurzfristig wirkt und eine Schicht mit Langzeitwirkung gegen CMAS oder ähnliche Angriffe aufweist.
  • Die Schicht aus Aluminiumoxidkugeln und/optional Glas ist jeweils mindestens 20% dünner als das keramische Schichtsystem 10.
  • Das Glas kann insbesondere Siliziumoxid, insbesondere SiO2 darstellen.
  • Anstatt Aluminium kann auch Aluminium und Zirkon (3) verwendet werden. Durch eine Wärmebehandlung bildet sich für die Korrosionsschutzschicht 16 Aluminiumoxid mit Zirkonoxid Einlagerungen und eine Reaktionsschicht zwischen Wärmedämmschicht und Aluminium/Zirkon-Schicht. Durch Zirkon verbessert sich die Haftung der Schutzschicht an der Wärmedämmschicht. Zusätzlich verringert Zirkon die Viskosität des CMAS und verhindert bzw. entschleunigt die Infiltration des CMAS und erhöht somit die Lebensdauer des Schichtsystems.
  • Auch über der Schicht aus Aluminiumoxid/Zirkonoxid bzw. über das metallische Aluminium/Zirkon kann eine Glasschicht wie oben erläutert aufgebracht werden und sein.
  • Die Wärmebehandlung zur Bildung von Aluminiumoxid oder Aluminiumoxid/Zirkonoxid kann durch einen ersten Einsatz des Bauteils erfolgen oder durch vorgelagerte Wärmebehandlung vor dem ersten Einsatz oder nachdem es in eine Maschine für einen Hochtemperatureinsatz eingebaut wurde.

Claims (15)

  1. Verfahren zur Herstellung eines keramischen Schichtsystems (10) mit äußerster Korrosionsschutzschicht (13; 13‘, 16; 15), bei dem zumindest auf ein Substrat (4) optional eine metallische Haftvermittlerschicht (7), zumindest eine keramische Schutzschicht (10) auf dem Substrat (4) und eine Schicht aus Aluminiumpartikel auf die keramische Schutzschicht (10) aufgebracht werden, insbesondere nur Aluminiumpartikel aufgebracht werden, die durch eine Wärmebehandlung Aluminiumoxid bilden, insbesondere hohle Aluminiumoxidkugeln bilden und Durchführung einer Wärmebehandlung.
  2. Bauteil, insbesondere hergestellt nach Anspruch 1, das zumindest aufweist: ein Substrat (4), insbesondere aus einer nickel- oder kobaltbasierten Superlegierung, optional eine metallische Haftvermittlerschicht (7), insbesondere auf der Basis MCrAlY (M = Ni, Co und/oder Fe), eine keramische Schutzschicht (10) zur Wärmedämmung, eine im Vergleich zur keramischen Schutzschicht (10) dünnere Korrosionsschutzschicht (13; 13‘, 16; 15), die zumindest Aluminiumoxidkugeln (14) aufweist.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem Aluminiumpartikel durch einen Schlicker, Aufdampfen oder Aufsputtern aufgebracht werden.
  4. Verfahren oder Bauteil nach Anspruch 1, 2 oder 3, bei dem eine Mischung aus Aluminiumpartikeln und Zirkonpartikeln aufgebracht wird oder ist.
  5. Verfahren oder Bauteil nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2, 3 oder 4, bei dem das Pulver Korngrößen von bis 50µm aufweist, insbesondere 1µm bis 50µm.
  6. Verfahren oder Bauteil nach Anspruch 1, 2, 3, 4 oder 5, bei dem ein niedrigschmelzendes, viskoses Glas auf die Aluminiumschicht, die Aluminium/Zirkon-Schicht oder der oxidierten Schichten davon aufgebracht wird oder ist, insbesondere durch einen Schlicker aufgebracht wird oder ist.
  7. Verfahren oder Bauteil nach Anspruch 6, bei dem das niedrigschmelzende, viskose Glas Siliziumoxid, insbesondere SiO2 aufweist.
  8. Verfahren oder Bauteil nach einem oder beiden der Ansprüche 6 oder 7, bei dem das niedrigschmelzende, viskose Glas Zusätze wie Magnesium (Mg), Calcium (Ca), Bor (B) und/oder Natrium (Na) aufweist.
  9. Verfahren oder Bauteil nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche 6 bis 8, bei dem siliciumhaltige Precursor für das Glas auf die Aluminiumschicht, die Aluminium/Zirkon-Schicht oder der oxidierten Schichten aufgebracht werden oder sind, insbesondere Silazane-, Siloxane-, oder Silocon-Polymere.
  10. Bauteil nach mindestens einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 9, bei dem auf der Schicht von Aluminiumoxidkugeln (13) eine äußerste Glasschicht (16) vorhanden ist.
  11. Verfahren oder Bauteil nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Korrosionsschutzschicht (13; 13‘, 16; 15) mindestens 30% dünner ausgeführt ist als die keramische Schutzschicht (10).
  12. Bauteil nach Anspruch 2, 5, 7, 8, 9, 10 oder 11, bei dem die Korrosionsschutzschicht (15) Aluminiumoxid und Zirkonoxid aufweist, insbesondere daraus besteht.
  13. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 1 oder 3 bis 12, bei dem die Wärmebehandlung durch einen ersten Einsatz des Bauteils bei hohen Temperaturen erzielt wird.
  14. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 1 oder 3 bis 12, bei dem die Wärmebehandlung vor dem ersten Einsatz des Bauteils und/oder Einbau des Bauteils in eine Maschine durchgeführt wird.
  15. Verfahren oder Bauteil nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Korrosionsschutzschicht (13; 13‘, 16; 15) maximal 300µm dick ist, insbesondere maximal 200µm dick ist, ganz insbesondere maximal 100µm dick ist.
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