EP2733236A1 - Zweilagiges keramisches Schichtsystem mit äußerer poröser Schicht und Vertiefungen darin - Google Patents

Zweilagiges keramisches Schichtsystem mit äußerer poröser Schicht und Vertiefungen darin Download PDF

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EP2733236A1
EP2733236A1 EP12192924.4A EP12192924A EP2733236A1 EP 2733236 A1 EP2733236 A1 EP 2733236A1 EP 12192924 A EP12192924 A EP 12192924A EP 2733236 A1 EP2733236 A1 EP 2733236A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
thermal barrier
barrier coating
layer
layer system
ceramic thermal
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP12192924.4A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Fathi Ahmad
Werner Stamm
Karsten Klein
Eckart Schumann
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Priority to EP12192924.4A priority Critical patent/EP2733236A1/de
Publication of EP2733236A1 publication Critical patent/EP2733236A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • 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
    • C23C4/00—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge
    • C23C4/18—After-treatment
    • 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
    • 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
    • C23C4/00—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge
    • C23C4/04—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge characterised by the coating material
    • C23C4/10—Oxides, borides, carbides, nitrides or silicides; Mixtures thereof
    • C23C4/11—Oxides

Definitions

  • the invention relates to a layer system in which a two-layer ceramic thermal barrier coating is present, in which recesses are introduced in the outermost ceramic layer, whereby the abrasive behavior is improved.
  • Ceramic layer systems on substrates with intermediate metallic adhesion promoter layer are state of the art.
  • the object is achieved by a layer system according to claim 1.
  • FIG. 1 an inventive layer system 1 is shown.
  • the layer system 1 has a substrate 4.
  • the substrate material is in particular a nickel- or cobalt-based superalloy, in particular an alloy according to FIG. 4 ,
  • a metallic adhesion promoter layer 7 comprising nickel aluminides, platinum aluminides or preferably an MCrAlX alloy.
  • An aluminum oxide layer (TGO) is preferably grown on this metallic adhesion promoter layer 7 or on the substrate 4 before the application of a ceramic layer, or it is deliberately produced, whereas in use it is generated in any case (TGO not shown).
  • an at least two-layer ceramic thermal barrier coating 13 is applied in a known manner.
  • porous means that the absolute difference in porosity is at least 2 vol%, in particular at least 4 vol%. (Example: porosity of inner layer 13: 8 vol%, then porosity of outer layer 19: ⁇ 12 vol%). The porosity of the outermost layer 19 is at most 40%.
  • the same material is preferably used for the thermal barrier coatings 16, 19.
  • the holes 20 and / or recesses 21 are not cracks.
  • the holes 20 preferably have a constant cross-section (viewed in the direction 25 of the layer thickness).
  • the recesses 21 are preferably formed uniformly, thus have a constant cross section in the cross section parallel to the direction 25.
  • the holes 20 and / or recesses 21 preferably extend parallel in a vertical direction 25 to the substrate 4.
  • the production of the holes 20 or recesses 21 can be done in several ways, in particular by subsequent laser processing or directly during the coating.
  • the holes 20 and / or recesses 21 are preferably uniformly distributed over the surface 22 or a surface area, especially where a contact surface is given for use.
  • the line-shaped recesses 21 and / or holes 20 are preferably used to reduce the contact area between a blade tip of a turbine blade 120, and the housing of a gas turbine 100 or generally between two mutually moving components.
  • the holes 20 and / or the line-shaped depressions 21 may also extend into the inner denser ceramic thermal barrier coating 16.
  • the holes 20 and / or recesses 21 preferably do not extend as far as the metallic adhesion promoter layer 7 or to the substrate 4 or not to the TGO.
  • HVOF or plasma spray processes are used for the production of both ceramic layers 16, 19.
  • FIG. 3 shows a perspective view of a blade 120 or guide vane 130 of a turbomachine, which extends along a longitudinal axis 121.
  • the turbomachine may be a gas turbine of an aircraft or a power plant for power generation, a steam turbine or a compressor.
  • the blade 120, 130 has along the longitudinal axis 121 consecutively a fastening region 400, a blade platform 403 adjacent thereto and an airfoil 406 and a blade tip 415.
  • the blade 130 may have at its blade tip 415 another platform (not shown).
  • a blade root 183 is formed, which serves for attachment of the blades 120, 130 to a shaft or a disc (not shown).
