DE19621763A1

DE19621763A1 - Product with a body made of a superalloy and a layer system thereon and method for its production

Info

Publication number: DE19621763A1
Application number: DE19621763A
Authority: DE
Inventors: Wolfram Dr Ing Beele; Norbert Dr Rer Nat Czech
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1996-05-30
Filing date: 1996-05-30
Publication date: 1997-12-04
Also published as: KR20000016211A; JP2000511236A; WO1997046734A1; EP0907765A1

Abstract

The invention relates to a product with a base structure consisting of a superalloy and an overlay system thereon to protect the base structure from an aggressive, hot gas. The overlay system has a ceramic heat-insulating layer with an outer surface subjected to the gas, and also contains an intermediate layer which rests on the base structure and has, according to mass proportions, the following composition of chemical elements: 35 - 60 % of rhenium, 10 - 20 % of aluminium, 0 - 10 % of gallium, 0 - 2 % in each case of silicon, hafnium and an active element such as yttrium, the rest comprising impurities resulting from the preparation and chromium. According to the invention, said intermediate layer is also obtained by plasma spraying or vapour deposition.

Description

Die Erfindung betrifft ein Erzeugnis mit einem aus einer Su perlegierung bestehenden Grundkörper und einem darauf befind lichen Schichtsystem zum Schutz des Grundkörpers gegen ein aggressives heißes Gas, wobei das Schichtsystem eine kerami sche Wärmedämmschicht mit einer dem Gas aussetzbaren äußeren Oberfläche aufweist.The invention relates to a product with a Su peralling existing basic body and one on it layer system to protect the body against a aggressive hot gas, the layer system being a kerami cal thermal insulation layer with an outer gas exposed Surface.

Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf ein solches Er zeugnis, welches ausgebildet ist als Komponente für eine Gasturbine, insbesondere als Laufschaufel, Leitschaufel oder Hitzeschild, allgemein also als Komponente, welche während ihres regulären Betriebs einem heißen Rauchgas, welches so wohl oxidativ als auch korrosiv wirken kann, ausgesetzt ist.The invention particularly relates to such a he certificate, which is designed as a component for a Gas turbine, in particular as a moving blade, guide blade or Heat shield, generally as a component, which during their regular operation a hot flue gas, which so can be oxidative as well as corrosive.

Insbesondere wird Bezug genommen auf ein Erzeugnis für eine moderne stationäre Gasturbine, in welcher das Rauchgas eine mittlere Temperatur bis zu 1400°C erreichen kann und in wel cher damit gerechnet werden muß, daß eine Komponente der so eben beschriebenen Art trotz eventuell vorgesehener Kühlung einer Temperatur bis 1000°C und darüber ausgesetzt wird.In particular, reference is made to a product for a modern stationary gas turbine, in which the flue gas is a medium temperature can reach up to 1400 ° C and in wel cher must be expected that a component of the so type just described despite any cooling provided exposed to a temperature up to 1000 ° C and above.

Ein Erzeugnis wie eingangs beschrieben geht jeweils hervor aus dem US-Patent 4,321,310, dem US-Patent 4,321,311, dem US-Patent 4,055,705 und dem US-Patent 5,262,245. Die in diesen Patenten beschriebenen Erzeugnisse können betrachtet werden als alternative Ausgestaltungen einer Grundform eines ent sprechenden Erzeugnisses. In jedem Fall hat das Erzeugnis ei nen Grundkörper aus einer Superlegierung sowie eine äußere Oberfläche, die von einer keramischen Wärmedämmschicht gebil det ist. Zwischen der keramischen Wärmedämmschicht und dem Grundkörper befindet sich in den meisten vorgestellten Ausge staltungen eine metallische Haftschicht. Diese Haftschicht kann eine Zusammensetzung der Art MCrAlY aufweisen, d. h. eine Zusammensetzung nach Art einer Legierung, die als Grundlage Eisen, Kobalt und/oder Nickel aufweist (wofür das "M" steht) und als weitere wesentliche Bestandteile Chrom, Aluminium und Yttrium oder ein dem Yttrium äquivalentes Element wie Scan dium oder ein Element der Seltenen Erden aufweist. Die Zusam mensetzung MCrAlY ist auf dem einschlägigen Fachgebiet allge mein bekannt; allgemein bekannt ist auch, daß diese Zusammen setzung durch Hinzufügung weiterer Elemente weiterbildbar ist. Als solche weiteren Elemente seien stellvertretend für viele genannt Silizium, Hafnium, Tantal, Titan, Platin und Rhenium. Bekannte alternative Zusammensetzungen für die Haft schicht sind intermetallische Verbindungen aus Nickel und Aluminium oder Platin und Aluminium.A product as described at the beginning emerges in each case from U.S. Patent 4,321,310; U.S. Patent 4,321,311; U.S. Patent 4,055,705 and U.S. Patent 5,262,245. The one in these Products described in patents can be viewed as alternative configurations of a basic form of an ent speaking product. In any case, the product has an egg NEN body made of a super alloy and an outer Surface created by a ceramic thermal barrier coating det. Between the ceramic thermal barrier and the The basic body is in most of the presented versions designs a metallic adhesive layer. This adhesive layer may have a composition of the MCrAlY type, i.e. H. a Composition like an alloy, as a basis Contains iron, cobalt and / or nickel (what the "M" stands for) and as further essential components chrome, aluminum and Yttrium or an element equivalent to yttrium such as scan dium or a rare earth element. The Together MCrAlY is general in the relevant field my known; it is also generally known that these together setting can be further developed by adding further elements is. As such, other elements are representative of many called silicon, hafnium, tantalum, titanium, and platinum Rhenium. Known alternative compositions for detention are intermetallic compounds made of nickel and Aluminum or platinum and aluminum.

