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DE102014225130A1 - Thick thermal barrier coating system - Google Patents

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DE102014225130A1
DE102014225130A1 DE102014225130.3A DE102014225130A DE102014225130A1 DE 102014225130 A1 DE102014225130 A1 DE 102014225130A1 DE 102014225130 A DE102014225130 A DE 102014225130A DE 102014225130 A1 DE102014225130 A1 DE 102014225130A1
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DE
Germany
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layer
thermal barrier
barrier coating
ceramic thermal
ceramic
Prior art date
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Withdrawn
Application number
DE102014225130.3A
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German (de)
Inventor
Arturo Flores Renteria
Werner Stamm
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Siemens AG
Siemens Corp
Original Assignee
Siemens AG
Siemens Corp
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Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG, Siemens Corp filed Critical Siemens AG
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Abstract

Durch die Verwendung einer raueren keramischen Wärmedämmschicht kann eine äußere keramische Wärmedämmschicht besser angebunden werden, so dass dickere keramische Schichten hergestellt werden können, die eine hohe Dehnungstoleranz mit verbesserten bruchmechanischen Eigenschaften aufweist. By using a rougher ceramic thermal barrier coating, an outer ceramic thermal barrier coating can be better bonded so that thicker ceramic layers can be made having high elongation tolerance with improved fracture mechanical properties.

Figure DE102014225130A1_0001
Figure DE102014225130A1_0001

Description

Die Erfindung betrifft ein keramisches Wärmedämmschichtsystem, das dicker ausgebildet ist, um den Einsatz bei höheren Temperaturen zu ermöglichen. The invention relates to a ceramic thermal barrier coating system which is made thicker to allow use at higher temperatures.

Im Heißgaspfad von Turbinen befinden sich Bauteile, die zur Erniedrigung der Metalltemperatur mit keramischen Wärmedämmschichten (TBC) aus teilstabilisiertem Zirkonoxid oder Pyrochlor beschichtet sind. Hochporöse, 1–2mm dicke Wärmedämmschichten haben den Nachteil, dass die Bruchzähigkeit im Bereich der metallischen Aluminiumschicht gering ist. Ein Versagen wird oft bei ca. 50µm oberhalb der metallischen Haftvermittlerschicht beobachtet. In the hot gas path of turbines are components that are coated to lower the metal temperature with ceramic thermal barrier coatings (TBC) of partially stabilized zirconia or pyrochlore. Highly porous, 1-2mm thick thermal barrier coatings have the disadvantage that the fracture toughness in the region of the metallic aluminum layer is low. Failure is often observed at about 50μm above the metallic primer layer.

Sogenannte „microcracked“-Schichten haben den Nachteil der Temperaturbegrenzung mit 1523K. So-called "microcracked" layers have the disadvantage of temperature limitation with 1523K.

Es gilt daher eine Schicht aufzuzeigen, die im unteren Bereich eine hohe Bruchzähigkeit hat und im oberen Bereich eine hohe Duktilität mit hoher erlaubter Oberflächentemperatur (1523K–1723K). It is therefore necessary to show a layer which has a high fracture toughness in the lower region and a high ductility in the upper region with a high permissible surface temperature (1523K-1723K).

Es wurde bis jetzt nur immer eine hochporöse Schicht oder „microcracked“-Schicht mit Überkühlung eingesetzt, so dass die Grenzflächentemperatur MCrAlY/TBC sehr niedrig ist. Die erlaubte Oberflächentemperatur war auf 1523K begrenzt. Until now, only a highly porous layer or "microcracked" layer with overcooling has been used so that the interfacial temperature MCrAlY / TBC is very low. The allowed surface temperature was limited to 1523K.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung ein Wärmedämmschichtsystem aufzuzeigen, das die oben genannten Probleme löst. It is therefore an object of the invention to provide a thermal barrier coating system that solves the above problems.

Die Aufgabe wird gelöst durch ein Wärmedämmschichtsystem gemäß Anspruch 1. The object is achieved by a thermal barrier coating system according to claim 1.

In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Maßnahmen aufgelistet, die beliebig miteinander kombiniert werden können, um weitere Vorteile zu erzielen. In the dependent claims further advantageous measures are listed, which can be combined with each other in order to achieve further advantages.

Es zeigt die Figur exemplarisch ein Wärmedämmschichtsystem 1. The figure shows an example of a thermal barrier coating system 1 ,

Die Zeichnung und die Beschreibung stellen nur Ausführungsbeispiele der Erfindung dar. The drawing and the description represent only embodiments of the invention.