  • the blade root 183 is designed, for example, as a hammer head. Other designs as Christmas tree or Schwalbenschwanzfuß are possible.
  • the blade 120, 130 has a leading edge 409 and a trailing edge 412 for a medium flowing past the airfoil 406.
  • Such superalloys are for example from EP 1 204 776 B1 .
  • EP 1 306 454 .
  • the blade 120, 130 can be made by a casting process, also by directional solidification, by a forging process, by a milling process or combinations thereof.
  • Workpieces with a monocrystalline structure or structures are used as components for machines which are exposed to high mechanical, thermal and / or chemical stresses during operation.
  • Such monocrystalline workpieces takes place e.g. by directed solidification from the melt.
  • These are casting processes in which the liquid metallic alloy is transformed into a monocrystalline structure, i. to the single-crystal workpiece, or directionally solidified.
  • dendritic crystals are aligned along the heat flow and form either a columnar grain structure (columnar, ie grains that run the entire length of the workpiece and here, in common parlance, referred to as directionally solidified) or a monocrystalline structure, ie the whole Workpiece consists of a single crystal.
  • a columnar grain structure columnar, ie grains that run the entire length of the workpiece and here, in common parlance, referred to as directionally solidified
  • a monocrystalline structure ie the whole Workpiece consists of a single crystal.
  • directionally solidified microstructures which means both single crystals that have no grain boundaries or at most small angle grain boundaries, and stem crystal structures that have probably longitudinal grain boundaries but no transverse grain boundaries. These second-mentioned crystalline structures are also known as directionally solidified structures.
  • the blades 120, 130 may have coatings against corrosion or oxidation, e.g. M is at least one element of the group iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni), X is an active element and stands for yttrium (Y) and / or silicon and / or at least one element of the rare ones Earth, or hafnium (Hf)).
  • M is at least one element of the group iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni)
  • X is an active element and stands for yttrium (Y) and / or silicon and / or at least one element of the rare ones Earth, or hafnium (Hf)).
  • Such alloys are known from the EP 0 486 489 B1 .
  • EP 0 412 397 B1 or EP 1 306 454 A1 are known from the EP 0 486 489 B1 .
  • the density is preferably 95% of the theoretical density.
  • the layer composition comprises Co-30Ni-28Cr-8Al-0.6Y-0.7Si or Co-28Ni-24Cr-10Al-0.6Y.
  • nickel-based protective layers such as Ni-10Cr-12Al-0.6Y-3Re or Ni-12Co-21Cr-11Al-0.4Y-2Re or Ni-25Co-17Cr-10A1-0,4Y-1 are also preferably used , 5RE.
  • thermal barrier coating which is preferably the outermost layer, and consists for example of ZrO 2 , Y 2 O 3 -ZrO 2 , that is, it is not, partially or completely stabilized by yttrium oxide and / or calcium oxide and / or magnesium oxide.
  • the thermal barrier coating covers the entire MCrAlX layer.
  • suitable coating methods e.g. Electron beam evaporation (EB-PVD) produces stalk-shaped grains in the thermal barrier coating.
  • the thermal barrier coating may have porous, micro- or macro-cracked grains for better thermal shock resistance.
  • the thermal barrier coating is therefore preferably more porous than the MCrAlX layer.
  • Refurbishment means that components 120, 130 may need to be deprotected after use (e.g., by sandblasting). This is followed by removal of the corrosion and / or oxidation layers or products. Optionally, even cracks in the component 120, 130 are repaired. This is followed by a re-coating of the component 120, 130 and a renewed use of the component 120, 130.
  • the blade 120, 130 may be hollow or solid. If the blade 120, 130 is to be cooled, it is hollow and may still film cooling holes 418 (indicated by dashed lines) on.
  • FIG. 5 shows by way of example a gas turbine 100 in a longitudinal partial section.
  • the gas turbine 100 has inside a rotatably mounted about a rotation axis 102 rotor 103 with a shaft 101, which is also referred to as a turbine runner.
  • an intake housing 104 a compressor 105, for example, a toroidal combustion chamber 110, in particular annular combustion chamber, with a plurality of coaxially arranged burners 107, a turbine 108 and the exhaust housing 109th
  • a compressor 105 for example, a toroidal combustion chamber 110, in particular annular combustion chamber, with a plurality of coaxially arranged burners 107, a turbine 108 and the exhaust housing 109th
  • the annular combustion chamber 110 communicates with an annular annular hot gas channel 111, for example.