Aus der WO 89/07159 A1, der EP 0 486 489 B1 sowie der EP 0 412 397 A1 geht jeweils ein Schichtsystem zum Schutz eines aus einer Superlegierung bestehenden Grundkörpers gegen ein aggressives heißes Gas hervor, welches Schichtsystem in erster Linie rein metallisch ist und eine Schicht aus einer Legierung des Typs MCrAlY enthält. Auch sind besonders gün stige Zusammensetzungen für Legierungen des Typs MCrAlY be schrieben, welche gekennzeichnet sind durch einen zusätzli chen Gehalt an Rhenium.From WO 89/07159 A1, EP 0 486 489 B1 and the EP 0 412 397 A1 uses a layer system for protection against a base body made of a superalloy an aggressive hot gas which layer system in is primarily metallic and a layer of one MCrAlY alloy contains. Are also particularly good Other compositions for MCrAlY alloys wrote, which are marked by an additional Chen content of rhenium.

Inzwischen ist auch vorgeschlagen worden, zur weiteren Ver besserung einer Legierung des Typs MCrAlY das notwendiger weise vorhandene Aluminium zumindest zum Teil durch das che mische Element Gallium zu ersetzen. Gallium hat in mehrerer Hinsicht Eigenschaften, die mit den entsprechenden Eigen schaften des Aluminiums und des Siliziums übereinstimmen; es ist allerdings zu erwarten, daß Gallium weniger als Aluminium dazu neigt, die Legierung zu verspröden und damit anfällig für Rißbildung zu machen. In the meantime, it has also been suggested that further ver improvement of an alloy of the type MCrAlY the more necessary wise existing aluminum at least partially through the che mix element to replace gallium. Gallium has several Terms properties that match the corresponding eigen properties of aluminum and silicon match; it however, gallium is expected to be less than aluminum tends to become brittle and therefore vulnerable to make for cracking.

Im Hinblick auf die Verwendung von Rhenium in einem Schicht system von Bedeutung ist auch ein Aufsatz "Thermal Mechanical Fatigue Behaviour of Advanced Overlay Coatings" von N. Czech, F. Schmitz und W. Stamm, Materials and Manufacturing Processes 10, 5 (1995) 1021. Aus diesem Aufsatz ergeben sich insbesondere Hinweise hinsichtlich der Wirkung von Rhenium in einer entsprechenden Schutzschicht.With regard to the use of rhenium in one layer An essay "Thermal Mechanical Fatigue Behavior of Advanced Overlay Coatings "by N. Czech, F. Schmitz and W. Stamm, Materials and Manufacturing Processes 10, 5 (1995) 1021. This essay gives in particular information regarding the effects of rhenium in an appropriate protective layer.

Die in den vorstehend zitierten Dokumenten aufgeführten Schutzschichten des Typs MCrAlY mit jeweils einem Zusatz von Rhenium sind auch zur Verwendung als Haftschichten für kera mische Wärmedämmschichten vorgeschlagen worden. In diesem Zu sammenhang ist von besonderer Bedeutung, daß das Rhenium die Oxidation der Haftschicht verlangsamt. Dadurch ergibt sich ein vergleichsweise geringes Wachstum einer aus Bestandteilen der Haftschicht, insbesondere Aluminium, gebildeten Oxid schicht, die sich zwischen der Haftschicht und der eigentli chen keramischen Wärmedämmschicht bildet und mit zunehmender Dicke zur mechanischen Instabilität neigt; dabei kann es ins besondere zum Abplatzen der keramischen Wärmedämmschicht und letztlich zum Versagen des gesamten Schichtsystems kommen.Those listed in the documents cited above MCrAlY protective layers each with an addition of Rhenium are also for use as adhesive layers for kera Mix thermal insulation layers have been proposed. In this To is particularly important that the rhenium Oxidation of the adhesive layer slows down. This results in a comparatively low growth of one from components the adhesive layer, in particular aluminum, formed oxide layer that is between the adhesive layer and the actual chen ceramic thermal insulation layer forms and with increasing Thickness tends to mechanical instability; it can ins especially for flaking of the ceramic thermal insulation layer and ultimately the entire layer system fails.

