EP1362933A1 - Wärmedämmschicht - Google Patents

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EP1362933A1
EP1362933A1 EP02010837A EP02010837A EP1362933A1 EP 1362933 A1 EP1362933 A1 EP 1362933A1 EP 02010837 A EP02010837 A EP 02010837A EP 02010837 A EP02010837 A EP 02010837A EP 1362933 A1 EP1362933 A1 EP 1362933A1
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EP
European Patent Office
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matrix material
barrier coating
insulation layer
thermal insulation
thermal barrier
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Withdrawn
Application number
EP02010837A
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English (en)
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Inventor
Jens Birkner
Wernert Dr. Stamm
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Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Publication date
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Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C30/00—Coating with metallic material characterised only by the composition of the metallic material, i.e. not characterised by the coating process

Definitions

  • the invention relates to a thermal barrier coating according to claim 1.
  • Thermal insulation layers are applied to heat-stressed components, such as e.g. Turbine blades applied to a gas turbine Heat-sensitive, for example metallic substrate of these components protect from heat.
  • the thermal insulation layer exists for example, made of zirconium oxide or partially stabilized zirconium oxide with yttrium oxide.
  • EP 1 029 101 B1 shows a thermal barrier coating which has the composition LaAlO 3 , that is to say a perovskite.
  • U.S. Patent 5,310,575 shows a material in which zirconia in is mixed into a matrix of a spinel.
  • GB 745,257 discloses a thermal barrier coating, the Thermal insulation layer a spinel, a pyrochlore or zirconium oxide is.
  • US 5,914,189 discloses a thermal barrier coating which is a mixture of a spinel and calcium zirconate (CaZrO 3 ).
  • the object is achieved by a thermal barrier coating according to claim 1 solved.
  • the thermal barrier coating according to the invention is a mixture of a matrix material such as zirconium oxide or aluminum oxide and at least one admixed material that has a reduced sintering potential at the operating temperatures of the thermal barrier coating.
  • admixed materials are preferably ceramics from the systems of pyrochlores, such as, for example, La 2 Zr 2 O 7 , La 2 Hf 2 O 7 and perovskites, such as, for example, CaZrO 3 , LaAlO 3 and spinels, such as, for example, MgCr 2 O 4 , MgAl 2 O 4 , NiAl 2 O 4 with a volume fraction of 10% and 50%.
  • the matrix material consists, for example, of zirconium oxide (ZrO 2 ) or partially stabilized zirconium oxide (ZrO 2 and 7% - 8% yttrium oxide (Y 2 O 3 ) or another ceramic.
  • zirconium oxide enables the stretch tolerance to be set automatically in the high temperature range.
  • the expansion coefficients of the admixture used are, for example, but not necessarily above or below the expansion coefficient of the zirconium oxide layer.
  • cracks and voids are additionally created between the particles from the admixtures and the zirconium oxide during use at high temperatures, which compensate for the elongation tolerance lost in the zirconium oxide matrix, since the admixtures do not sinter, i.e. do not shrink or shrink to a lesser extent, even if the coefficient of thermal expansion is the same.
  • the matrix material stretches more at high temperatures off than the admixture, brief compressive stresses arise, who relax, however. Through the onset of sintering in turn, porosities and cracks are created, the one create increasing porosity.
  • the matrix material stretches less at high temperatures out as the admixture, so arise through the sintering the matrix additionally cracks and porosities between matrix and admixture, which compensates for lost ductility cause cracking or porosity.
  • microporosity / microcracks in the thermal barrier coating will that is, by adding a reduced sintering potential and / or different expansion coefficients of matrix and admixture received.
  • the microstructure can be created by a specifically selected mixture can be set so that one for the elongation tolerance of the Thermal insulation layer system necessary porosity and reduction the interlocking of the stem structures achieved with EBPVD layers becomes.
  • the oxygen conductivity can be reduced so that oxidation of the MCrAlY layer is also reduced becomes.