  • annular annular hot gas channel 111 for example.
  • turbine stages 112 connected in series form the turbine 108.
  • Each turbine stage 112 is formed, for example, from two blade rings. As seen in the direction of flow of a working medium 113, in the hot gas channel 111 of a row of guide vanes 115, a series 125 formed of rotor blades 120 follows.
  • the guide vanes 130 are fastened to an inner housing 138 of a stator 143, whereas the moving blades 120 of a row 125 are attached to the rotor 103 by means of a turbine disk 133, for example.
  • air 105 is sucked in and compressed by the compressor 105 through the intake housing 104.
  • the compressed air provided at the turbine-side end of the compressor 105 is supplied to the burners 107 where it is mixed with a fuel.
  • the mixture is then burned to form the working fluid 113 in the combustion chamber 110.
  • the working medium 113 flows along the hot gas channel 111 past the guide vanes 130 and the rotor blades 120.
  • the working medium 113 expands in a pulse-transmitting manner so that the rotor blades 120 drive the rotor 103 and drive the machine coupled to it.
  • the components exposed to the hot working medium 113 are subject to thermal loads during operation of the gas turbine 100.
  • the guide vanes 130 and rotor blades 120 of the first turbine stage 112, viewed in the flow direction of the working medium 113, are subjected to the greatest thermal stress in addition to the heat shield elements lining the annular combustion chamber 110.
  • substrates of the components may have a directional structure, i. they are monocrystalline (SX structure) or have only longitudinal grains (DS structure).
  • iron-, nickel- or cobalt-based superalloys are used as the material for the components, in particular for the turbine blade 120, 130 and components of the combustion chamber 110.
  • Such superalloys are for example from EP 1 204 776 B1 .
  • EP 1 306 454 .
  • the blades 120, 130 may be anti-corrosion coatings (MCrAlX; M is at least one element of the group iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni), X is an active element and is yttrium (Y) and / or silicon , Scandium (Sc) and / or at least one element of the rare earth or hafnium).
  • M is at least one element of the group iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni)
  • X is an active element and is yttrium (Y) and / or silicon , Scandium (Sc) and / or at least one element of the rare earth or hafnium).
  • Such alloys are known from the EP 0 486 489 B1 .
  • EP 0 412 397 B1 or EP 1 306 454 A1 are known from the EP 0 486 489 B1 .
  • MCrAlX may still be present a thermal barrier coating, and consists for example of ZrO 2 , Y 2 O 3 -ZrO 2 , ie it is not, partially or completely stabilized by yttria and / or calcium oxide and / or magnesium oxide.
  • Electron beam evaporation produces stalk-shaped grains in the thermal barrier coating.
  • the vane 130 has a guide vane foot (not shown here) facing the inner casing 138 of the turbine 108 and a vane head opposite the vane root.
  • the vane head faces the rotor 103 and fixed to a mounting ring 140 of the stator 143.

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Abstract

Durch die Verwendung einer äußeren keramischen Schicht (19) mit einer höheren Porosität und die Einbringung von Löchern und Vertiefungen in die äußerste porösere keramische Wärmedämmschicht werden in einfacher Art und Weise Laufschichten hergestellt, die gleiche oder verbesserte Eigenschaften aufweisen und günstiger sind.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Schichtsystem, bei dem eine zweilagige keramische Wärmedämmschicht vorhanden ist, bei dem in der äußersten keramischen Schicht Vertiefungen eingebracht werden, wodurch das abrasive Verhalten verbessert wird.
  • Keramische Schichtsysteme auf Substraten mit zwischenliegenden metallischer Haftvermittlerschicht sind Stand der Technik.
  • Darüber hinaus gibt es dann noch zusätzliche Beschichtungen auf der keramischen Wärmedämmschicht, die eine andere Zusammensetzung aufweisen oder ein Honigwabensystem aufweisen und sogenannte Einlaufschichten ("abradable") darstellen.
  • Jedoch kommt es manchmal zum Abplatzen dieser Einlaufschicht.
  • Es ist daher Aufgabe der Erfindung ein System aufzuzeigen, bei dem oben genanntes Problem verhindert wird.
  • Die Aufgabe wird gelöst durch ein Schichtsystem gemäß Anspruch 1.
  • In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Maßnahmen gelistet, die beliebig miteinander kombiniert werden können, um weitere Vorteile zu erzielen.