Da die Wachstumsgeschwindigkeit der Oxidschicht zwischen ei ner metallischen Haftschicht und einer keramischen Wärmedämm schicht einen die Lebensdauer bestimmenden Faktor darstellt, wird für die Haftschicht eine Legierung mit niedriger Oxida tionsrate bevorzugt. Hieraus ergibt sich, wie gesagt, der Vorzug der entsprechenden Legierungen, die Rhenium enthalten. Auch die keramische Wärmedämmschicht ist hinsichtlich ihrer chemischen Zusammensetzung sowie Struktur und Art ihrer An bindung an die Haftschicht Gegenstand weiterer Entwicklung. Derzeit eingesetzt wird vor allen Dingen eine Wärmedämm schicht aus einem mit Yttriumoxid teilweise oder vollständig stabilisierten Zirkonoxid. Hergestellt wird eine solche Wär medämmschicht durch atmosphärisches Plasmaspritzen, bei dem die relevanten Eigenschaften der Wärmedämmschicht durch das Einstellen einer definierten Porosität und einer lagenartigen bis mikrosegmentierten Struktur sowie durch überwiegend me chanische Verklammerung auf einer entsprechend porös angeleg ten Haftschicht eingestellt werden. Alternativ wird eine Wär medämmschicht hergestellt durch ein Dampfabscheidungsverfah ren, bei dem die Wärmedämmschicht eine dehnungstolerante stengelkristalline Struktur und eine hauptsächlich chemische Anbindung an die entsprechend glatt bereitzustellende Haft schicht aufweist. Die chemische Anbindung der Wärmedämm schicht an die Haftschicht erfolgt über eine zwischen diesen Schichten ausgebildete, dünne Oxidschicht. Diese ist, gegebe nenfalls über entsprechend gebildete intermediäre Verbindun gen, sowohl mit der Wärmedämmschicht als auch mit der Haft schicht fest verbunden.Since the growth rate of the oxide layer between egg ner metallic adhesive layer and ceramic thermal insulation layer represents a factor determining the lifespan, becomes an alloy with low oxide for the adhesive layer tion rate preferred. As already mentioned, this results in the Preferred alloys containing rhenium. The ceramic thermal barrier coating is also in terms of their chemical composition as well as structure and type of their type bond to the adhesive layer subject to further development. Thermal insulation is currently used above all layer of one with yttrium oxide partially or completely stabilized zirconium oxide. Such a heat is produced medämmschicht by atmospheric plasma spraying, in which the relevant properties of the thermal barrier coating through the Setting a defined porosity and a layer-like to micro-segmented structure as well as mostly me Chan bracketing on a suitably porous th adhesive layer can be set. Alternatively, a heat medämmschicht produced by a vapor deposition ren, in which the thermal barrier coating is an expansion-tolerant columnar crystalline structure and a mainly chemical one Link to the correspondingly smooth detention to be provided has layer. The chemical connection of the thermal insulation layer to the adhesive layer takes place between them Layers of formed, thin oxide layer. This is given otherwise via appropriately formed intermediate connections conditions, both with the thermal barrier coating and with the adhesive layer firmly connected.

Ein Schichtsystem versagt in der Regel dadurch, daß außer der Oxidation der Haftschicht auch thermisch-mechanische Wechsel beanspruchungen auftreten, durch welche sich Risse in der Wärmedämmschicht ausbreiten können. Dies führt im Falle einer gespritzten Wärmedämmschicht letztendlich zu einem Abplatzen oberhalb der Grenze zwischen der Keramik und dem Metall, im Falle einer aus der Dampfphase abgeschiedenen Wärmedämm schicht zu einem Abplatzen in der zwischen der eigentlichen Wärmedämmschicht und der Haftschicht gebildeten Oxidschicht. Im Anschluß an das Abplatzen der Wärmedämmschicht ergibt sich eine Temperaturerhöhung an der Oberfläche der Haftschicht, die ihrerseits zu einer rapiden Oxidation und einem daraus resultierenden rapiden Abbau der Haftschicht führt.A shift system usually fails because, in addition to the Oxidation of the adhesive layer also thermal-mechanical changes stresses occur, through which cracks in the Can spread thermal insulation layer. In the case of a sprayed thermal insulation layer ultimately to chipping above the border between the ceramic and the metal, in In the case of thermal insulation separated from the vapor phase layer to flake in between the actual one Thermal insulation layer and the adhesive layer formed oxide layer. Following the flaking off of the thermal insulation layer results in a temperature increase on the surface of the adhesive layer, which in turn lead to rapid oxidation and one of them resulting rapid degradation of the adhesive layer leads.

Daß die Zugabe von Rhenium zu einer Haftschicht des Typs MCrAlY von erheblichem Vorteil ist, ist bereits erläutert worden. Allerdings ist die Zugabe von Rhenium zu einer derar tigen Haftschicht nur in begrenztem Umfang möglich, da auch die Zugabe von Rhenium zu einer gewissen Versprödung führen kann. Dies geht auch aus dem zitierten Aufsatz hervor.That the addition of rhenium to an adhesive layer of the type MCrAlY is of considerable advantage has already been explained been. However, the addition of rhenium to one of them only possible to a limited extent, since also the addition of rhenium leads to some embrittlement can. This is also evident from the article cited.

Dementsprechend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Erzeugnis der in der Einleitung angegebenen Art anzugeben, bei welchem die Ausnutzung eines Vorteils, der sich durch die Verwendung von Rhenium ergeben kann, auf alternative Art er folgt.Accordingly, the invention is based on the object Indicate the product of the type specified in the introduction, in which the exploitation of an advantage, which is characterized by the Using rhenium can result in an alternative way follows.

Zur Lösung dieser Aufgabe angegeben wird ein Erzeugnis mit einem aus einer aus einer Superlegierung bestehenden Grund körper und einem darauf befindlichen Schichtsystem zum Schutz des Grundkörpers gegen ein aggressives heißes Gas, wobei das Schichtsystem eine keramische Wärmedämmschicht mit einer dem Gas aussetzbaren äußeren Oberfläche aufweist, und wobei die Wärmedämmschicht auf einer Zwischenschicht aufliegt, die auf dem Grundkörper aufliegt und nach Massenanteilen folgende Zu sammensetzung chemischen Elemente aufweist:
Rhenium 35% bis 60%;
Aluminium 10% bis 20%;
Gallium 0% bis 10%;
Silizium 0% bis 2%;
Hafnium 0% bis 2%;
ein aktives Element aus der Gruppe enthaltend Yttrium, Scan dium und die Elemente der Seltenen Erden:
0% bis 2%;
herstellungsbedingte Verunreinigungen; sowie Chrom als Rest.To achieve this object, a product is provided with a base body consisting of a superalloy and a layer system thereon for protecting the base body against an aggressive hot gas, the layer system having a ceramic thermal barrier coating with an outer surface which can be exposed to the gas, and wherein the thermal insulation layer rests on an intermediate layer, which rests on the base body and has the following composition of chemical elements by mass fraction:
Rhenium 35% to 60%;
Aluminum 10% to 20%;
Gallium 0% to 10%;
Silicon 0% to 2%;
Hafnium 0% to 2%;
an active element from the group containing yttrium, scan dium and the elements of the rare earths:
0% to 2%;
manufacturing-related impurities; and chrome as the rest.

