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DE10124398A1 - Applying a ceramic layer to a metallic base body comprises joining a metallic intermediate support having recesses with the base body, and subsequently applying the ceramic layer on the intermediate support - Google Patents

Applying a ceramic layer to a metallic base body comprises joining a metallic intermediate support having recesses with the base body, and subsequently applying the ceramic layer on the intermediate support

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DE10124398A1
DE10124398A1 DE10124398A DE10124398A DE10124398A1 DE 10124398 A1 DE10124398 A1 DE 10124398A1 DE 10124398 A DE10124398 A DE 10124398A DE 10124398 A DE10124398 A DE 10124398A DE 10124398 A1 DE10124398 A1 DE 10124398A1
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Germany
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base body
ceramic layer
metallic
intermediate carrier
intermediate support
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Karl Schreiber
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Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
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Abstract

Process for applying a ceramic layer (1) to a metallic base body (2) comprises joining a metallic intermediate support (3) having recesses (7) with the base body; and subsequently applying the ceramic layer on the intermediate support. Preferred Features: The intermediate support is applied to the base body by sintering, soldering or welding, especially diffusion welding. The ceramic layer is applied to the intermediate support by spraying or by using a slip.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Aufbringen einer keramischen Schicht auf einen metallischen Grundkörper sowie auf ein Wärmedämmungsschichtsystem mit einem metal­ lischen Grundkörper und einer keramischen Schicht.The invention relates to a method for application a ceramic layer on a metallic base as well as a thermal insulation layer system with a metal basic body and a ceramic layer.

Wärmedämmungsschichtsysteme der beschriebenen Art werden in einer Vielzahl von Anwendungsgebieten eingesetzt, bei­ spielsweise bei Fluggasturbinen, um im Bereich der Brennkam­ mer sowie im Bereich der Turbinenschaufeln die Temperatur metallischer Bauelemente zu senken und um die Thermoschock­ beständigkeit der metallischen Grundkörper zu erhöhen.Thermal insulation layer systems of the type described are in used in a variety of applications for example in the case of aircraft gas turbines, in the area of the combustion temperature and in the area of the turbine blades lower metallic components and to reduce the thermal shock increase the resistance of the metallic base body.

Die Zusammensetzung derartiger keramischer Schichten ist aus dem Stand der Technik ebenfalls vorbekannt.The composition of such ceramic layers is made of also known in the prior art.

Zur Auftragung beziehungsweise Befestigung derartiger keramischer Schichten sind die unterschiedlichsten Verfahren bekannt. So beschreibt beispielsweise die US-PS 5,866,271 ein Verfahren, bei welchem die Oberfläche des metallischen Grundkörpers beziehungsweise Substrats in spezieller Weise aufgerauht wird, um die Haftung der keramischen Schicht zu erhöhen. Es ist auch bekannt, sogenannte "bond coats" als Haftvermittler auf die Oberfläche des metallischen Grundkör­ pers aufzutragen.For application or attachment of such Ceramic layers are a wide variety of processes known. For example, US Pat. No. 5,866,271 a process in which the surface of the metallic Base body or substrate in a special way is roughened to increase the adhesion of the ceramic layer increase. It is also known as "bond coats" Adhesion promoter on the surface of the metallic base body to be applied personally.

Bei den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren er­ weist es sich als nachteilig, dass die Bindung zwischen der keramischen Schicht und dem metallischen Grundkörper bezie­ hungsweise der auf diesen aufgebrachten Haftschichten sehr schwach ist. Die Verbindung beruht größtenteils auf einer mechanischen Verklammerung zwischen der rauhen Oberfläche des metallischen Grundkörpers beziehungsweise der Haftschicht und der keramischen Schicht. Im Laufe der Zeit bildet sich in der Übergangszone zwischen der keramischen Schicht und dem metallischen Körper bei hohen Temperaturen und, bedingt durch die im Einsatz herrschende Atmosphäre, eine Oxydschicht, welche mit der Zeit wächst und zum Ablösen der keramischen Schicht führt. Die Wachstumsprozesse der Oxydschicht sind somit auch der bestimmende Faktor für die Lebensdauer des Wärmedämmungsschichtsystems.In the methods known from the prior art, he it proves disadvantageous that the bond between the ceramic layer and the metallic base the layers of adhesive applied to these very much is weak. The connection is largely based on one mechanical clinging between the rough surface of the metallic base body or Adhesive layer and the ceramic layer. Over time forms in the transition zone between the ceramic  Layer and the metallic body at high temperatures and, due to the atmosphere in use, an oxide layer that grows with time and can be removed of the ceramic layer. The growth processes of Oxide layers are therefore also the determining factor for the Service life of the thermal insulation layer system.