Das zweilagige Wärmedämmschichtsystem 1 weist ein Substrat 4 mit einem keramischen Schichtensystem 22 auf. The two-layer thermal barrier coating system 1 has a substrate 4 with a ceramic layer system 22 on.

Eine metallische Haftvermittlerschicht 7 auf dem Substrat 4 weist vorzugsweise zumindest eine NiCoCrAlY-Legierung auf, vorzugsweise mit einer Rauigkeit von Ra = 12 +/– 3 µm. Vorzugsweise wird sie 7 durch LPPS, HVOF oder Flashcoat aufgebracht. A metallic adhesion promoter layer 7 on the substrate 4 preferably has at least one NiCoCrAlY alloy, preferably with a roughness of Ra = 12 +/- 3 microns. Preferably, it will 7 applied by LPPS, HVOF or flashcoat.

Auf die metallische Haftvermittlerschicht 7 wird vorzugsweise eine „microcracked“, untere keramische Schicht 13 mit einer Dicke aufgebracht, die eine erlaubte Oberflächentemperatur von 1223K nicht überschreitet. „Microcracked“-keramische Schichten, d. h. eine Schicht mit Mikrorisse und deren Herstellungsverfahren sind aus dem Stand der Technik bekannt. Sie weisen senkrecht zur Oberfläche des Substrats 4 verlaufende Risse auf, die sich aber nicht durch die ganze Schicht erstrecken. On the metallic adhesive layer 7 is preferably a "microcracked", lower ceramic layer 13 applied with a thickness that does not exceed a permitted surface temperature of 1223K. "Microcracked" ceramic layers, ie a microcracked layer and its manufacturing process are known from the prior art. They point perpendicular to the surface of the substrate 4 running cracks, but do not extend through the entire layer.

Die Dicke der unteren keramischen Wärmedämmschicht 13 liegt somit im Bereich von 200µm–1mm. The thickness of the lower ceramic thermal barrier coating 13 is thus in the range of 200μm-1mm.

Auf die untere keramische Wärmedämmschicht 13 wird dann vorzugsweise eine Pyrochlorstruktur, insbesondere eine Gadoliniumzirkonat-Schicht 19, insbesondere im APS Verfahren, aufgebracht mit einer Porosität von insbesondere 18 +/– 4%. On the lower ceramic thermal barrier coating 13 is then preferably a Pyrochlorstruktur, in particular a Gadoliniumzirkonat layer 19 , in particular in the APS process, applied with a porosity of in particular 18 +/- 4%.

Ebenso sind Mischungen von Gadoliniumzirkonat, Zirkonoxid und/oder Hafniumoxid sowie Zirkonate oder Hafnate insbesondere auf der Basis Gadolinium (Gd) möglich. Likewise, mixtures of gadolinium zirconate, zirconium oxide and / or hafnium oxide and zirconates or hafnates, in particular based on gadolinium (Gd), are possible.

Auf jeden Fall ist die chemische Zusammensetzung der äußeren keramischen Wärmedämmschicht 19 anders als die der unteren 13, d.h. zumindest ein Anteil der chemischen Zusammensetzung weicht um mindestens 10% ab. In any case, the chemical composition of the outer ceramic thermal barrier coating 19 unlike the bottom one 13 ie at least a proportion of the chemical composition deviates by at least 10%.

Als optimierte Variante für die äußerste keramische Wärmedämmschicht 19 bietet sich vorzugsweise eine DVS-Schicht an, die durch normales Plasmaspritzen oder im SPPS-Verfahren aufgebracht wird. DVS bedeutet Dense Vertical Cracked und stellt eine vertikal segmentierte Schicht dar, bei der die Segmente eine geringe Porosität aufweisen und die „Risse“ sich über die gesamte Schicht erstrecken, wobei sich diese Mikrostruktur deutlich von „microcracked“ Schichten unterscheidet. As an optimized variant for the outermost ceramic thermal insulation layer 19 is preferably a DVS layer, which is applied by normal plasma spraying or SPPS process. DVS means dense vertical cracked and represents a vertically segmented layer in which the segments have a low porosity and the "cracks" extend over the entire layer, this microstructure differs significantly from "microcracked" layers.

Die Dicke der äußeren keramischen Wärmedämmschicht 19 beträgt vorzugsweise zwischen 100µm und 1,5mm. The thickness of the outer ceramic thermal barrier coating 19 is preferably between 100μm and 1.5mm.

