WO2018072970A1 - Keramische hitzeschilde mit oberflächeninfiltration zur vermeidung von korrosion und erosionsangriffen - Google Patents

Keramische hitzeschilde mit oberflächeninfiltration zur vermeidung von korrosion und erosionsangriffen Download PDF

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heat shield
infiltration
porous ceramic
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Marco Reinger
Werner Stamm
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    • F23M2900/05004—Special materials for walls or lining

Definitions

  • the invention relates to a ceramic heat shield for a gas turbine.
  • a ceramic heat shield for a gas turbine By infiltration of a highly porous ceramic surface is achieved that the porosity of the ceramic is significantly reduced at the surface and thus corrosion ⁇ products can not penetrate. At the same time, the internal porosity is retained. This increases the service life.
  • a smoothing of the surface enables improved chemical bonding of a further surface protective layer. As a result, the life of the ceramic can be significantly improved again.
  • the high temperatures ( ⁇ 1873K gas temperature) generated during operation inside gas turbines are shielded by ceramic heat shields along the hot gas path, especially in the area of the combustion chamber.
  • the ceramic shields are made of sintered mullite with an open porosity of 15% to 17%.
  • the ceramic heat shields show during loading ⁇ drive insert corrosion and erosion on its side facing the hot gas side. This process is due to the corrosion of the mullite contained in the ceramic material, which is converted into secondary corundum in contact with the hot gas. This secondary corundum in turn has a lower mechanical strength than the surrounding ceramic material and is therefore removed from the hot gas flow. Larger structural components are exposed until they finally come out of the surface of the ceramic heat shield and are carried away by the hot gas. The exposed particles can cause damage to the protective coatings of the turbine blades (Thermal Barrier Coating - TBC). which can reduce the life of the turbine blades.
  • Aluminum oxide is significantly more resistant to heat gas than mullite, but has significant adhesion problems under the coating conditions mentioned.
  • the aluminum oxide coating can be applied to the heat shield by a slip spray method or a flame spray method. In this case, usually a coating of about 300 micrometers thickness is applied.
  • An applied by slurry-spray method Aluminiumoxidbeschich- tung shows a relatively fine-grained structure, which tends during loading ⁇ operating the gas turbine for resintering to cracking and early sanding.
  • the coating becomes relatively dense and brittle, which is why it can not follow the deformations of the ceramic heat shield during operation of the gas turbine. This also leads to cracking and progressive detachment of the coating. For these reasons, the life of such aluminum coatings is limited to about 8000 operating hours, with gas turbines that reach very high hot gas temperatures, is still assumed to be significantly short lifetimes.
  • the coating itself is another source of particles with the above ⁇ be signed negative effects on the turbine blades is and prolongs the life of the ceramic heat shields only insufficiently.
  • the invention therefore has for its object to provide ceramic heat shields with increased life. Summary of the invention
  • the ceramic heat shield has a porous ceramic body to always obtain the strain tolerance of the overall system and has according to the invention, an infiltration coating on which is attached ⁇ arranged in a surface layer of the porous ceramic body and containing an infiltration coating material which is adapted to the pores of the ceramic body at the to close upper ⁇ area largely.
  • the infiltration coating penetrates into the pores of the ceramic body and closes this largely so that the hot gas is only partly a ⁇ penetrate the ceramic heat shield. Corrosion or erosion of the ceramic material of the porous ceramic body and thus of the heat shield does not take place any more or is at least severely limited. There are no or fewer ceramic particles dissolve from the ceramic heat shield, which also causes correspondingly less damage to the TBC layers of the turbine blades.
  • the porous ceramic body contains mullite or alumina or consists of mullite or alumina.
  • a suitable material for the porous ceramic body is e.g. the material manufactured by Siemens under the name "SiCerm E100".
  • the infiltration material is yttrium aluminum garnet (YAG).
  • YAG yttrium aluminum garnet
  • the YAG can be prepared via sol-gel or pre-reacted YAG or melt stabilization. It is likewise possible with preference to use Al 2 O 3 or aluminum zirconate or similar systems.
  • ⁇ yttrium aluminum garnet (YAG) has the advantage over other compounds nor the advantage that the thermal expansion coefficient is almost identical to that of alumina. The better the thermal expansion coefficients of infiltration coating and ceramic body are matched, the lower the risk of erosion due to hot gas, so a combination of aluminum oxide for the porous ceramic body and YAG for the infiltration coating is considered particularly advantageous.
  • the concentration of Schlickers / sol is adjusted to the pore size. In order for the material to penetrate into the porosity, the aim is to have a particle size smaller than 1 ⁇ m, with a particle size of 500 nm to 100 nm being optimal.
  • the concentration of the infiltration material can be measured from the surface of the ceramic heat shield to the depth of the
  • Remove heat shield This forms a continuous transition between the system infiltration coating / ceramic up to that of the ceramic body. This is particularly advantageous because the hot gas attack occurs from the surface of the ceramic heat shield. In particular, no boundary layer between the Infiltrationscoating- forming material (e.g., YAG) and the material of the ceramic body ⁇ (for example corundum), which could cause undesirable stresses or inhomogeneities.
  • Infiltrationscoating- forming material e.g., YAG
  • the material of the ceramic body ⁇ for example corundum
  • the infiltration coating preferably has a thickness of at least 400 microns. Lower depths lead to a reduced protection of the ceramic body of the heat shield. The optimum thickness must be determined based on the real load conditions of the corresponding machine type.
  • the surface layer may extend over an end surface of the porous ceramic body and over side surfaces of the porous ceramic body.
  • This represents a further advantage of the invention compared to conventional coatings is because these require an order of typically 200 to 400 Mik ⁇ rometern coating material, whereby a coating-between adjacent ceramic heat shields was not feasible because of the changed by the coating dimensions of the heat shields.
  • the infiltration coating of the invention penetrates into the porous ceramic body of the heat shield and passes through the surface layer, whereby the dimensions of the ceramic heat shield remain unchanged and also the sporadically penetrating hot gas exposed side surfaces of the ceramic heat shield can be protected.
  • a second aspect of the invention relates to the procedure for producing an infiltration layer.
  • the invention also describes a method for producing an improved ceramic heat shield for a gas turbine.