Demnach wird erfindungsgemäß eine besondere Zwischenschicht vorgesehen, die einen in dem Schichtsystem gewünschten Anteil an Rhenium zumindest zu einem wesentlichen Anteil enthält. Durch das Vorsehen dieser Zwischenschicht kann das Rhenium genau dort angebracht werden, wo es wegen seiner Funktion als Mittel zur Verringerung einer Oxidation von besonderem Inter esse ist, nämlich an einer Grenze zwischen der keramischen Wärmedämmschicht und dem Grundkörper oder einer darauf auf liegenden metallischen Haftschicht. Da die Zwischenschicht entsprechend dünn auftragbar ist, spielen ihre mechanischen Eigenschaften, insbesondere die Frage, ob sie eher duktil oder eher spröde ist, nur am Rande eine Rolle. Die Zwi schenschicht ist auch vergleichsweise reich an Aluminium, ge gebenenfalls auch Gallium und/oder Silizium, und stellt somit Ausgangselemente zur Bildung einer oxidischen Schicht zwi schen dem metallischen Teil des Schichtsystems und der kera mischen Wärmedämmschicht bereit. Das Material der Haftschicht wird vorzugsweise ergänzt durch ein aktives Element wie Haf nium, Yttrium oder ein diesem äquivalentes Element wie Scan dium oder die Elemente der Seltenen Erden, da diese Elemente einen wünschenswerten Beitrag zur Verankerung der erwähnten oxidischen Schicht an der Zwischenschicht leisten.Accordingly, according to the invention, a special intermediate layer is used provided the portion desired in the layer system contains at least a significant proportion of rhenium. By providing this intermediate layer, the rhenium can be attached exactly where it is because of its function as Intermediate oxidation reducing agent esse is, namely on a border between the ceramic Thermal insulation layer and the base body or one on it lying metallic adhesive layer. Because the intermediate layer can be applied thinly, play their mechanical Properties, especially the question of whether they are more ductile or is rather brittle, only a marginal role. The two layer is also comparatively rich in aluminum, ge possibly also gallium and / or silicon, and thus represents Starting elements for the formation of an oxidic layer between between the metallic part of the layer system and the kera mix thermal insulation layer ready. The material of the adhesive layer is preferably supplemented by an active element such as haf nium, yttrium or an element equivalent to this such as scan dium or the rare earth elements as these elements a desirable contribution to anchor the mentioned provide an oxide layer on the intermediate layer.

Es versteht sich, daß mit der Anwesenheit herstellungsbeding ter Verunreinigungen üblicher Art und in üblichen Anteilen stets zu rechnen ist; zur Herstellung der Legierung für die Zwischenschicht sind insoweit alle einschlägigen Fachkennt nisse zu beachten.It is understood that with the presence of manufacturing ter impurities of the usual type and in usual proportions is always to be expected; to produce the alloy for the Intermediate layer are all relevant technical knowledge note.

Eine bevorzugte Zusammensetzung für die Zwischenschicht hat nach Massenanteilen folgende Zusammensetzung:
Rhenium 47%;
Aluminium 15%;
Yttrium 0,5%;
herstellungsbedingte Verunreinigungen; sowie Chrom als Rest.A preferred composition for the intermediate layer has the following composition in mass proportions:
Rhenium 47%;
Aluminum 15%;
Yttrium 0.5%;
manufacturing-related impurities; and chrome as the rest.

Die Zwischenschicht des Erzeugnisses liegt vorzugsweise auf einer metallischen Haftschicht auf, die aus einer Legierung des Typs MCrAlY besteht, wobei M für zumindest ein Metall aus der Gruppe enthaltend Eisen, Kobalt und Nickel als Grundlage der Legierung steht. Diese Legierung enthält weiterhin bevor zugt zusätzlich Rhenium, vorzugsweise mit einem Massenanteil zwischen 1% und 15%.The intermediate layer of the product is preferably on a metallic adhesive layer made of an alloy of the MCrAlY type, where M consists of at least one metal the group containing iron, cobalt and nickel as a basis of the alloy. This alloy continues to contain also adds rhenium, preferably with a mass fraction between 1% and 15%.

Die Zwischenschicht hat vorzugsweise eine Dicke von weniger als 10 µm, insbesondere eine Dicke von etwa 5 µm. Derart ist gewährleistet, daß sich die mechanischen Eigenschaften der Zwischenschicht, insbesondere eine eventuelle Sprödigkeit, nicht nachteilig auf das gesamte Schichtsystem auswirken kön nen.The intermediate layer preferably has a thickness of less than 10 µm, in particular a thickness of about 5 µm. That is ensures that the mechanical properties of the Intermediate layer, especially a possible brittleness, cannot adversely affect the entire layer system nen.

In dem Erzeugnis ist die den Grundkörper bildende Superlegie rung weiterhin vorzugsweise eine Nickelbasis- oder Kobaltba sis-Superlegierung, wofür als Beispiele die allgemein be kannte Nickelbasis-Superlegierung IN738LC sowie die Kobaltba sis-Superlegierung MAR-M-509 zu nennen sind.In the product is the super-alloy forming the basic body tion is also preferably a nickel-based or cobalt base sis superalloy, for which the examples generally are known nickel-based super alloy IN738LC and the cobalt ba sis superalloy MAR-M-509 are to be mentioned.