  • Es zeigen:
    • Figuren 1, 2
    ein erfindungsgemäßes Schichtsystem,
    Figur 3
    eine Turbinenschaufel,
    Figur 4
    eine Liste von Superlegierungen und
    Figur 5
    eine Gasturbine.
  • Die Figuren und die Beschreibung stellen nur Ausführungsbeispiele der Erfindung dar.
  • In Figur 1 ist ein erfindungsgemäßes Schichtsystem 1 dargestellt.
  • Das Schichtsystem 1 weist ein Substrat 4 auf.
  • Das Substratmaterial ist insbesondere eine nickel- oder kobaltbasierte Superlegierung, ganz insbesondere eine Legierung gemäß Figur 4.
  • Auf dem Substrat 4 kann, muss aber nicht, eine metallische Haftvermittlerschicht 7 vorhanden sein, die Nickel-Aluminide, Platin-Aluminide oder vorzugsweise eine MCrAlX-Legierung aufweist.
  • Auf dieser metallischen Haftvermittlerschicht 7 oder auf dem Substrat 4 ist vorzugsweise vor dem Aufbringen einer keramischen Schicht, eine Aluminiumoxidschicht (TGO) gewachsen oder sie wird bewusst erzeugt, wohingegen sie im Einsatz auf jeden Fall generiert wird (TGO nicht dargestellt).
  • Auf die dann gegebenenfalls vorhandene MCrAlX-Schicht 7 oder TGO wird eine zumindest zweilagige keramische Wärmedämmschicht 13 in bekannter Weise aufgebracht.
  • Auf eine innere keramische Wärmedämmschicht 16 wird eine deutlich porösere äußerste Wärmedämmschicht 19 aufgebracht, die eine zweilagige Wärmedämmschicht 13 bilden.
  • Deutlich poröser bedeutet, dass der absolute Unterschied in der Porosität mindestens 2 vol%, insbesondere mindestens 4 vol% beträgt. (Beispiel: Porosität von innerer Schicht 13: 8 vol%, dann Porosität von äußerer Schicht 19: ≥ 12 vol%). Die Porosität der äußersten Schicht 19 beträgt maximal 40%.
  • Dabei wird für die Wärmedämmschichten 16, 19 vorzugsweise das gleiche Material verwendet.
  • Darüber hinaus werden von der Oberfläche 22 der äußersten keramischen Schicht 19 aus zumindest in die äußerste keramische Schicht 19 Löcher 20 (Sacklöcher) oder linienförmige Vertiefungen 21 (Figur 2) eingebracht.
  • Die Löcher 20 und/oder Vertiefungen 21 stellen keine Risse dar.
  • Die Löcher 20 weisen vorzugsweise einen konstanten Querschnitt auf (in Richtung 25 der Schichtdicke gesehen). Ebenso sind die Vertiefungen 21 vorzugsweise gleichförmig ausgebildet, weisen also einen konstanten Querschnitt im Querschnitt parallel zur Richtung 25 auf.
  • Die Löcher 20 und/oder Vertiefungen 21 erstrecken sich vorzugsweise parallel in einer senkrechten Richtung 25 zum Substrat 4.
  • Die Herstellung der Löcher 20 oder Vertiefungen 21 kann auf mehrere Arten erfolgen, insbesondere durch nachträgliches Laserbearbeiten oder direkt während der Beschichtung.
  • Die Löcher 20 und/oder Vertiefungen 21 sind vorzugsweise gleichmäßig verteilt über die Oberfläche 22 oder einen Oberflächenbereich, insbesondere dort wo eine Kontaktfläche für den Einsatz gegeben ist.
  • Die linienförmigen Vertiefungen 21 und/oder Löcher 20 dienen vorzugsweise dazu, die Kontaktfläche zwischen einer Schaufelspitze einer Turbinenschaufel 120, und dem Gehäuse einer Gasturbine 100 oder generell zwischen zwei sich gegeneinander bewegenden Komponenten zu reduzieren.
  • Darüber hinaus reduziert es die Härte und erzeugt definierte Flächen beim Abplatzen, so dass eine Delamination sich nicht über eine größere Fläche erstrecken kann.
  • Wie vorzugsweise in Figur 1 dargestellt, können sich die Löcher 20 und/oder die linienförmigen Vertiefungen 21 ebenfalls bis in die innere dichtere keramische Wärmedämmschicht 16 erstrecken.