  • the entire process has at least the following
  • the infiltration coating contains an infiltration coating material to prevent it ⁇ it enables, pores of the ceramic body largely to 29lie ⁇ SEN and internal corrosion attacks.
  • a ceramic heat shield for a gas turbine having an extended life can be manufactured.
  • the infiltration coating mate rial ⁇ preferably YAG
  • mate rial ⁇ penetrates into the pores of the porous body are then closed and closes this Kera ⁇ largely, so that the flowing during operation in the gas turbine hot gas may only minimally penetrate into the ceramic heat shield. This prevents chemical processes that lead to erosion of the heat shields.
  • the stone is infiltrated several times in a container with about 38mbar negative pressure (due to the desired penetration depth).
  • the penetration depth can be vari ⁇ ated and controlled until complete infiltration the freely accessible porosity of the combustion chamber brick. The remaining open porosity ensures further thermal shock stability.
  • the stone is then fired in a subsequent firing operation to produce a crystalline reaction of the YAG and a crystalline compound with the sintered mullite.
  • Different reaction phases and transition phases and YAG dendrites form between mullite and the infiltration slime.
  • the corresponding structures are shown in Figure 4a, 4b (see at the end of the application).
  • the production of the infiltration coatings comprises-as described above-a step of immersing the porous ceramic body in a suspension containing the infiltration coating material (often referred to as "slurry")
  • a suspension containing the infiltration coating material often referred to as "slurry"
  • This method of applying the infiltration coating material to the porous ceramic body in the vacuum is simple and efficient to carry out industrially, leads to uniform results and can be scaled to large numbers of heat shields ..
  • immersion is here not only moving the porous ceramic body in the panoramicge ⁇ set suspension, but, for example, a passing of the suspension comparable stood on a provided ceramic body so that the ceramic body is at least partially covered from the suspension when stationary quasi ⁇ stationary have (in the case of a continuous pumping and Abpum ⁇ pens of the suspension) adjusted conditions or.
  • the porous ceramic body is preferably scanned for a predetermined period of time. Over the predetermined period of time, the penetration depth of the infiltration coating material into the porous ceramic body is decisive. and thus determines the thickness of the infiltration coating. Here, longer periods lead to a deeper penetration, but slow down the manufacturing process. In short space of time the infiltration coating material can penetrate back up far enough into the porous ceramic body, whereby the protective effect of the infiltration Coatings is re ⁇ cuted. Therefore, a predetermined period of time is considered appropriate, in which the thickness of the infiltration ⁇ coatings should be on the order of 400 microns.
  • the inventive method may include prior to the immersion of the porous ceramic body in the suspension via a step of masking a portion of a surface of the porous ceramic body ⁇ .
  • the masking can be done for example by masking with adhesive tape or by applying wax or the like.
  • the infiltration coating material can be selectively introduced into the porous ceramic body, which has a particularly advantageous effect on the material consumption. For example, not exposed to the hot gas back of the heat shield can be masked ⁇ to.
  • the process described here includes a work step for preparing the suspension.
  • the step of preparing the suspension may include a step of fusing and melt stabilizing the infiltration coating material.
  • the step of preparing the suspension comprises a step of grinding the infiltrating material into the sub-micron range.
  • the so finely ground infiltration material can penetrate into the pores of the ceramic body and close it.
  • the size of the particles of infiltration coating material must be a ⁇ times smaller so that the suspension penetrating into the pores and channels can close, they also have an influence on the depth of penetration into the porous ceramic body.
  • the concentration of the infiltration coating material in the upper surface layer of the ceramic heat shield can be determined via the corresponding content of the crushed infiltration coating material in the suspension can be adjusted.
  • a step of firing the porous ceramic body is performed after the step of immersing in the suspension.
  • the firing permanently bonds the infiltration coating material to the porous ceramic body.
  • the step of firing may be advantageous according to a previously used for the production of ceramic heat shields firing. That means known
  • the step of immersing the ceramic body in the suspension can be easily extended, the hitherto used tools and methods can be used otherwise unchanged.
  • the burning can take place at a temperature of at least 1250 degrees Celsius. Generally, temperatures above about 1450 degrees Celsius are applicable. In the production of ceramic heat shields firing temperatures above 1500 degrees Celsius are common, so that these conventional Brenn ⁇ operations unchanged meet the requirements of the method according to the invention.
  • the burning can be for a period of about two hours.
  • the step of providing the porous ceramic body may include steps of mixing a ceramic body raw material, molding, setting, and drying. This corresponds to current production steps for conventional ceramic heat shields, so that existing Her ⁇ provisioning processes can be adapted easily to the invention.
  • the method may include steps of weighing the ceramic body to monitor the progress or success of the process. For example, a weight of the ceramic body before and after immersion in the suspension can be compared to determine the amount of infiltrant introduced into the ceramic body.
  • the ceramic body may be re-immersed in the suspension if the weight gain is less than expected.
  • a change in weight can be monitored by a final burning process.
  • the ceramic body can be weighed before and after firing.
  • the real mass gain can be determined by the introduction of the infiltration coating.
  • the invention also relates to a refurbishment method with the steps:
  • the inventive process can also be carried out after surface cleaning of a component subject to operating conditions.
  • Heat shields are equipped.
  • the heat shield production method according to the invention it is particularly possible, using the heat shield production method according to the invention, to provide the heat shield removed from the gas turbine to be processed with an infiltration coating and to remove this heat shield in the same gas turbine from which it was taken , or to install in another gas turbine. Coating of the infiltrated surface
  • the infiltrated surface has a very smooth surface and the existing cracks are largely smoothed.
  • Additional coating with a protective coating can increase the service life.
  • a protective layer applied ⁇ the.
  • various methods such as ARC sputtering, PVD evaporation or coating with the plasma gun can be used. However, it must be ensured that the binding of the outer layer to the substrate contains chemical interaction potentials in order to obtain the required binding.
  • Figure 1 shows an exemplary gas turbine 100 in a longitudinal ⁇ partial section
  • FIG. 2 shows a combustion chamber 110 of a gas turbine
  • Figure 3 shows an embodiment of an inventive
  • FIG. 4 shows an exemplary embodiment of a production device
  • FIG. 1 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. In the flow direction of a working medium
  • a row 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 135 is sucked by the compressor 105 through the intake housing and ver ⁇ seals.