Die Zwischenschicht des Erzeugnisses ist vorzugsweise eine Dispersion einer im wesentlichen aus einer intermetallischen Verbindung aus Rhenium und Chrom bestehenden Phase in einer metallischen Matrix. Die intermetallische Verbindung hat ins besondere die ungefähre Zusammensetzung Cr₃Re, wofür insbe sondere Chrom und Rhenium mit etwa übereinstimmenden Ge wichtsanteilen vorhanden sein müssen. Der wesentliche Anteil des Aluminiums sowie der eventuell vorhandenen anderen Ele mente liegt hauptsächlich in der metallischen Matrix vor und steht aus dieser Matrix zur Bildung der Oxidschicht zwischen der Zwischenschicht und der Wärmedämmschicht zur Verfügung.The intermediate layer of the product is preferably one Dispersion essentially of an intermetallic Compound of rhenium and chromium in one phase metallic matrix. The intermetallic has ins especially the approximate composition Cr₃Re, for which esp special chromium and rhenium with roughly matching Ge parts by weight must be present. The main part of the aluminum and any other el element is mainly found in the metallic matrix and stands between this matrix to form the oxide layer the intermediate layer and the thermal insulation layer are available.

Die Wärmedämmschicht des Erzeugnisses besteht vorzugsweise im wesentlichen aus einem zumindest teilweise stabilisierten Zirkonoxid, welches insbesondere durch einen Zusatz von Yttriumoxid stabilisiert ist. Zirkonoxid zeichnet sich da durch aus, daß seine relevanten mechanischen Eigenschaften den entsprechenden Eigenschaften der zum Einsatz kommenden Metalle und Legierungen relativ ähnlich sind. Die Stabilisie rung des Zirkonoxids dient dazu, einen Phasenübergang im Ge füge des Zirkonoxids, wie er sich unter entsprechender ther mischer Belastung in reinem Zirkonoxid einstellen könnte, zu verhindern oder zumindest zu verlangsamen.The thermal insulation layer of the product is preferably in essentially from an at least partially stabilized Zirconium oxide, which in particular by adding Yttrium oxide is stabilized. Zirconium oxide stands out there through out that its relevant mechanical properties the corresponding properties of the used Metals and alloys are relatively similar. The stabilization The zirconium oxide serves to establish a phase transition in the ge add the zirconium oxide as it appears under the corresponding ther mixer load in pure zirconium oxide, too prevent or at least slow down.

Das Erzeugnis ist vorzugsweise ausgebildet als Komponente für eine Gasturbine, insbesondere als Laufschaufel, Leitschaufel oder Hitzeschild. In diesem Zusammenhang ist das Erzeugnis geeignet, unter Belastung durch ein oxidierendes und korro dierendes Rauchgas, wie es üblicherweise in einer stationären Gasturbine gebildet wird, einer Temperatur bis 1000°C und darüber hinaus zu widerstehen.The product is preferably designed as a component for a gas turbine, in particular as a rotor blade, guide blade or heat shield. In this context is the product suitable, under load by an oxidizing and corro dosing flue gas, as is usually the case in a stationary Gas turbine is formed, a temperature up to 1000 ° C and to resist beyond that.

Zur Lösung der Aufgabe im Hinblick auf ein Verfahren angege ben wird ein Verfahren zur Herstellung eines Erzeugnisses mit einem aus einer Superlegierung bestehenden Grundkörper und einem darauf befindlichen Schichtsystem zum Schutz des Grund körpers gegen ein aggressives heißes Gas, wobei zur Bildung des Schichtsystems eine Zwischenschicht auf den Grundkörper aufgebracht wird und wobei auf die Zwischenschicht eine kera mische Wärmedämmschicht aufgebracht wird, wobei die Zwischen schicht nach Massenanteilen folgende Zusammensetzung chemi scher Elemente aufweist:
Rhenium 35% bis 60%;
Aluminium 10% bis 20%;
Gallium 0% bis 10%;
Silizium 0% bis 2%;
Hafnium 0% bis 2%;
ein aktives Element aus der Gruppe enthaltend Yttrium, Scan dium und die Elemente der Seltenen Erden:
0% bis 2%;
herstellungsbedingte Verunreinigungen; sowie Chrom als Rest; und
wobei die Zwischenschicht durch Plasmaspritzen, insbesondere Vakuum-Plasmaspritzen, bzw. Dampfabscheidung aufgebracht wird.To solve the problem with regard to a method, a method for producing a product having a base body consisting of a superalloy and a layer system thereon for protecting the base body against an aggressive hot gas is provided, an intermediate layer being formed on the base layer to form the layer system Base body is applied and a ceramic thermal insulation layer is applied to the intermediate layer, the intermediate layer having the following composition of chemical elements by mass fraction:
Rhenium 35% to 60%;
Aluminum 10% to 20%;
Gallium 0% to 10%;
Silicon 0% to 2%;
Hafnium 0% to 2%;
an active element from the group containing yttrium, scan dium and the elements of the rare earths:
0% to 2%;
manufacturing-related impurities; and chromium as the rest; and
wherein the intermediate layer is applied by plasma spraying, in particular vacuum plasma spraying, or vapor deposition.

In jedem Fall wird vorzugsweise zunächst eine metallische Haftschicht auf dem Grundkörper aufgebracht und anschließend die Zwischenschicht auf der Haftschicht gebildet.In any case, a metallic one is preferably used first Adhesive layer applied to the base body and then the intermediate layer is formed on the adhesive layer.

Zwei als besonders bevorzugt angesehene Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend erläutert.Two exemplary embodiments regarded as particularly preferred the invention are explained below.