Da die Bruchzähigkeit zwischen der Zirkonoxid-basierten Schicht (PSZ) und der Gadoliniumoxid-basierten Schicht (GZO) einen Schwachpunkt darstellen kann, kann die Anbindung zwischen GZO und PSZ verbessert werden. Dies ist möglich, indem vorzugsweise zwischen PSZ und GZO eine raue Lage als keramische Zwischenschicht 16 aus teilstabilisiertem Zirkonoxid aufgebracht wird. Since the fracture toughness between the zirconia-based layer (PSZ) and the gadolinia-based layer (GZO) can be a weak point, the bond between GZO and PSZ can be improved. This is possible by preferably between PSZ and GZO a rough position as a ceramic intermediate layer 16 made of partially stabilized zirconium oxide.

Diese Rauigkeit der keramischen Zwischenschicht soll zwischen Ra= 6µm und Ra = 12µm variieren. Damit würden diese drei Schichten eine hohe Dehnungstoleranz mit verbesserten bruchmechanischen Eigenschaften aufweisen. This roughness of the ceramic intermediate layer should vary between Ra = 6μm and Ra = 12μm. Thus, these three layers would have a high elongation tolerance with improved fracture mechanical properties.

Der erfinderische Schritt liegt dann in der optimalen Verbindung zweier Schichtsysteme mit guter Dehnungstoleranz und sehr guten bruchmechanischen Eigenschaften der Haftungsschicht und verbesserter Anbindung dieser Schichten, insbesondere durch Einstellung einer Schicht mit guter Interfacerauigkeit. The inventive step then lies in the optimal combination of two layer systems with good elongation tolerance and very good fracture-mechanical properties of the adhesion layer and improved bonding of these layers, in particular by setting a layer with good interface accuracy.

Die Oberfläche der metallischen Haftvermittlerschicht kann auch eine durch Laser oder Wasserstrahlbearbeitung strukturierte Oberfläche aufweisen. Durch Verwendung der DVS-Schicht kann auch noch die Erosionsrate reduziert werden. Diese Erfindung erlaubt durch Variation der Einzelschichtstrukturen eine Optimierung der Eigenschaften mit Anpassung an den benötigten Belastungszustand in der Maschine. The surface of the metallic adhesion promoter layer may also have a surface structured by laser or water jet machining. By using the DVS layer also the erosion rate can be reduced. By varying the single-layer structures, this invention permits optimization of the properties with adaptation to the required load state in the machine.

Die Figur zeigt ein keramisches Wärmedämmschichtsystem 1. The figure shows a ceramic thermal barrier coating system 1 ,

Als Substrat 4 wird vorzugsweise ein Metall aus einer nickel- oder kobaltbasierten Superlegierung verwendet. Dies sind die bekannten Superlegierungen für Turbinenbauteile. As a substrate 4 For example, a metal of a nickel- or cobalt-based superalloy is preferably used. These are the known superalloys for turbine components.

Auf dem Substrat 4, insbesondere direkt auf dem Substrat 4, ist eine metallische Haftvermittlerschicht 7 aufgebracht. On the substrate 4 , especially directly on the substrate 4 , is a metallic adhesive layer 7 applied.

Die metallische Haftvermittlerschicht 7 ist eine Legierung des Typs MCrAlX, wobei M Nickel und/oder Kobalt umfasst und X Yttrium (Y) und/oder eine oder mehrere Seltenen Erden, Rhenium (Re), Silizium (Si) und/oder Tantal (Ta) umfasst. The metallic adhesion promoter layer 7 is an alloy of the type MCrAlX, wherein M comprises nickel and / or cobalt and X comprises yttrium (Y) and / or one or more rare earths, rhenium (Re), silicon (Si) and / or tantalum (Ta).

Auf der metallischen Haftvermittlerschicht 7 entsteht beim Beschichten der keramischen Wärmedämmschicht 22 oder bewusst durch Voroxidation, aber zumindest im Betrieb, eine keramische Oxidschicht, die Aluminiumoxid aufweist, wobei das Aluminium aus der metallischen Haftvermittlerschicht 7 zur Verfügung gestellt wird. On the metallic primer layer 7 arises during the coating of the ceramic thermal barrier coating 22 or deliberately by pre-oxidation, but at least during operation, a ceramic oxide layer comprising alumina, wherein the aluminum from the metallic adhesion promoter layer 7 is made available.