  • the loading 105 compressed air provided at the turbine end of the compressor is ge ⁇ leads 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 flows 113 along the hot gas channel 111 past the guide vanes 130 and the blades 120.
  • the working medium 113 expands in a pulse-transmitting manner, so that the blades 120 drive the rotor 103 and this drives 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 ceramic heat shields lining the annular combustion chamber 110. To withstand the prevailing temperatures, they can be cooled by means of a coolant.
  • substrates of the components may have a directional structure, i. they are monocrystalline (SX structure) or have only longitudinal grains (DS structure).
  • the components in particular for the turbine blade ⁇ 120, 130 and components of the combustion chamber 110, for example, iron-, nickel- or cobalt-based superalloys are used.
  • Such superalloys are known, for example, from EP 1 204 776 B1, EP 1 306 454, EP 1 319 729 A1, WO 99/67435 or WO 00/44949.
  • the blades 120, 130 may have coatings against corrosion or oxidation, e.g. B. 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 and / or at least one element of Rare earths or hafnium (Hf)).
  • 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 and / or at least one element of Rare earths or hafnium (Hf)).
  • Such alloys are known from EP 0 486 489 B1, EP 0 786 017 B1, EP 0 412 397 B1 or EP 1 306 454 A1.
  • TGO thermal grown oxide layer
  • thermal barrier coating which is preferably the outermost layer, and consists for example of Zr0 2 , Y2Ü3-Zr02, ie it is not, partially ⁇ or fully stabilized by yttria
  • the thermal barrier ⁇ layer preferably covers the entire MCrAlX layer.
  • FIG. 2 shows a combustion chamber 110 of a gas turbine.
  • the combustion chamber 110 is designed for example as a so- ⁇ internal chamber in which a plurality of spaced in the circumferential direction around a rotation axis 102. burners 107 open into a common combustion chamber space 154 and generate flames 156th
  • the combustion chamber 110 is configured in its entirety as an annular structure, which is positioned around the axis of rotation 102 around.
  • the combustion chamber 110 is designed for a comparatively high temperature of the working medium M of about 1000 degrees Celsius to 1600 degrees Celsius.
  • the combustion chamber wall 153 is provided on its side facing the working medium M side with an inner lining formed of ceramic heat shields 155.
  • FIG. 3 shows an embodiment of a ceramic heat shield 155 according to the invention.
  • the heat shield 155 is shown in a cross-sectional drawing and has, for example only on its side surfaces 13, a groove 14 and a spring 15, which can connect several adjacent heat shields 155 to an inner lining.
  • the heat shield 155 has a porous ceramic body 11, which is equipped according to the invention in a surface layer 12 with an infiltration coating.
  • the surface layer 12 extends in the example shown over the side surfaces 13 and an end face 16 of the ceramic heat shield 155, which is directly exposed to the hot gas in operation.
  • the infiltration coating preferably contains YAG and closes the pores of the ceramic body 11 so that hot gas can not penetrate into it.
  • a YAG-containing Suspen ⁇ sion may be passed over the surface of an alumina-containing ceramic body. During a subsequent firing process, the YAG trains the infiltration coating.
  • FIG. 4 shows an exemplary embodiment of a production device 20 for use in the method according to the invention.
  • the exemplary manufacturing device 20 has a process chamber 21, in which a porous ceramic body 11 or a plurality of such ceramic body 11 is provided.
  • the ceramic body 11 may, for example, be masked and / or supported on supports.
  • the process chamber 21 is connected to a vacuum pump 24, which can be used to pressurize the process chamber 21 after it has been closed. From a reservoir 22, which contains a supply of suspension, 25 is passed through a supply line 25 suspension in the process chamber 21 and thus on the ceramic body 11, so that the ceramic body 11 is immersed in the suspension.
  • the suspension is derived by a Ablei ⁇ tion 26 again from the process chamber 21, so that for the duration of performing the immersion of the ceramic body in the suspension, an approximately constant Adjusting the level of suspension in the process chamber.
  • the reservoir 22 can have a stirrer 23 which ensures uniform mixing of the suspension, so that as few particles of the infiltration coating material as possible settle within the reservoir 22, which would cause a variable concentration of the infiltration coating material in the suspension.
  • the supply of the suspension is interrupted and the amount of suspension present in the process chamber 21 is returned to the reservoir.
  • the ceramic body 11 can remain in the process chamber for a rest period while drying.
  • the chamber can then be pressurized with 1 bar of pressure after evacuation with negative pressure or applied in a further cycle with up to 5 bar in order to achieve a complete infiltration of the stones.
  • the ceramic body 11 is subsequently fired to form a heat shield, wherein the infiltration coating material drawn into the pores of the ceramic body 11 bonds firmly to the ceramic body 11 and in this way forms the desired advantageous infiltration coating.

Abstract

Die Erfindung führt einen verbesserten keramischen Hitzeschild (155) für eine Gasturbine (100) ein. Der keramische Hitzeschild (155) verfügt über einen porösen Keramikkörper (11) und weist erfindungsgemäß ein Infiltrationscoating (12) auf, das in einer Oberflächenschicht (12) des porösen Keramikkörpers (11) angeordnet ist und ein Infiltrationscoatingmaterial enthält, das dazu ausgebildet ist, Poren des Keramikkörpers (11) gasdicht zu verschließen.

Description

Keramische Hitzeschilde mit Oberflächeninfiltration zur Vermeidung von Korrosion und Erosionsangriffen
Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein keramisches Hitzeschild für eine Gasturbine. Durch die Infiltration einer hochporösen Keramikoberfläche wird erreicht, dass die Porosität der Keramik an der Oberfläche deutlich reduziert wird und somit Korrosions¬ produkte nicht eindringen können. Gleichzeitig bleibt die innere Porosität erhalten. Dadurch wird die Lebensdauer erhöht. Zusätzlich wird durch eine Glättung der Oberfläche eine verbesserte chemische Anbindung einer weiteren Oberflächen- Schutzschicht möglich. Dadurch kann nochmal die Lebensdauer der Keramik deutlich verbessert werden.