1. Eine Gasturbinenkomponente, insbesondere eine Laufschaufel, Leitschaufel oder ein Hitzeschildelement, mit einem aus der Superlegierung IN738LC bestehenden Grundkörper wird mit einer metallischen Haftschicht versehen, die eine Zusammensetzung aufweist, wie sie aus dem zitierten Aufsatz von N. Czech, F. Schmitz und W. Stamm ersichtlich ist und die insbesondere ei nen Massenanteil von Rhenium in einer Legierung, deren Grund lage Nickel ist, erfordert. Diese Haftschicht wird aufgetra gen mittels Vakuum-Plasmaspritzen und durch Strahlen mit Glasperlen oder dergleichen verdichtet. Eine weitere Oberflä chenbehandlung, insbesondere Glättung, erfolgt nicht.1. A gas turbine component, in particular a moving blade, Guide vane or a heat shield element, with one from the Super alloy IN738LC existing body is made with a metallic adhesive layer provided a composition has, as from the cited article by N. Czech, F. Schmitz and W. Stamm can be seen and the particular egg NEN mass fraction of rhenium in an alloy, the reason nickel is required. This adhesive layer is applied conditions by means of vacuum plasma spraying and by blasting Dense glass beads or the like. Another surface Chen treatment, especially smoothing, does not take place.

Auf diese Haftschicht aufgetragen wird eine Zwischenschicht folgender, nach Massenanteilen angegebener Zusammensetzung:
Rhenium 47%;
Aluminium 15%;
Yttrium 0,5%;
herstellungsbedingte Verunreinigungen; sowie Chrom als Rest.An intermediate layer of the following composition, by mass fraction, is applied to this adhesive layer:
Rhenium 47%;
Aluminum 15%;
Yttrium 0.5%;
manufacturing-related impurities; and chrome as the rest.

Die Zwischenschicht wird ebenfalls aufgetragen durch Vakuum-Plasmaspritzen, und zwar bis zu einer Dicke von etwa 5 µm.The intermediate layer is also applied by Vacuum plasma spraying, up to a thickness of about 5 µm.

Auf die Zwischenschicht aufgetragen wird anschließend eine keramische Wärmedämmschicht aus teilstabilisiertem Zir konoxid, und zwar durch atmosphärisches Plasmaspritzen. Die Verankerung der keramischen Wärmedämmschicht an der Zwischen schicht und der Haftschicht erfolgt teils durch chemische An bindung wie bereits beschrieben, teils durch mechanische An bindung an den herstellungsbedingt verbliebenen Oberflächen strukturen der Zwischenschicht.One is then applied to the intermediate layer ceramic thermal insulation layer made of partially stabilized zir conoxide, by atmospheric plasma spraying. The Anchoring the ceramic thermal insulation layer to the intermediate layer and the adhesive layer is partly by chemical means binding as already described, partly by mechanical connection binding to the remaining surfaces due to manufacturing structures of the intermediate layer.

2. Auf eine Gasturbinenkomponente mit einem aus der Kobaltbasis- Superlegierung MAR-M-509 bestehenden Grundkörper wird eine Haftschicht entsprechend der Haftschicht aus dem vorliegenden Beispiel aufgetragen und nach dem Auftragen und Strahlen po liert. 2. On a gas turbine component with a cobalt base Superalloy MAR-M-509 existing body will be one Adhesive layer corresponding to the adhesive layer from the present Example applied and after application and blasting po liert.

Auf die so vorbereitete Haftschicht wird die Zwischenschicht ebenso wie im vorigen Beispiel beschrieben aufgetragen, und auf die Zwischenschicht wird eine keramische Wärmedämmschicht aus teilstabilisiertem Zirkonoxid durch physikalische Dampf abscheidung mit Elektronenstrahlverdampfung (EB-PVD) aufge tragen. Vor oder während des Aufbringens der Wärmedämmschicht ist durch Einstellen geeigneter Bedingungen dafür zu sorgen, daß sich auf der Zwischenschicht eine Oxidschicht bildet, an der die Wärmedämmschicht durch chemische Anbindung haften kann. Diese Wärmedämmschicht hat eine stengelkristalline Struktur und ist dementsprechend sehr tolerant gegen Wärme dehnungen, da die stengelförmigen Kristallite der Wärmedämm schicht sich bei einer Ausdehnung der metallischen Struktur aus dem Grundkörper und dem darauf aufliegenden metallischen Teil des Schichtsystems relativ frei gegeneinander bewegen können. Im Hinblick auf die Funktion ist ein solches Schicht system gegenüber dem Schichtsystem des ersten Beispiels durchaus bevorzugt; es ist bedingt durch seine aufwendige Herstellung allerdings deutlich teurer, so daß für den prak tischen Betrieb anhand den Umständen des jeweiligen Einzel falls ein Kompromiß aus Belastbarkeit und Preis des jeweils zu verwendenden Schichtsystems zu schließen ist.The intermediate layer is placed on the adhesive layer prepared in this way applied as described in the previous example, and a ceramic thermal barrier coating is applied to the intermediate layer made of partially stabilized zirconium oxide through physical steam deposition with electron beam evaporation (EB-PVD) carry. Before or during the application of the thermal barrier coating is to be ensured by setting suitable conditions, that an oxide layer forms on the intermediate layer which adhere to the thermal insulation layer through chemical bonding can. This thermal barrier coating has a columnar crystalline structure Structure and is accordingly very tolerant of heat strains because the stem-shaped crystallites of the thermal insulation layer when the metallic structure expands from the base body and the metallic on top of it Move part of the layer system relatively freely against each other can. In terms of function, such a layer is system compared to the layer system of the first example quite preferred; it is due to its elaborate Production, however, significantly more expensive, so that for the prak table operation based on the circumstances of the individual if a compromise between resilience and price of each layer system to be used is to be closed.