  • Die Löcher 20 und/oder Vertiefungen 21 erstrecken sich aber vorzugsweise nicht bis zur metallischen Haftvermittlerschicht 7 oder bis zum Substrat 4 bzw. nicht bis zur TGO.
  • Höhere Porositäten für die äußere Wärmedämmschicht 19 können vorzugsweise sehr einfach durch Veränderung der Spritzparameter erreicht werden.
  • Vorzugsweise werden HVOF oder Plasmaspritzverfahren (APS, VPS, LPPS) für die Herstellung beider keramischen Schichten 16, 19 verwendet.
  • Insbesondere, wenn die keramischen Schichten 16, 19 dasselbe Material aufweisen, kommt es zu keinen thermischen Spannungen zwischen den unterschiedlichen Materialien der keramischen Schichten 16, 19 wie im Stand der Technik.
  • Die Figur 3 zeigt in perspektivischer Ansicht eine Laufschaufel 120 oder Leitschaufel 130 einer Strömungsmaschine, die sich entlang einer Längsachse 121 erstreckt.
  • Die Strömungsmaschine kann eine Gasturbine eines Flugzeugs oder eines Kraftwerks zur Elektrizitätserzeugung, eine Dampfturbine oder ein Kompressor sein.
  • Die Schaufel 120, 130 weist entlang der Längsachse 121 aufeinander folgend einen Befestigungsbereich 400, eine daran angrenzende Schaufelplattform 403 sowie ein Schaufelblatt 406 und eine Schaufelspitze 415 auf.
  • Als Leitschaufel 130 kann die Schaufel 130 an ihrer Schaufelspitze 415 eine weitere Plattform aufweisen (nicht dargestellt).
  • Im Befestigungsbereich 400 ist ein Schaufelfuß 183 gebildet, der zur Befestigung der Laufschaufeln 120, 130 an einer Welle oder einer Scheibe dient (nicht dargestellt).
  • Der Schaufelfuß 183 ist beispielsweise als Hammerkopf ausgestaltet. Andere Ausgestaltungen als Tannenbaum- oder Schwalbenschwanzfuß sind möglich.
  • Die Schaufel 120, 130 weist für ein Medium, das an dem Schaufelblatt 406 vorbeiströmt, eine Anströmkante 409 und eine Abströmkante 412 auf.
  • Bei herkömmlichen Schaufeln 120, 130 werden in allen Bereichen 400, 403, 406 der Schaufel 120, 130 beispielsweise massive metallische Werkstoffe, insbesondere Superlegierungen verwendet.
  • Solche Superlegierungen sind beispielsweise aus der EP 1 204 776 B1 , EP 1 306 454 , EP 1 319 729 A1 , WO 99/67435 oder WO 00/44949 bekannt.
  • Die Schaufel 120, 130 kann hierbei durch ein Gussverfahren, auch mittels gerichteter Erstarrung, durch ein Schmiedeverfahren, durch ein Fräsverfahren oder Kombinationen daraus gefertigt sein.
  • Werkstücke mit einkristalliner Struktur oder Strukturen werden als Bauteile für Maschinen eingesetzt, die im Betrieb hohen mechanischen, thermischen und/oder chemischen Belastungen ausgesetzt sind.
  • Die Fertigung von derartigen einkristallinen Werkstücken erfolgt z.B. durch gerichtetes Erstarren aus der Schmelze. Es handelt sich dabei um Gießverfahren, bei denen die flüssige metallische Legierung zur einkristallinen Struktur, d.h. zum einkristallinen Werkstück, oder gerichtet erstarrt.
  • Dabei werden dendritische Kristalle entlang dem Wärmefluss ausgerichtet und bilden entweder eine stängelkristalline Kornstruktur (kolumnar, d.h. Körner, die über die ganze Länge des Werkstückes verlaufen und hier, dem allgemeinen Sprachgebrauch nach, als gerichtet erstarrt bezeichnet werden) oder eine einkristalline Struktur, d.h. das ganze Werkstück besteht aus einem einzigen Kristall. In diesen Verfahren muss man den Übergang zur globulitischen (polykristallinen) Erstarrung meiden, da sich durch ungerichtetes Wachstum notwendigerweise transversale und longitudinale Korngrenzen ausbilden, welche die guten Eigenschaften des gerichtet erstarrten oder einkristallinen Bauteiles zunichte machen.