Technischer Hintergrund
Die beim Betrieb im Inneren von Gasturbinen entstehenden hohen Temperaturen (~ 1873K Gastemperatur) werden entlang des Heißgaspfades-insbesondere im Bereich der Brennkammer- durch keramische Hitzeschilde abgeschirmt. Die keramischen Schilde bestehen aus Sintermullit mit einer offenen Porosität von 15% bis 17%. Die keramischen Hitzeschilde zeigen während des Be¬ triebseinsatzes Korrosion und Erosion auf ihrer dem Heißgas zugewandten Seite. Dieser Prozess geht auf die Korrosion des im keramischen Material enthaltenen Mullits zurück, der im Kontakt mit dem Heißgas zu sekundärem Korund umgewandelt wird. Dieser sekundäre Korund wiederum hat eine geringere mechanische Festigkeit als das umgebende keramische Material und wird daher vom Heißgasstrom abgetragen. Dabei werden größere Gefügebestandteile freigelegt, bis sie sich schließlich aus der Oberfläche des keramischen Hitzeschildes herauslösen und von dem Heißgas fortgetragen werden. Die freigelegten Partikel können an den Schutzbeschichtungen der Turbinenschaufeln (Thermal Barrier Coating - TBC) Schäden verursa- chen, was die Lebensdauer der Turbinenschaufeln herabsetzen kann .
Zum Schutz der Steine ist bisher bekannt, die Heißgasseite der keramischen Hitzeschilde mit einer Plasmabeschichtung aus Aluminiumoxid zu versehen. Aluminiumoxid ist deutlich heiß- gasstabiler als Mullit, weist aber unter den genannten Be- schichtungsbedingungen deutliche Haftungsprobleme auf. Die Aluminiumoxidbeschichtung kann durch ein Schlicker-Spray- Verfahren oder ein Flammspritzverfahren auf den Hitzeschild aufgetragen werden. Hierbei wird üblicherweise eine Beschich- tung von etwa 300 Mikrometern Dicke aufgebracht. Eine durch Schlicker-Spray-Verfahren aufgebrachte Aluminiumoxidbeschich- tung zeigt eine relativ feinkörnige Struktur, die beim Be¬ trieb der Gasturbine zum Nachsintern, zu Rissbildung und frühzeitigen Absanden neigt. Wird hingegen ein Flammspritzverfahren verwendet, gerät die Beschichtung relativ dicht und spröde, weshalb sie den Deformationen des keramischen Hitze- Schildes während des Betriebs der Gasturbine nicht folgen kann. Dies führt auch hier zu Rissbildung und fortschreitendes Ablösen der Beschichtung. Aus diesen Gründen ist die Lebensdauer solcher Aluminiumbeschichtungen auf etwa 8000 Betriebsstunden begrenzt, wobei bei Gasturbinen, die besonders hohe Heißgastemperaturen erreichen, von noch deutlich geringen Lebensdauern auszugehen ist. Die Beschichtung stellt selbst eine weitere Quelle von Partikeln mit den oben be¬ schriebenen negativen Auswirkungen auf die Turbinenschaufeln dar und verlängert die Lebensdauer der keramischen Hitze- schilde nur unzureichend.
Die Erfindung macht es sich daher zur Aufgabe, keramische Hitzeschilde mit erhöhter Lebensdauer bereitzustellen. Zusammenfassung der Erfindung
Diese Erfindung betrifft daher in erster Linie eine Verbesse¬ rung des Oberflächenzustandes des keramischen Hitzeschildes, um einerseits das Eindringen von Korrosionsprodukten zu verhindern und um andererseits verbesserte Haftungsmöglichkeiten für Zusatzbeschichtungen zu ermöglichen. Das keramische Hitzeschild verfügt über einen porösen Keramikkörper, um grundsätzlich die Dehnungstoleranz des Gesamtsystems zu erhalten und weist erfindungsgemäß ein Infiltrationscoating auf, das in einer Oberflächenschicht des porösen Keramikkörpers ange¬ ordnet ist und ein Infiltrationscoatingmaterial enthält, das dazu ausgebildet ist, Poren des Keramikkörpers an der Ober¬ fläche weitgehendst zu verschließen.
Das Infiltrationscoating dringt in die Poren des Keramikkörpers ein und verschließt diese weitgehendst, so dass das Heißgas nur noch bedingt in das keramische Hitzeschild ein¬ dringen kann. Eine Korrosion beziehungsweise Erosion des keramischen Materials des porösen Keramikkörpers und damit des Hitzeschildes findet dadurch nicht mehr statt oder wird wenigstens stark eingeschränkt. Es lösen sich keine oder weniger keramische Partikel aus dem keramischen Hitzeschild, wodurch auch entsprechend weniger Beschädigungen der TBC- Schichten der Turbinenschaufeln verursacht werden.
Vorzugsweise enthält der poröse Keramikkörper Mullit oder Aluminiumoxid oder besteht aus Mullit oder Aluminiumoxid. Ein geeignetes Material für den porösen Keramikkörper stellt z.B. das von Siemens unter dem Namen „SiCerm E100" hergestellte Material dar.
Besonders bevorzugt besteht das Infiltrationsmaterial aus Yttriumaluminiumgranat (YAG) . Der YAG kann über Sol-Gel oder vorreagiertem YAG oder Schmelzstabilisierung hergestellt sein. Ebenso vorzugsweise kann AI2O3 oder auch Aluminium- zirkonat oder ähnliche Systeme verwendet werden. Yttrium¬ aluminiumgranat (YAG) hat gegenüber anderen Verbindungen noch den Vorteil, dass der thermische Ausdehnungskoeffizient fast identisch mit demjenigen von Aluminiumoxid ist. Je besser die thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Infiltrationscoating und Keramikkörper aufeinander abgestimmt sind, desto geringer wird die Gefahr von Erosion durch Heißgaseinwirkung, weshalb eine Kombination von Aluminiumoxid für den porösen Keramikkörper und YAG für das Infiltrationscoating als besonders vorteilhaft angesehen wird. Die Konzentration des Schli- ckers/Sols wird an die Porengröße angepasst. Damit das Mate- rial in die Porosität eindringen kann wird eine Partikelgröße kleiner lym angestrebt, wobei eine Partikelgröße von 500nm bis lOOnm optimal wäre.