In jedem der vorstehend geschilderten Beispiele ist die Zwi schenschicht zweiphasig aufgebaut; sie liegt vor in Form ei ner Dispersion einer im wesentlichen aus einer intermetalli schen Verbindung aus Rhenium und Chrom bestehenden Phase in einer metallischen Matrix. Die intermetallische Verbindung hat die ungefähre Zusammensetzung Cr₃Re, und die metallische Matrix enthält neben Rhenium und Chrom die übrigen chemischen Elemente der Zusammensetzung. Aus der metallischen Matrix steht Aluminium, gegebenenfalls auch Gallium und Silizium, für die Oxidbildung zwischen der Zwischenschicht und der Wär medämmschicht zur Verfügung. In each of the above examples, the Zwi two-phase layer structure; it is in the form of an egg A dispersion of essentially an intermetallic phase consisting of rhenium and chromium a metallic matrix. The intermetallic compound has the approximate composition Cr₃Re, and the metallic In addition to rhenium and chromium, matrix contains the other chemical substances Elements of the composition. From the metallic matrix is aluminum, possibly also gallium and silicon, for the oxide formation between the intermediate layer and the heat insulation layer available.

Die Zwischenschicht beeinträchtigt unabhängig von ihren rele vanten mechanischen Eigenschaften die Eigenschaften des ge samten Schichtsystems nicht wesentlich, da sie sehr dünn ist und aufgrund ihres hohen Gehalts an Rhenium eine Diffusion von Elementen in wesentlichem Umfang nicht zuläßt. Sie fügt sich demgemäß problemlos ein zwischen die metallische Haft schicht und die keramische Wärmedämmschicht. Sie bietet alle im Zusammenhang mit Oxidation und Korrosion wesentlichen Ei genschaften, die das chemische Element Rhenium beitragen kann, ohne daß weiteres Rhenium zur Haftschicht hinzulegiert werden muß und deren Eigenschaften möglicherweise beeinträch tigen könnte.The intermediate layer affects regardless of its rele vanten mechanical properties the properties of the ge entire layer system is not essential since it is very thin and diffusion due to its high rhenium content of elements to a significant extent. It adds accordingly easily between the metallic adhesion layer and the ceramic thermal barrier coating. It offers all essential egg related to oxidation and corrosion properties that contribute to the chemical element rhenium can, without further rhenium being added to the adhesive layer must be and possibly impair their properties could do.

Die Erfindung bietet somit ein leistungsfähiges Schichtsystem zum Schutz eines Grundkörpers, insbesondere eines Grundkör pers einer Gasturbinenkomponente, gegen ein aggressives hei ßes Gas, bei einer Temperatur von 1000°C oder mehr.The invention thus offers a powerful layer system to protect a base body, in particular a base body pers of a gas turbine component, against an aggressive hot ßes gas, at a temperature of 1000 ° C or more.

Claims

1. Erzeugnis mit einem aus einer Superlegierung bestehenden Grundkörper und einem darauf befindlichen Schichtsystem zum Schutz des Grundkörpers gegen ein aggressives heißes Gas, wo bei das Schichtsystem eine keramische Wärmedämmschicht mit einer dem Gas aussetzbaren äußeren Oberfläche aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmedämmschicht auf einer Zwischenschicht aufliegt, die auf dem Grundkörper aufliegt und nach Massenanteilen folgende Zusammensetzung chemischer Elemente aufweist:
Rhenium 35% bis 60%;
Aluminium 10% bis 20%;
Gallium 0% bis 10%;
Silizium 0% bis 2%;
Hafnium 0% bis 2%;
ein aktives Element aus der Gruppe enthaltend Yttrium, Scan dium und die Elemente der Seltenen Erden:
0% bis 2%;
herstellungsbedingte Verunreinigungen; sowie Chrom als Rest.1. Product with a superalloy consisting of a base body and a layer system thereon to protect the base body against an aggressive hot gas, where the layer system has a ceramic thermal barrier coating with an outer surface which can be exposed to the gas, characterized in that the thermal barrier coating is on an intermediate layer rests on the base body and has the following composition of chemical elements by mass fraction:
Rhenium 35% to 60%;
Aluminum 10% to 20%;
Gallium 0% to 10%;
Silicon 0% to 2%;
Hafnium 0% to 2%;
an active element from the group containing yttrium, scan dium and the elements of the rare earths:
0% to 2%;
manufacturing-related impurities; and chrome as the rest.

2. Erzeugnis nach Anspruch 1, bei dem die Zwischenschicht nach Massenanteilen folgende Zusammensetzung aufweist:
Rhenium 47%;
Aluminium 15%;
Yttrium 0,5%;
herstellungsbedingte Verunreinigungen; sowie Chrom als Rest.2. Product according to claim 1, wherein the intermediate layer has the following composition by mass fraction:
Rhenium 47%;
Aluminum 15%;
Yttrium 0.5%;
manufacturing-related impurities; and chrome as the rest.

3. Erzeugnis nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Zwischen schicht auf einer metallischen Haftschicht aufliegt, wobei die Haftschicht aus einer Legierung des Typs MCrAlY besteht, wobei M für zumindest ein Metall aus der Gruppe enthaltend Eisen, Kobalt und Nickel als Grundlage der Legierung steht. 3. Product according to claim 1 or 2, wherein the intermediate layer rests on a metallic adhesive layer, whereby the adhesive layer consists of an alloy of the MCrAlY type, where M contains at least one metal from the group Iron, cobalt and nickel form the basis of the alloy.