Ein weiterer Nachteil liegt darin, dass auf Grund unter­ schiedlicher Wärmeausdehnungskoeffizienten an der Grenzfläche zwischen der keramischen Schicht und dem metal­ lischen Grundkörper sehr hohe Schubspannungen erzeugt werden können, die ebenfalls zum vorzeitigen Versagen des Wärmedäm­ mungsschichtsystems beitragen können. Die auftretenden Schubspannungen begrenzen auch die zulässige oder mögliche Dicke der keramischen Schicht.Another disadvantage is that due to under different coefficients of thermal expansion at the Interface between the ceramic layer and the metal very high shear stresses are generated can also cause the premature failure of the thermal insulation layer system. The occurring Shear stresses also limit the permissible or possible Thickness of the ceramic layer.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Wärmedäm­ mungsschichtsystem sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung zu schaffen, welche bei einfachem Aufbau und einfacher, kostengünstiger Herstellbarkeit unter Vermeidung der Nachteile des Standes der Technik eine lange Lebensdauer aufweisen.The invention is based on the object, a thermal insulation layer system and a method for its production to create, which with simple construction and simple, inexpensive to manufacture while avoiding the Disadvantages of the prior art are long life exhibit.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmalskombina­ tionen der beiden unabhängigen Ansprüche gelöst, die jeweiligen Unteransprüche zeigen weitere vorteilhafte Aus­ gestaltungen der Erfindung.According to the invention, the task is achieved by the combination of features tion of the two independent claims solved respective sub-claims show further advantageous Aus designs of the invention.

Erfindungsgemäß ist hinsichtlich des Verfahrens somit vorge­ sehen, dass ein metallischer, mit Ausnehmungen versehener Zwischenträger mit dem Grundkörper verbunden wird und dass die keramische Schicht nachfolgend auf den Zwischenträger aufgebracht wird.According to the invention, the method is therefore preferred see that a metallic, recessed Intermediate carrier is connected to the base body and that the ceramic layer subsequently on the intermediate carrier is applied.

Hinsichtlich des Wärmedämmungsschichtsystems sieht die Er­ findung vor, dass auf den Grundkörper ein mit Ausnehmungen versehener Zwischenkörper aufgebracht ist, auf welchem die keramische Schicht aufgetragen ist.Regarding the thermal insulation layer system, he sees finding that on the base body with recesses  provided intermediate body is applied, on which the ceramic layer is applied.

Durch die Erfindung ergeben sich eine Reihe erheblicher Vorteile.The invention results in a number of significant ones Benefits.

Durch die Verwendung eines mechanischen Zwischenträgers ist es möglich, eine sehr starke, verbesserte mechanische Ver­ klammerung zwischen dem metallischen Grundkörper und der keramischen Schicht zu erzielen. Hierdurch erhöht sich die Lebensdauer des Wärmedämmungsschichtsystems ganz erheblich. Die Gefahr, dass sich die keramische Schicht von dem metal­ lischen Grundkörper löst, von diesem abspringt oder dass sich im Übergangsbereich Spalten bilden, wird weitgehend eliminiert. Durch die Auswahl der Strukturgröße der Zwischenschicht, die bei Drahtgeweben in Mikrometerbereich liegen kann, können Mikrorisse gezielt in die Schicht eingebracht werden. Diese Mikrorisse bauen Spannungen ab, ohne zum Versagen der Schicht zu führen.By using a mechanical intermediate support it possible a very strong, improved mechanical ver bracketing between the metallic body and the ceramic layer. This increases the The service life of the thermal insulation layer system is very considerable. The danger of the ceramic layer becoming detached from the metal solves basic body, jumps off it or that gaps form in the transition area is largely eliminated. By selecting the structure size of the Intermediate layer, the wire mesh in the micrometer range micro cracks can be targeted into the layer be introduced. These micro cracks relieve tension, without causing the layer to fail.