Die Konzentration des Infiltrationsmaterials kann von der Oberfläche des keramischen Hitzeschildes in die Tiefe des
Hitzeschildes abnehmen. Dadurch bildet sich ein kontinuierlicher Übergang zwischen dem System Infiltrationscoating /Keramik bis hin zu dem des Keramikkörpers. Dies ist besonders vorteilhaft, weil der Heißgasangriff von der Oberfläche des keramischen Hitzeschildes her erfolgt. Insbesondere bildet sich keine Grenzschicht zwischen dem Infiltrationscoating- material (beispielsweise YAG) und dem Material des Keramik¬ körpers (beispielsweise Korund) , die unerwünschte Spannungen oder Inhomogenitäten bewirken könnte.
Das Infiltrationscoating besitzt vorzugsweise eine Dicke von wenigstens 400ym. Geringere Tiefen führen zu einem reduzierten Schutz des Keramikkörpers des Hitzeschildes. Die optimale Dicke muss anhand der realen Belastungsbedingungen des ent- sprechenden Maschinentyps herausgefunden werden.
Die Oberflächenschicht kann sich über eine Stirnfläche des porösen Keramikkörpers und über Seitenflächen des porösen Keramikkörpers erstrecken. Dies stellt einen weiteren Vorteil der Erfindung gegenüber herkömmlichen Beschichtungen dar, weil diese einen Auftrag von typischerweise 200 bis 400 Mik¬ rometern Beschichtungsmaterial bedingen, wodurch eine Be- schichtung zwischen benachbarten keramischen Hitzeschilden wegen der durch die Beschichtung veränderten Abmessungen der Hitzeschilde bislang nicht gangbar war. Das Infiltrations- coating der Erfindung hingegen dringt in den porösen Keramikkörper des Hitzeschildes ein und durchsetzt die Oberflächen- Schicht, wodurch die Abmessungen des keramischen Hitzeschildes unverändert bleiben und auch die sporadisch eindringendem Heißgas ausgesetzten Seitenflächen des keramischen Hitzeschildes geschützt werden können. Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft die Vorgehensweise zur Herstellung einer Infiltrationsschicht.
Die Erfindung beschreibt zudem ein Verfahren zur Herstellung eines verbesserten keramischen Hitzeschildes für eine Gastur- bine. Der Gesamtprozess weist wenigstens die folgenden
Schritte auf:
- Bereitstellung eines porösen Keramikkörpers; und
- Erzeugung eines Infiltrationscoatings in einem Oberflächenbereich des porösen Keramikkörpers, wobei das Infiltrations- coating ein Infiltrationscoatingmaterial enthält, das es er¬ möglicht, Poren des Keramikkörpers weitgehendst zu verschlie¬ ßen und innere Korrosionsangriffe zu vermeiden.
Mit dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren kann ein keramisches Hitzeschild für eine Gasturbine mit verlängerter Lebensdauer hergestellt werden. Das Infiltrationscoatingmate¬ rial (vorzugsweise YAG) dringt in die Poren des porösen Kera¬ mikkörpers ein und verschließt diese weitgehendst, so dass das während des Betriebs in der Gasturbine strömende Heißgas nur minimal in das keramische Hitzeschild eindringen kann. Dadurch werden chemische Prozesse verhindert, die zu einer Erosion der Hitzeschilde führen.
Zur Herstellung des infiltrierten Steins wird der Stein in einem Behälter mit ca. 38mbar Unterdruck mehrmals (bedingt durch die gewünschte Eindringtiefe) infiltriert. Je nach An¬ zahl und Dauer der Tauchvorgänge kann die Eindringtiefe vari¬ iert und gesteuert werden, bis zur vollständigen Infiltration der frei zugänglichen Porosität des Brennkammersteins. Die verbleibende offene Porosität gewährt die weitere Thermo- schockstabilität . Nach der Infiltration wird der überschüssige auf der Oberflä¬ che verbleibende Schlicker durch Abtropfen oder mittels mechanischen Abwischens entfernt. In den Versuchen wurden Infiltrationen mit Eindringtiefen von d <400ym, über Dicken bis 600ym oder aber auch Vollinfiltration erreicht. Der Stein wird dann in einem nachfolgenden Brennvorgang gebrannt, um eine kristalline Umsetzung des YAG's und eine kristalline Verbindung mit dem Sintermullit herzustellen. Hierbei bilden sich verschiedene Reaktionsphasen und Übergangsphasen und YAG Dendriten zwischen Mullit und dem Infiltrationsschlicker aus. Die entsprechenden Strukturen sind in Abbildung 4a, 4b (siehe am Ende der Anmeldung) dargestellt.
Besonders bevorzugt umfasst das Erzeugen des Infiltrations- coatings- wie oben beschrieben- einen Schritt des Eintauchens des porösen Keramikkörpers in eine das Infiltrationscoating- material enthaltende Suspension (häufig als engl. „Slurry" bezeichnet) . Diese Methode des Auftragens des Infiltrations- coatingmaterials auf den porösen Keramikkörper im Unterdruck ist einfach und effizient industriell durchzuführen, führt zu gleichmäßigen Ergebnissen und kann auf große Stückzahlen von Hitzeschilden skaliert werden. Als Eintauchen wird hier nicht nur ein Bewegen des porösen Keramikkörpers in die bereitge¬ stellte Suspension, sondern beispielsweise auch ein Leiten der Suspension auf einen bereitgestellten Keramikkörper ver- standen, so dass der Keramikkörper von der Suspension mindestens teilweise bedeckt wird, wenn sich stationäre oder quasi¬ stationäre (im Falle eines fortlaufenden Pumpens und Abpum¬ pens der Suspension) Verhältnisse eingestellt haben. Das Eintauchen des porösen Keramikkörpers wird vorzugsweise für eine vorherbestimmte Zeitspanne durchgeführt. Über die vorherbestimmte Zeitspanne wird maßgeblich die Eindringtiefe des Infiltrationscoatingmaterials in den porösen Keramikkör- per und damit die Dicke des Infiltrationscoatings bestimmt. Hierbei führen längere Zeitspannen zu einem tieferen Eindringen, verlangsamen jedoch den Herstellungsprozess . Bei zu kurzen Zeitspannen kann das Infiltrationscoatingmaterial hin- gegen nicht tief genug in den porösen Keramikkörper eindringen, wodurch die Schutzwirkung des Infiltrationscoatings re¬ duziert wird. Daher wird eine vorherbestimmte Zeitspanne als angemessen betrachtet, bei der die Dicke des Infiltrations¬ coatings in der Größenordnung um 400 Mikrometer betragen sollte.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann über einen Schritt des Maskierens eines Teils einer Oberfläche des porösen Keramik¬ körpers vor dem Eintauchen des porösen Keramikkörpers in die Suspension umfassen. Das Maskieren kann beispielsweise über Abkleben mit Klebestreifen oder durch Aufbringen von Wachs oder dergleichen erfolgen. Hierdurch kann das Infiltrationscoatingmaterial selektiv in den porösen Keramikkörper eingebracht werden, was sich insbesondere vorteilhaft auf den Materialverbrauch auswirkt. Beispielsweise kann die nicht dem Heißgas ausgesetzte Rückseite des Hitzeschildes maskiert wer¬ den .