  • Ist allgemein von gerichtet erstarrten Gefügen die Rede, so sind damit sowohl Einkristalle gemeint, die keine Korngrenzen oder höchstens Kleinwinkelkorngrenzen aufweisen, als auch Stängelkristallstrukturen, die wohl in longitudinaler Richtung verlaufende Korngrenzen, aber keine transversalen Korngrenzen aufweisen. Bei diesen zweitgenannten kristallinen Strukturen spricht man auch von gerichtet erstarrten Gefügen (directionally solidified structures).
  • Solche Verfahren sind aus der US-PS 6,024,792 und der EP 0 892 090 A1 bekannt.
  • Ebenso können die Schaufeln 120, 130 Beschichtungen gegen Korrosion oder Oxidation aufweisen, z. B. (MCrAlX; M ist zumindest ein Element der Gruppe Eisen (Fe), Kobalt (Co), Nickel (Ni), X ist ein Aktivelement und steht für Yttrium (Y) und/oder Silizium und/oder zumindest ein Element der Seltenen Erden, bzw. Hafnium (Hf)). Solche Legierungen sind bekannt aus der EP 0 486 489 B1 , EP 0 786 017 B1 , EP 0 412 397 B1 oder EP 1 306 454 A1 .
  • Die Dichte liegt vorzugsweise bei 95% der theoretischen Dichte.
  • Auf der MCrAlX-Schicht (als Zwischenschicht oder als äußerste Schicht) bildet sich eine schützende Aluminiumoxidschicht (TGO = thermal grown oxide layer).
  • Vorzugsweise weist die Schichtzusammensetzung Co-30Ni-28Cr-8Al-0,6Y-0,7Si oder Co-28Ni-24Cr-10Al-0,6Y auf. Neben diesen kobaltbasierten Schutzbeschichtungen werden auch vorzugsweise nickelbasierte Schutzschichten verwendet wie Ni-10Cr-12Al-0,6Y-3Re oder Ni-12Co-21Cr-11Al-0,4Y-2Re oder Ni-25Co-17Cr-10A1-0,4Y-1,5Re.
  • Auf der MCrAlX kann noch eine Wärmedämmschicht vorhanden sein, die vorzugsweise die äußerste Schicht ist, und besteht beispielsweise aus ZrO2, Y2O3-ZrO2, d.h. sie ist nicht, teilweise oder vollständig stabilisiert durch Yttriumoxid und/oder Kalziumoxid und/oder Magnesiumoxid.
  • Die Wärmedämmschicht bedeckt die gesamte MCrAlX-Schicht. Durch geeignete Beschichtungsverfahren wie z.B. Elektronenstrahlverdampfen (EB-PVD) werden stängelförmige Körner in der Wärmedämmschicht erzeugt.
  • Andere Beschichtungsverfahren sind denkbar, z.B. atmosphärisches Plasmaspritzen (APS), LPPS, VPS oder CVD. Die Wärmedämmschicht kann poröse, mikro- oder makrorissbehaftete Körner zur besseren Thermoschockbeständigkeit aufweisen. Die Wärmedämmschicht ist also vorzugsweise poröser als die MCrAlX-Schicht.
  • Wiederaufarbeitung (Refurbishment) bedeutet, dass Bauteile 120, 130 nach ihrem Einsatz gegebenenfalls von Schutzschichten befreit werden müssen (z.B. durch Sandstrahlen). Danach erfolgt eine Entfernung der Korrosions- und/oder Oxidationsschichten bzw. -produkte. Gegebenenfalls werden auch noch Risse im Bauteil 120, 130 repariert. Danach erfolgt eine Wiederbeschichtung des Bauteils 120, 130 und ein erneuter Einsatz des Bauteils 120, 130.
  • Die Schaufel 120, 130 kann hohl oder massiv ausgeführt sein. Wenn die Schaufel 120, 130 gekühlt werden soll, ist sie hohl und weist ggf. noch Filmkühllöcher 418 (gestrichelt angedeutet) auf.
  • Die Figur 5 zeigt beispielhaft eine Gasturbine 100 in einem Längsteilschnitt.
  • Die Gasturbine 100 weist im Inneren einen um eine Rotationsachse 102 drehgelagerten Rotor 103 mit einer Welle 101 auf, der auch als Turbinenläufer bezeichnet wird.