Weiterhin ist es vorteilhaft, dass die, bei den aus dem Stand der Technik bekannten Systemen, scharf ausgeprägten Grenzflächen zwischen der keramischen Schicht und dem metal­ lischen Grundkörper entfallen. Hierdurch entfällt auch weit­ gehend das Problem der beim Stand der Technik auftretenden Schubspannungen, die durch die sehr unterschiedlichen physi­ kalischen Eigenschaften der keramischen Schicht und des me­ tallischen Grundkörpers bedingt sind. Erfindungsgemäß ergibt sich hierdurch eine wesentliche Verlängerung der Lebensdauer des Wärmedämmungsschichtsystems. Der Grund hierfür liegt un­ ter anderem darin, dass der Zwischenträger zu einer deutli­ chen Reduzierung des Spannungsniveaus führt. Die Schichtdicke wird durch die Haftfestigkeit begrenzt, so dass mit dieser verbesserten Zwischenschicht gegenüber dem Stand der Technik dickere und damit besser isolierende Schichten möglich sind. Furthermore, it is advantageous that the, in which from the Systems known in the art, sharply defined Interfaces between the ceramic layer and the metal basic body are eliminated. This also eliminates a lot going the problem of those encountered in the prior art Shear stresses caused by the very different physi Kalische properties of the ceramic layer and me taller base body are conditioned. According to the invention this significantly extends the lifespan of the thermal insulation layer system. The reason for this is un inter alia in that the intermediate carrier becomes a clear Chen reduction of the voltage level leads. The Layer thickness is limited by the adhesive strength, so that with this improved intermediate layer compared to the stand technology thicker and therefore better insulating layers possible are.  

Ein weiterer, wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Ausgestaltung ist auch dadurch gegeben, dass hochbean­ spruchte keramische Schichten mit sehr viel preiswerteren Herstellungsverfahren aufgebracht werden können, beispiels­ weise mit einem Schlickerverfahren.Another essential advantage of the invention Design is also given by the high bean said ceramic layers with much cheaper Manufacturing processes can be applied, for example wise with a slip process.

In einer besonders günstigen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Zwischenträger in Form eines Drahtgewe­ bes, eines Drahtgitters oder eines Drahtfilzes ausgestaltet ist. Die Gesamtdicke des Drahtgewebes, Drahtgitters oder Drahtfilzes sowie die Durchmesser der einzelnen Drähte kön­ nen in einfachster Weise den jeweiligen Einsatzbedingungen sowie der gewünschten Geometrie angepasst werden.In a particularly favorable embodiment of the invention provided that the intermediate carrier in the form of a wire mesh bes, a wire mesh or a wire felt designed is. The total thickness of the wire mesh, wire mesh or Wire felt and the diameter of the individual wires can in the simplest way to the respective operating conditions as well as the desired geometry.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Zwischenträger aus einem Material gefertigt ist, welches dem Material des Grundkörpers ähnlich ist.It is particularly advantageous if the intermediate carrier is made of a material is made which is the material of the Basic body is similar.

Die Befestigung des Zwischenträgers an dem metallischen Grundkörper kann in unterschiedlichster Weise erfolgen, bei­ spielsweise durch Sintern, Löten oder Diffusionsschweißen.The attachment of the intermediate carrier to the metallic Base body can be done in many different ways for example by sintering, soldering or diffusion welding.

Der Zwischenträger kann erfindungsgemäß einschichtig ausge­ bildet sein, es ist jedoch auch möglich, diesen aus mehre­ ren, aufeinander gelegten Schichten herzustellen. Somit kann die Intensität der mechanischen Verklammerung in einfachster Weise an die jeweiligen Anwendungsbedingungen angepasst wer­ den.According to the invention, the intermediate carrier can have a single layer be formed, but it is also possible to multiply this other layers on top of each other. So can the intensity of mechanical bracing in the simplest Adapted to the respective application conditions the.

Die Aufbringung der keramischen Schicht auf den Zwischenträ­ ger kann beispielsweise mittels eines Sprayverfahrens oder mittels Schickerverfahrens erfolgen. In beiden Fällen wird der Hohlraum zwischen den einzelnen Gewebemaschen des Zwi­ schenträgers beziehungsweise dem in diesen ausgebildeten Ausnehmungen zuverlässig durch Keramikmaterial gefüllt. The application of the ceramic layer on the intermediate layers ger can for example by means of a spray process or by means of a fuss method. In both cases the cavity between the individual meshes of the Zwi Schenträgers or those trained in these Recesses reliably filled with ceramic material.  

Hierdurch ergeben sich die bereits oben genannten Vorteile der besseren Verklammerung und eines weichen Übergangs, wo­ durch die Ausdehnungskoeffizienten und die hierdurch resul­ tierenden Schubspannungen günstig beeinflusst werden.This results in the advantages already mentioned above better bracketing and a smooth transition where by the expansion coefficient and the resultant shear stresses can be influenced favorably.