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Abstract

Wärmedämmschicht nach dem Stand der Technik auf der Basis von Zirkonoxid versintern bei hohen Temperaturen und verlieren dabei ihre Dehnungstoleranz. Eine erfindungsgemäße Wärmedämmschicht auf der Basis von Zirkonoxid weist Beimischungen auf, die die sich reduzierende Dehnungstoleranz des Zirkonoxids kompensieren.

Description

Die Erfindung betrifft eine Wärmedämmschicht gemäß Anspruch 1.
Wärmedämmschichten werden auf wärmebelastete Bauteile, wie z.B. Turbinenschaufeln in Gasturbinen aufgebracht, um ein wärmeempfindliches, bspw. metallisches Substrat dieser Bauteile vor Wärme zu schützen. Die Wärmedämmschicht besteht bspw. dabei aus Zirkonoxid oder teilstabilisiertem Zirkonoxid mit Yttriumoxid.
Zwischen der Wärmedämmschicht und dem Substrat ist oft noch eine Haftvermittlerschicht MCrAlY oder Diffusionsschicht aufgebracht.
Die EP 1 029 101 B1 zeigt eine Wärmedämmschicht, die die Zusammensetzung LaAlO3, also ein Perowskit, aufweist.
Die US-PS 5,310,575 zeigt ein Material bei dem Zirkonoxid in einer Matrix aus einem Spinell beigemischt ist.
Die GB 745,257 offenbart eine Wärmedämmschicht, wobei die Wärmedämmschicht ein Spinell, ein Pyrochlor oder Zirkonoxid ist.
Die US 5,914,189 offenbart eine Wärmedämmschicht, die eine Mischung eines Spinells und Calciumzirkonat (CaZrO3) ist.
Aufgrund der unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten von Wärmedämmschicht und Substrat während des Betriebes kommt es zu Spannungen, die jedoch nicht zum Versagen der Schicht führen, da eine gewisse Dehnungstoleranz durch eine gezielt eingestellte Mikroporosität der Wärmedämmschicht beim Plasmaspritzen gegeben ist. Bei PVD-Schichten (Physical vapour deposition) mittels Elektronenstrahlen (EB-PVD) gibt es eine dehnungstolerante Stängelstruktur. Jedoch verlieren diese Schichten aufgrund der Sinterung bei den hohen Einsatztemperaturen um bzw. über 1000°C ihre Dehnungstoleranz, wodurch die Gefahr des Versagens steigt.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung eine Wärmedämmschicht aufzuzeigen, die das oben genannte Problem überwindet.
Die Aufgabe wird durch eine Wärmedämmschicht gemäß Anspruch 1 gelöst.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Wärmedämmschicht sind in den Unteransprüchen aufgelistet.
Die erfindungsgemäße Wärmedämmschicht ist eine Mischung aus einem Matrixmaterial wie z.B. Zirkonoxid oder Aluminiumoxid und zumindest einem beigemischten Material, dass ein reduziertes Sinterpotential bei den Einsatztemperaturen der Wärmedämmschicht aufweist.
Solche beigemischten Materialien sind vorzugsweise Keramiken aus den Systemen der Pyrochlore, wie z.B. La2Zr2O7, La2Hf2O7 und Perowskite, wie z.B. CaZrO3, LaAlO3 sowie Spinelle, wie z.B. MgCr2O4, MgAl2O4, NiAl2O4 mit einem Volumenanteil von 10% und 50%.
Das Matrixmaterial besteht bspw. aus Zirkonoxid (ZrO2) oder teilstabilisiertem Zirkonoxid (ZrO2 und 7% - 8% Yttriumoxid(Y2O3) oder einer anderen Keramik.
Durch die Beimischung zu Zirkonoxid wird eine Selbsteinstellung der Dehnungstoleranz im Hochtemperaturbereich erreicht. Die Ausdehnungskoeffizienten der verwendeten Beimischung liegen bspw. aber nicht notwendigerweise ober- oder unterhalb des Ausdehnungskoeffizienten der Zirkonoxidschicht. Bei einer Versinterung des Zirkonoxidmatrix, also einer Schrumpfung der Matrix, reduziert sich lokal die Dehnungstoleranz im vorwiegend aus Zirkonoxid bestehenden Teilbereich. Zwischen den Teilchen aus den Beimischungen und dem Zirkonoxid werden während des Einsatzes bei hohen Temperaturen jedoch zusätzlich Risse und Hohlräume erzeugt, die die in der Zirkonoxidmatrix verlorene Dehnungstoleranz kompensieren, da die Beimischungen nicht versintern, also nicht oder nur in einem geringeren Maße schrumpfen, auch wenn der thermischen Ausdehnungskoeffizient gleich ist.
Der Einfluss des thermischen Ausdehnungskoeffizients der beigemischten Materialien ist wie folgt:
Dehnt sich das Matrixmaterial bei hohen Temperaturen stärker aus als die Beimischung, so entstehen kurzzeitig Druckspannungen, die jedoch relaxieren. Durch die einsetzende Versinterung werden wiederum Porositäten und Risse erzeugt, die eine zunehmende Porosität erzeugen.
Dehnt sich das Matrixmaterial bei hohen Temperaturen geringer aus als die Beimischung, so entstehen durch die Versinterung der Matrix zusätzlich Risse und Porositäten zwischen Matrix und Beimischung, die eine Kompensation der verlorenen Duktilität durch Rissbildung oder Porosität bewirken.
Die Mikroporosität/Mikrorisse in der Wärmedämmschicht wird also durch die Beimischung mit reduziertem Sinterpotential und/oder unterschiedliche Ausdehnungskoeffizienten von Matrix und Beimischung erhalten.
Durch eine gezielt gewählte Mischung kann die Mikrostruktur so eingestellt werden, dass eine für die Dehnungstoleranz des Wärmedämmschichtsystems notwendige Porosität und Reduzierung der Verhakung der Stängelstrukturen bei EBPVD-Schichten erzielt wird.
Außerdem kann die Sauerstoffleitfähigkeit reduziert werden, so dass auch eine Oxidation der MCrAlY-Schicht reduziert wird.