Das hier beschriebene Verfahren beinhaltet einen Arbeits- schritt zur Herstellung der Suspension. Der Schritt des Be- reitens der Suspension kann einen Schritt des Aufschmelzens und Schmelzstabilisierens des Infiltrationscoatingmaterials umfassen. Besonders bevorzugt umfasst der Schritt des Berei- tens der Suspension einen Schritt des Zermahlens des Infil- trationsmaterials in den Submikrometerbereich . Das derart fein zermahlene Infiltrationsmaterial kann in die Poren des Keramikkörpers eindringen und diese verschließen. Die Größe der Partikel des Infiltrationscoatingmaterials muss ein Viel¬ faches kleiner sein damit die Suspension in die Porenkanäle eindringen und verschließen kann, sie haben auch einen Ein- fluss auf die Eindringtiefe in den porösen Keramikkörper. Die Konzentration des Infiltrationscoatingmaterials in der Ober¬ flächenschicht des keramischen Hitzeschildes kann über den entsprechenden Gehalt des zermahlenen Infiltrationscoating- materials in der Suspension eingestellt werden.
Vorzugsweise wird ein Schritt des Brennens des porösen Kera- mikkörpers nach dem Schritt des Eintauchens in die Suspension durchgeführt. Durch das Brennen wird das Infiltrationscoa- tingmaterial dauerhaft mit dem porösen Keramikkörper verbunden. Der Schritt des Brennens kann vorteilhaft einem bisher bereits für die Herstellung von keramischen Hitzeschilden verwendeten Brennen entsprechend. Das heißt, dass bekannte
Fertigungsverfahren für keramische Hitzeschilde um einen vor dem Brennen des keramischen Hitzeschildes ausgeführten
Schritt des Eintauchens des Keramikkörpers in die Suspension einfach erweitert werden können, wobei die bislang verwende- ten Werkzeuge und Verfahren ansonsten unverändert weiterverwendet werden können.
Das Brennen kann bei einer Temperatur von wenigstens 1250 Grad Celsius erfolgen. Allgemein sind Temperaturen oberhalb von etwa 1450 Grad Celsius anwendbar. Bei der Fertigung von keramischen Hitzeschilden sind Brenntemperaturen oberhalb von 1500 Grad Celsius üblich, so dass diese herkömmlichen Brenn¬ vorgänge unverändert die Anforderungen des erfindungsgemäßen Verfahrens erfüllen. Das Brennen kann für eine Zeitdauer von ungefähr zwei Stunden erfolgen.
Der Schritt des Bereitstellens des porösen Keramikkörpers kann Schritte eines Anmischens einer Keramikkörperrohmasse, eines Formgebens, eines Abbindens und einer Trocknung um- fasst. Dies entspricht gängigen Produktionsschritten für herkömmliche keramische Hitzeschilde, so dass vorhandene Her¬ stellungsprozesse einfach für die Erfindung angepasst werden können . Das Verfahren kann Schritte des Wiegens des Keramikkörpers umfassen, um den Fortschritt oder Erfolg des Verfahrens zu überwachen. Beispielsweise kann ein Gewicht des Keramikkörpers vor und nach dem Eintauchen in die Suspension verglichen werden, um die Menge des in den Keramikkörpers eingebrachten Infiltrationsmaterials zu bestimmen. Gegebenenfalls kann der Keramikkörpers erneut in die Suspension eingetaucht werden, wenn der Gewichtszuwachs geringer als erwartet ausfällt.
Ebenso kann eine Gewichtsveränderung durch einen abschließenden Brennvorgang überwacht werden. So kann der Keramikkörper vor und nach dem Brennen gewogen werden. Durch den Vergleich von vor dem Eintauchen und nach dem Brennen bestimmter Gewichte des Keramikkörpers kann der reale Massezuwachs durch das Einbringen des Infiltrationscoatings bestimmt werden.
Alle diese Daten können, ggf. zusammen mit Fertigungsparame¬ tern, für jeden derart gefertigten Hitzeschild erfasst und gespeichert werden. Auf diese Weise kann das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren auf der Grundlage von im Verlauf des Betriebs festgestellter Abnutzung der einzelnen Hitzeschilde optimiert werden.
Die Erfindung betrifft außerdem ein Refurbishment-Verfahren mit den Schritten:
- Entfernen wenigstens eines vorhandenen keramischen Hitzeschildes aus einer Gasturbine; und
- Installieren eines erfindungsgemäßen keramischen Hitzeschildes in der Gasturbine.
- Der erfinderische Prozeß kann auch nach Oberflächenreini- gung eines betriebsbeanspruchten Bauteils erfolgen.
„Refurbishment" genannte Überarbeitungen von Gasturbinenbau¬ teilen oder gesamten Gasturbine werden routinemäßig durchge¬ führt. Im Rahmen einer solchen Prozedur kann eine bereits vorhandene Gasturbine mit den erfindungsgemäßen keramischen
Hitzeschilden ausgestattet werden. Hierbei kommt es im Rahmen des erfindungsgemäßen Refurbishment-Verfahrens insbesondere in Betracht, unter Verwendung des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens für einen Hitzeschild den aus der zu überar- beitenden Gasturbine entfernten Hitzeschild mit einem Infilt- rationscoating zu versehen und diesen Hitzeschild in derselben Gasturbine, aus der entnommen wurde, oder aber in einer anderen Gasturbine zu installieren. Beschichtung der infiltrierten Oberfläche
Die infiltrierte Oberfläche hat eine sehr glatte Oberfläche und die vorhandenen Risse sind weitestgehend geglättet. Durch zusätzliche Beschichtung mit einem Schutzcoating kann die Lebensdauer noch erhöht werden. Dabei können die gleichen Elemente wie oben erwähnt als Schutzschicht aufgebracht wer¬ den. Als Beschichtungsmethode können verschiedene Methoden wie ARC Sputtern, PVD Verdampfung oder auch beschichten mit der Plasmakanone verwendet werden. Es muss jedoch darauf ge¬ achtet werden, dass die Anbindung der äußeren Schicht mit dem Substrat chemische Wechselwirkungspotentiale enthält, um die geforderte Anbindung zu erhalten.