Bei Verwendung eines Sprayverfahrens können beispielsweise folgende Parameter vorgesehen werden:
When using a spray process, the following parameters can be provided, for example:

Versuche, die unter Einhaltung der oben angegebenen Werte durchgeführt wurden, haben gezeigt, dass die Biegefestigkeit einer durch Plasmaspray erzeugten keramischen Schicht erheb­ liche Verbesserungen gegenüber einer keramischen Schicht aufweist, die ohne Verwendung eines Zwischenträgers gemäß dem Stand der Technik erzeugt wurde.Attempts that comply with the values given above have shown that the flexural strength a ceramic layer produced by plasma spray improvements over a ceramic layer has, according to without using an intermediate carrier the prior art was generated.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbei­ spiels in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben.In the following, the invention is illustrated by means of an embodiment game described in connection with the drawing.

Dabei zeigtIt shows

Fig. 1 eine metallurgische Schliffansicht eines erfin­ dungsgemäß ausgestalteten Wärmedämmungsschichtsy­ stems. Fig. 1 is a metallurgical sectional view of a thermal insulation layer system designed according to the invention.

Die in Fig. 1 gezeigte metallurgische Schliffansicht zeigt zunächst im oberen und unteren Bereich eine Einbettmasse 4 beziehungsweise 5, die lediglich zur Erzeugung des Schliffes und zu dessen Präparation erforderlich ist.The metallurgical sectional view shown in FIG. 1 initially shows an investment compound 4 and 5 in the upper and lower region, which is only required to produce the section and to prepare it.

Erfindungsgemäß ist ein plattenförmiger metallischer Grund­ körper 2 vorgesehen. Auf diesen ist ein metallischer Zwi­ schenträger 3 aufgebracht. Der metallische Zwischenträger 3 ist, wie sich aus der Darstellung der Fig. 1 ergibt, in Form eines Drahtgitters oder Drahtgeflechtes ausgebildet. Die Be­ festigung an dem metallischen Grundkörper 2 erfolgt beispielsweise durch ein Diffusionsschweißverfahren (Diffu­ sionsschweißzone 6). Hierdurch wird der Zwischenträger 3 fest und einstückig mit dem metallischen Grundkörper 2 ver­ bunden. Die einzelnen Drähte bilden eine Vielzahl von Aus­ nehmungen 7, in welche Material einer keramischen Schicht 1 eingebracht ist. Es ergibt sich, dass die keramische Schicht 1 zusätzlich zu ihrer Haftung auf der Oberfläche der einzel­ nen Elemente des Zwischenträgers 3 durch das Einbringen in die Ausnehmungen 7 fest mechanisch verklammert ist.According to the invention, a plate-shaped metallic base body 2 is provided. On this a metallic inter mediate carrier 3 is applied. The metallic intermediate carrier 3 is, as can be seen from the illustration in FIG. 1, in the form of a wire mesh or wire mesh. The attachment to the metallic base body 2 is carried out, for example, by a diffusion welding process (diffusion welding zone 6 ). As a result, the intermediate carrier 3 is fixed and integral with the metallic base body 2 a related party. The individual wires form a plurality of recesses 7 , into which material a ceramic layer 1 is introduced. It follows that the ceramic layer 1 is clamped additionally fixed mechanically to their adhesion to the surface of the single NEN elements of the intermediate member 3 by the introduction into the recesses. 7

Die Erfindung ist nicht auf das gezeigte Ausführungsbeispiel beschränkt. Vielmehr ergeben sich im Rahmen der Erfindung vielfältige Abwandlungs- und Modifikationsmöglichkeiten.The invention is not based on the embodiment shown limited. Rather, there are within the scope of the invention diverse modification and modification options.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11

keramische Schicht
ceramic layer

22

metallischer Grundkörper
metallic body

33

Zwischenträger
subcarrier

44

Einbettmasse
investment

55

Einbettmasse
investment

66

Diffusionsschweißzone
Diffusion welding zone

77

Ausnehmung
recess

Claims (13)