4. Erzeugnis nach Anspruch 3, bei dem die Legierung zusätz lich Rhenium enthält, vorzugsweise mit einem Massenanteil zwischen 1% und 15%.4. Product according to claim 3, wherein the alloy additional Lich contains rhenium, preferably with a mass fraction between 1% and 15%.

5. Erzeugnis nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Zwischenschicht eine Dicke von weniger als 10 µm, insbe sondere von etwa 5 µm, hat.5. Product according to one of the preceding claims, in which the intermediate layer has a thickness of less than 10 microns, esp special of about 5 µm.

6. Erzeugnis nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Superlegierung eine Nickelbasis- oder Kobaltbasis-Super legierung ist.6. Product according to one of the preceding claims, in which the super alloy is a nickel-based or cobalt-based super alloy is.

7. Erzeugnis nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Zwischenschicht eine Dispersion einer im wesentlichen aus einer intermetallischen Verbindung aus Rhenium und Chrom be stehenden Phase in einer metallischen Matrix ist.7. Product according to one of the preceding claims, in which the intermediate layer essentially consists of a dispersion an intermetallic compound of rhenium and chromium standing phase in a metallic matrix.

8. Erzeugnis nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Wärmedämmschicht im wesentlichen aus einem zumindest teilweise stabilisierten Zirkonoxid, welches insbesondere durch einen Zusatz von Yttriumoxid stabilisiert ist, besteht.8. Product according to one of the preceding claims, at which the thermal insulation layer essentially consists of at least one partially stabilized zirconium oxide, which in particular is stabilized by the addition of yttrium oxide.

9. Erzeugnis nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welches als Komponente für eine Gasturbine, insbesondere als Lauf schaufel, Leitschaufel oder Hitzeschild, ausgebildet ist.9. Product according to one of the preceding claims, which as a component for a gas turbine, in particular as a barrel blade, vane or heat shield, is formed.

10. Verfahren zur Herstellung eines Erzeugnisses mit einem aus einer Superlegierung bestehenden Grundkörper und einem darauf befindlichen Schichtsystem zum Schutz des Grundkörpers gegen ein aggressives heißes Gas, wobei zur Bildung des Schichtsystems eine Zwischenschicht auf den Grundkörper auf gebracht wird und wobei auf die Zwischenschicht eine kerami sche Wärmedämmschicht aufgebracht wird, wobei die Zwischen schicht nach Massenanteilen folgende Zusammensetzung chemi scher Elemente aufweist:
Rhenium 35% bis 60%;
Aluminium 10% bis 20%;
Gallium 0% bis 10%;
Silizium 0% bis 2%;
Hafnium 0% bis 2%;
ein aktives Element aus der Gruppe enthaltend Yttrium, Scan dium und die Elemente der Seltenen Erden:
0% bis 2%;
herstellungsbedingte Verunreinigungen; sowie Chrom als Rest;
dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschicht durch Plasmaspritzen, insbesondere Va kuum-Plasmaspritzen, aufgebracht wird.10. A method for producing a product with a base body consisting of a superalloy and a layer system thereon to protect the base body against an aggressive hot gas, an intermediate layer being brought onto the base body to form the layer system and a ceramic layer being placed on the intermediate layer Thermal insulation layer is applied, the intermediate layer having the following composition of chemical elements by mass fraction:
Rhenium 35% to 60%;
Aluminum 10% to 20%;
Gallium 0% to 10%;
Silicon 0% to 2%;
Hafnium 0% to 2%;
an active element from the group containing yttrium, scan dium and the elements of the rare earths:
0% to 2%;
manufacturing-related impurities; and chromium as the rest;
characterized in that the intermediate layer is applied by plasma spraying, in particular vacuum plasma spraying.

11. Verfahren zur Herstellung eines Erzeugnisses mit einem aus einer Superlegierung bestehenden Grundkörper und einem darauf befindlichen Schichtsystem zum Schutz des Grundkörpers gegen ein aggressives heißes Gas, wobei zur Bildung des Schichtsystems eine Zwischenschicht auf den Grundkörper auf gebracht wird und wobei auf die Zwischenschicht eine kerami sche Wärmedämmschicht aufgebracht wird, wobei die Zwischen schicht nach Massenanteilen folgende Zusammensetzung chemi scher Elemente aufweist:
Rhenium 35% bis 60%;
Aluminium 10% bis 20%;
Gallium 0% bis 10%;
Silizium 0% bis 2%;
Hafnium 0% bis 2%;
ein aktives Element aus der Gruppe enthaltend Yttrium, Scan dium und die Elemente der Seltenen Erden:
0% bis 2%;
herstellungsbedingte Verunreinigungen; sowie Chrom als Rest;
dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschicht durch Dampfabscheidung aufgebracht wird.11. A method for producing a product with a base body made of a superalloy and a layer system thereon to protect the base body against an aggressive hot gas, an intermediate layer being brought onto the base body to form the layer system and a ceramic layer being placed on the intermediate layer Thermal insulation layer is applied, the intermediate layer having the following composition of chemical elements by mass fraction:
Rhenium 35% to 60%;
Aluminum 10% to 20%;
Gallium 0% to 10%;
Silicon 0% to 2%;
Hafnium 0% to 2%;
an active element from the group containing yttrium, scan dium and the elements of the rare earths:
0% to 2%;
manufacturing-related impurities; and chromium as the rest;
characterized in that the intermediate layer is applied by vapor deposition.

12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, bei dem zunächst eine metallische Haftschicht auf den Grundkörper aufgebracht und anschließend die Zwischenschicht auf die Haftschicht aufge bracht wird.12. The method according to claim 10 or 11, in which first a metallic adhesive layer applied to the base body and then the intermediate layer is applied to the adhesive layer is brought.