  • Entlang des Rotors 103 folgen aufeinander ein Ansauggehäuse 104, ein Verdichter 105, eine beispielsweise torusartige Brennkammer 110, insbesondere Ringbrennkammer, mit mehreren koaxial angeordneten Brennern 107, eine Turbine 108 und das Abgasgehäuse 109.
  • Die Ringbrennkammer 110 kommuniziert mit einem beispielsweise ringförmigen Heißgaskanal 111. Dort bilden beispielsweise vier hintereinander geschaltete Turbinenstufen 112 die Turbine 108.
  • Jede Turbinenstufe 112 ist beispielsweise aus zwei Schaufelringen gebildet. In Strömungsrichtung eines Arbeitsmediums 113 gesehen folgt im Heißgaskanal 111 einer Leitschaufelreihe 115 eine aus Laufschaufeln 120 gebildete Reihe 125.
  • Die Leitschaufeln 130 sind dabei an einem Innengehäuse 138 eines Stators 143 befestigt, wohingegen die Laufschaufeln 120 einer Reihe 125 beispielsweise mittels einer Turbinenscheibe 133 am Rotor 103 angebracht sind.
  • An dem Rotor 103 angekoppelt ist ein Generator oder eine Arbeitsmaschine (nicht dargestellt).
  • Während des Betriebes der Gasturbine 100 wird vom Verdichter 105 durch das Ansauggehäuse 104 Luft 135 angesaugt und verdichtet. Die am turbinenseitigen Ende des Verdichters 105 bereitgestellte verdichtete Luft wird zu den Brennern 107 geführt und dort mit einem Brennmittel vermischt. Das Gemisch wird dann unter Bildung des Arbeitsmediums 113 in der Brennkammer 110 verbrannt. Von dort aus strömt das Arbeitsmedium 113 entlang des Heißgaskanals 111 vorbei an den Leitschaufeln 130 und den Laufschaufeln 120. An den Laufschaufeln 120 entspannt sich das Arbeitsmedium 113 impulsübertragend, so dass die Laufschaufeln 120 den Rotor 103 antreiben und dieser die an ihn angekoppelte Arbeitsmaschine.
  • Die dem heißen Arbeitsmedium 113 ausgesetzten Bauteile unterliegen während des Betriebes der Gasturbine 100 thermischen Belastungen. Die Leitschaufeln 130 und Laufschaufeln 120 der in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums 113 gesehen ersten Turbinenstufe 112 werden neben den die Ringbrennkammer 110 auskleidenden Hitzeschildelementen am meisten thermisch belastet.
  • Um den dort herrschenden Temperaturen standzuhalten, können diese mittels eines Kühlmittels gekühlt werden.
  • Ebenso können Substrate der Bauteile eine gerichtete Struktur aufweisen, d.h. sie sind einkristallin (SX-Struktur) oder weisen nur längsgerichtete Körner auf (DS-Struktur).
  • Als Material für die Bauteile, insbesondere für die Turbinenschaufel 120, 130 und Bauteile der Brennkammer 110 werden beispielsweise eisen-, nickel- oder kobaltbasierte Superlegierungen verwendet.
  • Solche Superlegierungen sind beispielsweise aus der EP 1 204 776 B1 , EP 1 306 454 , EP 1 319 729 A1 , WO 99/67435 oder WO 00/44949 bekannt.
  • Ebenso können die Schaufeln 120, 130 Beschichtungen gegen Korrosion (MCrAlX; M ist zumindest ein Element der Gruppe Eisen (Fe), Kobalt (Co), Nickel (Ni), X ist ein Aktivelement und steht für Yttrium (Y) und/oder Silizium, Scandium (Sc) und/oder zumindest ein Element der Seltenen Erden bzw. Hafnium). Solche Legierungen sind bekannt aus der EP 0 486 489 B1 , EP 0 786 017 B1 , EP 0 412 397 B1 oder EP 1 306 454 A1 .
  • Auf der MCrAlX kann noch eine Wärmedämmschicht vorhanden sein, und besteht beispielsweise aus ZrO2, Y2O3-ZrO2, d.h. sie ist nicht, teilweise oder vollständig stabilisiert durch Yttriumoxid und/oder Kalziumoxid und/oder Magnesiumoxid.
  • Durch geeignete Beschichtungsverfahren wie z.B. Elektronenstrahlverdampfen (EB-PVD) werden stängelförmige Körner in der Wärmedämmschicht erzeugt.