1. Verfahren zur Aufbringung einer keramischen Schicht (1) auf einen metallischen Grundkörper (2), dadurch gekenn­ zeichnet, dass ein metallischer, mit Ausnehmungen (7) versehener Zwischenträger (3) mit dem Grundkörper (2) verbunden wird und dass die keramische Schicht (1) nach­ folgend auf den Zwischenträger (3) aufgebracht wird.1. A method for applying a ceramic layer ( 1 ) on a metallic base body ( 2 ), characterized in that a metallic, with recesses ( 7 ) provided intermediate carrier ( 3 ) is connected to the base body ( 2 ) and that the ceramic layer ( 1 ) is subsequently applied to the intermediate carrier ( 3 ). 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Zwischenträger (3) auf den Grundkörper (2) mittels eines Sinterverfahrens aufgebracht wird.2. The method according to claim 1, characterized in that the intermediate carrier ( 3 ) is applied to the base body ( 2 ) by means of a sintering process. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Zwischenträger (3) auf den Grundkörper (2) mittels eines Lötverfahrens aufgebracht wird.3. The method according to claim 1, characterized in that the intermediate carrier ( 3 ) is applied to the base body ( 2 ) by means of a soldering process. 4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Zwischenträger (3) auf den Grundkörper (2) mittels eines Schweißverfahrens aufgebracht wird.4. The method according to claim 1, characterized in that the intermediate carrier ( 3 ) is applied to the base body ( 2 ) by means of a welding process. 5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Zwischenträger (3) auf den Grundkörper (2) mittels eines Diffusionsschweißverfahrens aufgebracht wird.5. The method according to claim 4, characterized in that the intermediate carrier ( 3 ) is applied to the base body ( 2 ) by means of a diffusion welding process. 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge­ kennzeichnet, dass die keramische Schicht (1) mittels eines Sprayverfahrens auf den Zwischenträger (3) aufge­ bracht wird.6. The method according to any one of claims 1 to 5, characterized in that the ceramic layer ( 1 ) is applied to the intermediate carrier ( 3 ) by means of a spray process. 7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge­ kennzeichnet, dass die keramische Schicht mittels eines Schickerverfahrens auf den Zwischenträger (3) aufge­ bracht wird.7. The method according to any one of claims 1 to 5, characterized in that the ceramic layer is brought up on the intermediate carrier ( 3 ) by means of a Schicker method. 8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch ge­ kennzeichnet, dass die keramische Schicht in die Ausneh­ mungen (7) des Zwischenträgers (3) eingebracht wird. 8. The method according to any one of claims 1 to 7, characterized in that the ceramic layer in the recesses ( 7 ) of the intermediate carrier ( 3 ) is introduced. 9. Wärmedämmungsschichtsystem mit einem metallischen Grund­ körper (2) und einer keramischen Schicht (1), dadurch gekennzeichnet, dass auf den Grundkörper (2) ein mit Ausnehmungen (7) versehener Zwischenträger (3) aufge­ bracht ist, auf welchem die keramische Schicht (1) auf­ getragen ist.9. Thermal insulation layer system with a metallic base body ( 2 ) and a ceramic layer ( 1 ), characterized in that an intermediate carrier ( 3 ) provided with recesses ( 7 ) is placed on the base body ( 2 ), on which the ceramic layer ( 1 ) is worn. 10. Wärmedämmungsschichtsystem nach Anspruch 9, dadurch ge­ kennzeichnet, dass der Zwischenträger (3) in Form eines Drahtgewebes ausgebildet ist.10. Thermal insulation layer system according to claim 9, characterized in that the intermediate carrier ( 3 ) is designed in the form of a wire mesh. 11. Wärmedämmungsschichtsystem nach Anspruch 9, dadurch ge­ kennzeichnet, dass der Zwischenträger (3) in Form eines Drahtgitters ausgebildet ist.11. Thermal insulation layer system according to claim 9, characterized in that the intermediate carrier ( 3 ) is designed in the form of a wire mesh. 12. Wärmedämmungsschichtsystem nach Anspruch 9, dadurch ge­ kennzeichnet, dass der Zwischenträger (3) in Form eines Drahtfilzes ausgebildet ist.12. Thermal insulation layer system according to claim 9, characterized in that the intermediate carrier ( 3 ) is designed in the form of a wire felt. 13. Wärmedämmungsschichtsystem nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Zwischenträger (3) aus einem Material gefertigt ist, welches dem Mate­ rial des Grundkörpers (2) ähnlich ist.13. Thermal insulation layer system according to one of claims 9 to 12, characterized in that the intermediate carrier ( 3 ) is made of a material which is similar to the material of the base body ( 2 ).
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