Kurzbeschreibung der Figuren
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Abbildungen von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 eine beispielhafte Gasturbine 100 in einem Längs¬ teilschnitt; Figur 2 eine Brennkammer 110 einer Gasturbine;
Figur 3 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen
Hitzeschildes 155; und Figur 4 ein Ausführungsbeispiel einer Fertigungsvorrichtung
20 für die Verwendung in dem erfindungsgemäßen Verfahren . Ausführliche Figurenbeschreibung
Die Figur 1 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 Schaufel- ringen 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 ver¬ dichtet. Die am turbinenseitigen Ende des Verdichters 105 be- reitgestellte verdichtete Luft wird zu den Brennern 107 ge¬ führt 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 keramischen Hitzeschilden 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 Turbinen¬ schaufel 120, 130 und Bauteile der Brennkammer 110 werden beispielsweise eisen-, nickel- oder kobaltbasierte Super- legierungen verwendet.
Solche Superlegierungen sind beispielsweise aus der EP 1 204 776 Bl, EP 1 306 454, EP 1 319 729 AI, WO 99/67435 oder WO 00/44949 bekannt.
Die Schaufeln 120, 130 können 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 Sili- zium und/oder zumindest ein Element der Seltenen Erden, bzw. Hafnium (Hf) ) . Solche Legierungen sind bekannt aus der EP 0 486 489 Bl, EP 0 786 017 Bl, EP 0 412 397 Bl oder EP 1 306 454 AI. Auf der MCrAlX-Schicht (als Zwischenschicht oder als äußerste Schicht) bildet sich eine schützende Aluminiumoxidschicht (TGO = thermal grown oxide layer) .
Auf der MCrAlX kann noch eine Wärmedämmschicht vorhanden sein, die vorzugsweise die äußerste Schicht ist, und besteht beispielsweise aus Zr02, Y2Ü3-Zr02, d.h. sie ist nicht, teil¬ weise oder vollständig stabilisiert durch Yttriumoxid
und/oder Kalziumoxid und/oder Magnesiumoxid. Die Wärmedämm¬ schicht bedeckt vorzugsweise die gesamte MCrAlX-Schicht.
Die Figur 2 zeigt eine Brennkammer 110 einer Gasturbine. Die Brennkammer 110 ist beispielsweise als so genannte Ringbrenn¬ kammer ausgestaltet, bei der eine Vielzahl von in Umfangs- richtung um eine Rotationsachse 102 herum angeordneten Brennern 107 in einen gemeinsamen Brennkammerraum 154 münden, die Flammen 156 erzeugen. Dazu ist die Brennkammer 110 in ihrer Gesamtheit als ringförmige Struktur ausgestaltet, die um die Rotationsachse 102 herum positioniert ist.
Zur Erzielung eines vergleichsweise hohen Wirkungsgrades ist die Brennkammer 110 für eine vergleichsweise hohe Temperatur des Arbeitsmediums M von etwa 1000 Grad Celsius bis 1600 Grad Celsius ausgelegt. Um auch bei diesen, für die Materialien ungünstigen Betriebsparametern eine vergleichsweise lange Betriebsdauer zu ermöglichen, ist die Brennkammerwand 153 auf ihrer dem Arbeitsmedium M zugewandten Seite mit einer aus keramischen Hitzeschilden 155 gebildeten Innenauskleidung versehen .
Aufgrund der hohen Temperaturen im Inneren der Brennkammer 110 kann für die Hitzeschildelemente 155 bzw. für deren Hal- teelemente ein Kühlsystem vorgesehen sein. Die Hitzeschildelemente 155 sind dann beispielsweise hohl und weisen ggf. noch in den Brennkammerraum 154 mündende Kühllöcher (nicht dargestellt) auf. Figur 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen keramischen Hitzeschildes 155. Der Hitzeschild 155 ist in einer Querschnittszeichnung dargestellt und weist lediglich beispielhaft an seinen Seitenflächen 13 eine Nut 14 und eine Feder 15 auf, mit denen mehrere benachbarte Hitzeschilde 155 zu einer Innenauskleidung verbinden lassen. Der Hitzeschild 155 besitzt einen porösen Keramikkörper 11, der erfindungsgemäß in einer Oberflächenschicht 12 mit einem Infiltrations- coating ausgestattet ist. Die Oberflächenschicht 12 erstreckt sich in dem gezeigten Beispiel über die Seitenflächen 13 und eine Stirnfläche 16 des keramischen Hitzeschildes 155, die im Betrieb dem Heißgas unmittelbar ausgesetzt ist. Das Infiltra- tionscoating enthält vorzugsweise YAG und verschließt die Poren des Keramikkörpers 11, so dass Heißgas nicht in diese eindringen kann. Beispielsweise kann eine YAG-haltige Suspen¬ sion über die Oberfläche eines aluminiumoxidhaltigen Keramikkörpers geleitet werden. Bei einem anschließenden Brennvorgang bildet das YAG das Infiltrationscoating aus.