  • Die Leitschaufel 130 weist einen dem Innengehäuse 138 der Turbine 108 zugewandten Leitschaufelfuß (hier nicht dargestellt) und einen dem Leitschaufelfuß gegenüberliegenden Leitschaufelkopf auf. Der Leitschaufelkopf ist dem Rotor 103 zugewandt und an einem Befestigungsring 140 des Stators 143 festgelegt.

Claims (14)

  1. Schichtsystem (1),
    das zumindest aufweist:
    ein Substrat (4),
    optional eine metallische Haftvermittlerschicht (7) auf dem Substrat (4),
    eine innere keramische Wärmedämmschicht (16) mit einer inneren Porosität
    entweder auf dem Substrat (4) oder auf der Haftvermittlerschicht (13) und
    eine äußerste keramische Wärmedämmschicht (19) mit einer äußeren Porosität
    auf der inneren keramischen Wärmedämmschicht (16),
    wobei die äußerste Wärmedämmschicht (19) eine um mindestens 2% absolut höhere Porosität aufweist als die innere keramische Wärmedämmschicht (16) und
    wobei die äußere keramische Wärmedämmschicht (19) mehrere Löcher (20) und/oder mehrere linienförmigen Vertiefungen (21)
    ausgehend von der äußeren Oberfläche (22) der äußersten keramischen Wärmedämmschicht (19) aufweist,
    die sich in die Tiefe der äußersten Wärmedämmschicht (19) und/oder der inneren Wärmedämmschichten (16) hinein erstrecken.
  2. Schichtsystem nach Anspruch 1,
    bei dem zumindest einige,
    insbesondere höchstens einige,
    ganz insbesondere alle Löcher (20) und/oder Vertiefungen (21) sich nur innerhalb der äußersten keramischen Wärmedämmschicht (19) erstrecken.
  3. Schichtsystem nach einem oder beiden der Ansprüche 1 oder 2,
    bei dem sich zumindest einige,
    insbesondere höchstens einige,
    ganz insbesondere alle Löcher (20) und/oder Vertiefungen (21) höchstens bis in die innere keramische Wärmedämmschicht (16) erstrecken.
  4. Schichtsystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3,
    bei dem eine metallische Haftvermittlerschicht (7) zwischen Substrat (4) und innerer keramischer Wärmedämmschicht (16) vorhanden ist,
    insbesondere die (7) eine MCrAlX-Legierung aufweist.
  5. Schichtsystem einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4,
    bei dem das Substrat (4) eine nickel- oder kobaltbasierte Superlegierung aufweist.
  6. Schichtsystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2, 3, 4 oder 5,
    bei dem die innen liegende keramische Wärmedämmschicht (16) und die äußerste keramische Wärmedämmschicht (19) die gleiche Zusammensetzung aufweisen.
  7. Schichtsystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5,
    bei dem die innen liegende keramische Wärmedämmschicht (16) und die äußerste keramische Wärmedämmschicht (19) verschiedene Zusammensetzungen aufweisen,
    insbesondere eine innen liegende Zirkonoxidschicht (16) und ganz insbesondere eine äußere Pyrochlorschicht (19).
  8. Schichtsystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2, 3, 4, 5, 6 oder 7,
    bei dem das Schichtsystem (1) nur zwei keramische Schichten (16, 19) aufweist.
  9. Schichtsystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8,
    bei dem sich die Löcher (20) oder Vertiefungen (21) nicht bis zum Substrat (4) oder
    nicht bis zur Haftvermittlerschicht (7) oder
    nicht bis zur TGO
    erstrecken.
  10. Schichtsystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9,
    bei dem die Löcher (20) und/oder Vertiefungen (21) keine Risse darstellen.
  11. Schichtsystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10,
    bei dem die Löcher (20) in der Richtung (25) der Schichtdicke einen konstanten Querschnitt aufweisen.
  12. Schichtsystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11,
    bei dem die Vertiefungen (21) im Querschnitt parallel zur Richtung (25) der Schichtdicke einen konstanten Querschnitt aufweisen.
  13. Schichtsystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12,
    bei dem sich die Löcher (20) und/oder die Vertiefungen (21) parallel zu einer Senkrechten (25) der Oberfläche (22) erstrecken.
  14. Schichtsystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 13,
    bei dem die Löcher (20) und/oder die Vertiefungen (21) über die Oberfläche (22) oder einen Oberflächenbereich gleichmä-βig verteilt sind.
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