Claims (12)

1. Wärmedämmschicht,
insbesondere für den Einsatz in einer Gasturbine,
dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmedämmschicht ein Matrixmaterial aufweist, dass dem Matrixmaterial Materialien beigemischt sind, die gegenüber dem Matrixmaterial bei den Einsatztemperaturen ein reduziertes Sinterpotential aufweisen.
2. Wärmedämmschicht nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
dem Matrixmaterial ein Pyrochlor beigemischt ist.
3. Wärmedämmschicht nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Pyrochlor die Zusammensetzung La2ZrO7 oder La2Hf2O7 aufweist.
4. Wärmedämmschicht nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
dem Matrixmaterial ein Perowskit beigemischt ist.
5. Wärmedämmschicht nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Perowskit die Zusammensetzung CaZrO3 oder LaAlO3 aufweist.
6. Wärmedämmschicht nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
dem Matrixmaterial ein Spinell beigemischt ist.
7. Wärmedämmschicht nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Spinell die Zusammensetzung MgZr2O4 oder MgAl2O4 oder Ni-Al2O4 aufweist.
8. Wärmedämmschicht nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Beimischungen einen Volumenanteil von 10% - 50% aufweisen.
10. Wärmedämmschicht, insbesondere nach Anspruch 1, insbesondere für den Einsatz in einer Gasturbine,
dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmedämmschicht ein Matrixmaterial aufweist,
dass dem Matrixmaterial Materialien beigemischt sind, die gegenüber dem Matrixmaterial bei den Einsatztemperaturen einen so unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweisen, dass Mikrorisse oder eine Mikroporosität gebildet werden.
11. Wärmedämmschicht nach Anspruch 1 oder 10,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Matrixmaterial vollstabilisiertes oder teilstabilisiertes Zirkonoxid ist.
12. Wärmedämmschicht nach Anspruch 1 oder 10,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Matrixmaterial Aluminiumoxid ist.
11. Bauteil mit einer Wärmedämmschicht nach den Ansprüchen 1 bis 12.
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