Figur 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Fertigungsvorrichtung 20 für die Verwendung in dem erfindungsgemäßen Verfahren. Die beispielhafte Fertigungsvorrichtung 20 besitzt eine Prozesskammer 21, in der ein poröser Keramikkörper 11 oder auch eine Mehrzahl solcher Keramikkörper 11 bereitgestellt ist. Der Keramikkörper 11 kann beispielsweise maskiert und/oder auf Stützen gelagert sein. Die Prozesskammer 21 ist mit einer Vakuumpumpe 24 verbunden, welche dazu verwendet werden kann, die Prozesskammer 21 nach ihrem Verschließen in Unterdruck zu versetzen. Aus einem Reservoir 22, das einen Vorrat an Suspension enthält, wird durch eine Zuleitung 25 Suspension in die Prozesskammer 21 und somit über den Keramikkörper 11 geleitet, so dass der Keramikkörper 11 in die Suspension eintaucht. Die Suspension wird durch eine Ablei¬ tung 26 wieder aus der Prozesskammer 21 abgeleitet, so dass sich für die Dauer der Durchführung des Eintauchens des Keramikkörpers in die Suspension ein ungefähr gleichbleibender Füllstand von Suspension in der Prozesskammer einstellt. Das Reservoir 22 kann dabei über einen Rührer 23 verfügen, der eine gleichmäßige Durchmischung der Suspension sicherstellt, so dass sich möglichst keine Partikel des Infiltrationscoa- tingmaterials innerhalb des Reservoirs 22 absetzen, was eine veränderliche Konzentration des Infiltrationscoatingmaterials in der Suspension bewirken würde. Nach Verstreichen einer vorherbestimmten Zeitspanne wird die Zuleitung der Suspension unterbrochen und die in der Prozesskammer 21 vorhandene Menge Suspension in das Reservoir zurückgeleitet. Der Keramikkörper 11 kann in der Prozesskammer noch für eine Ruhezeit verbleiben und dabei trocknen. Es ist jedoch auch möglich, ihn unmittelbar nach dem Ableiten der Suspension zu entnehmen und mechanisch von an der Oberfläche anhaftender Suspension zu befreien. Als weitere Variante kann um den Infiltrationsgrad zu erhöhen die Kammer nach der Evakuierung mit Unterdruck anschließend mit 1 Bar Druck beaufschlagt werden oder in einem weiteren Zyklus mit bis zu 5 Bar beaufschlagt werden um eine gänzliche Infiltration der Steine zu erreichen. Der Keramik- körper 11 wird anschließend zu einem Hitzeschild gebrannt, wobei sich das in den Poren des Keramikkörpers 11 eingezogene Infiltrationscoatingmaterial fest mit dem Keramikkörper 11 verbindet und auf diese Weise das gewünschte vorteilhafte Infiltrationscoating ausbildet.
Obwohl die Erfindung im Detail durch bevorzugte Ausführungs¬ beispiele näher illustriert und erläutert wurde, ist die Er¬ findung nicht durch die offenbarten Beispiele beschränkt. Variationen hiervon können vom Fachmann abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung, wie er in den nachfolgenden Ansprüchen definiert ist, zu verlassen.

Claims

Patentansprüche
1. Keramisches Hitzeschild (155)
für eine Gasturbine (100)
zumindest aufweisend:
einen porösen Keramikkörper (11),
gekennzeichnet durch
ein Infiltrationscoating (12),
das in einer Oberflächenschicht (12) des porösen Keramikkörpers (11) infiltriert ist und
ein Infiltrationscoatingmaterial enthält,
das dazu ausgebildet ist, Poren des Keramikkörpers (11) möglichst gasdicht zu verschließen.
2. Keramisches Hitzeschild nach Anspruch 1,
bei dem der poröse Keramikkörper (11) Mullit oder Alumini umoxid enthält,
insbesondere aus Mullit oder aus Aluminiumoxid besteht.
Keramisches Hitzeschild nach einem der beiden vorherige Ansprüche,
bei dem das Infiltrationsmaterial Yttriumaluminiumgranat enthält,
insbesondere aus Yttriumaluminiumgranat besteht oder Aluminiumoxid, Aluminiumzirkonat aufweist oder
daraus besteht.
4. Keramisches Hitzeschild nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
bei dem das Infiltrationscoating (12) eine Dicke kleiner 400ym beträgt,
insbesondere 400ym aufweist,
ganz insbesondere mindestens 10ym dick ist.
Keramisches Hitzeschild nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
bei dem sich die Oberflächenschicht (12) über eine Stirn fläche (16) und über Seitenflächen (13) des porösen Kera mikkörpers erstreckt.
Gasturbine (100) oder Verbrennungskammer (100) mit einem keramischen Hitzeschild (155) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche.
7. Verfahren zur Herstellung eines keramischen Hitzeschildes (155) für eine Gasturbine (100) und mit den Schritten: - Bereitstellen eines porösen Keramikkörpers (11)
- Erzeugen eines Infiltrationscoatings (12) in einer Ober¬ flächenschicht (12) des porösen Keramikkörpers (11), wobei das Infiltrationscoating (12) ein Infiltrations- coatingmaterial enthält,
das dazu ausgebildet ist,
Poren des porösen Keramikkörpers (11) gasdicht zu ver¬ schließen .
8. Verfahren nach Anspruch 7,
bei dem das Erzeugen des Infiltrationscoatings einen
Schritt des Eintauchens des porösen Keramikkörpers (11) in eine das Infiltrationscoatingmaterial enthaltende Suspen¬ sion umfasst.
9. Verfahren nach der Anspruch 8,
mit einem Schritt des Maskierens eines Teils einer Oberflä che des porösen Keramikkörpers (11) vor dem Eintauchen des porösen Keramikkörpers (11) in die Suspension.
10. Verfahren nach einem oder beiden der Ansprüche 8 bis 9, bei dem eine oder mehrere Bereiten der Suspension einen Schritt des Aufschmelzens und Schmelzstabilisierens des In¬ filtrationscoatingmaterials umfasst .
11. Verfahren nach Anspruch 10,
bei dem der Schritt des Bereitens der Suspension einen Schritt des Zermahlens des Infiltrationsmaterials in den Submikrometerbereich umfasst,
insbesondere Partikelgröße -S l?ym,
ganz insbesondere 500nm bis lOOnm aufweist.
12. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 8 bis 11,
mit einem Schritt des Brennens des porösen Keramikkörpers nach dem Schritt des Eintauchens in die Suspension.
13. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche
12,
bei dem die Infiltration in mehreren Zyklen,
insbesondere mit bis zu 5 bar Überdruck
erfolgt .
14. Refurbishment-Verfahren mit den Schritten:
- Entfernen wenigstens eines vorhandenen keramischen Hitze- Schildes aus einer Gasturbine (100); und
- Installieren eines keramischen Hitzeschildes (155) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5 in der Gasturbine (100) .
15. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 7 bis 14,
bei dem eine Überbeschichtung des infiltrierten Bereiches erfolgt .
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