Die metallische Haftvermittlerschicht 7 weist vorzugsweise eine Rauigkeit Ra von 9µm bis 15µm auf. The metallic adhesion promoter layer 7 preferably has a roughness Ra of 9μm to 15μm.

Auf der metallischen Haftvermittlerschicht 7 oder der Oxidschicht 10 ist eine untere keramische Wärmedämmschicht 13 aus Zirkonoxid aufgebracht. Dies ist bekanntermaßen eine teilstabilisierte und vorzugsweise mit Yttrium teilstabilisierte Zirkonoxidschicht. On the metallic primer layer 7 or the oxide layer 10 is a lower ceramic thermal barrier coating 13 made of zirconium oxide. This is known to be a partially stabilized and preferably partially stabilized with yttrium zirconium oxide layer.

Diese untere keramische Wärmedämmschicht 13 weist vorzugsweise eine Schichtdicke von 0,2mm bis 1mm auf. This lower ceramic thermal barrier coating 13 preferably has a layer thickness of 0.2mm to 1mm.

Auf diese untere keramische Wärmedämmschicht 13 wird vorzugsweise eine keramische Zwischenschicht 16 aufgebracht, die an ihrer Oberfläche zur äußeren keramischen Wärmedämmschicht 19 hin eine Rauigkeit Ra von 6µm bis 12µm aufweist. On this lower ceramic thermal barrier coating 13 is preferably a ceramic intermediate layer 16 applied on their surface to the outer ceramic thermal barrier coating 19 has a roughness Ra of 6μm to 12μm.

Die Schichtdicke der keramischen Zwischenschicht 16 muss daher nicht dick sein und beträgt vorzugsweise < 200µm. The layer thickness of the ceramic intermediate layer 16 therefore does not have to be thick and is preferably <200 μm.

Die keramische Zwischenschicht 16 weist vorzugsweise Zirkonoxid auf und kann dieselbe Zusammensetzung wie die untere keramische Schicht 13 aufweisen. The ceramic intermediate layer 16 preferably has zirconia and may have the same composition as the lower ceramic layer 13 exhibit.

Auf die keramische Zwischenschicht 16 oder die untere keramische Wärmedämmschicht 13 wird eine äußere keramische Wärmedämmschicht 19 aufgebracht, die vorzugsweise Gadolinumzirkonat aufweist. On the ceramic intermediate layer 16 or the lower ceramic thermal barrier coating 13 becomes an outer ceramic thermal barrier coating 19 applied, which preferably has Gadolinumzirkonat.

Die äußere keramische Wärmedämmschicht 19 weist vorzugsweise eine Schichtdicke von 0,1mm bis 1,5mm auf. The outer ceramic thermal barrier coating 19 preferably has a layer thickness of 0.1 mm to 1.5 mm.

Claims (13)

Keramisches Wärmedämmschichtsystem (1), das zumindest aufweist: ein Substrat (4), insbesondere aus einer nickel- oder kobaltbasierten Superlegierung, eine metallische Haftvermittlerschicht (7) auf dem Substrat (4), insbesondere direkt auf dem Substrat (4), optional eine Oxidschicht (10) auf der metallischen Haftvermittlerschicht (7), die (10) durch ein weiteres Beschichten oder durch Voroxidation oder durch den Einsatz des keramischen Wärmedämmschichtsystems (1) im Betrieb entstanden ist, eine untere keramische Wärmedämmschicht (13) mit einer unteren Schichtdicke, optional eine keramische Zwischenschicht (16) auf der unteren Wärmedämmschicht (13), die (16) eine mindestens 30% geringere Schichtdicke gegenüber der unteren Schichtdicke der unteren keramischen Wärmedämmschicht (13) aufweist und eine äußere keramische Wärmedämmschicht (19) mit einer äußeren Schichtdicke, die (19) eine andere chemische Zusammensetzung als die untere keramische Schicht (13) aufweist. Ceramic thermal barrier coating system ( 1 ) comprising at least: a substrate ( 4 ), in particular of a nickel- or cobalt-based superalloy, a metallic adhesion promoter layer ( 7 ) on the substrate ( 4 ), in particular directly on the substrate ( 4 ), optionally an oxide layer ( 10 ) on the metallic adhesion promoter layer ( 7 ), the ( 10 ) by further coating or by pre-oxidation or by the use of the ceramic thermal barrier coating system ( 1 ) in operation, a lower ceramic thermal barrier coating ( 13 ) having a lower layer thickness, optionally a ceramic intermediate layer ( 16 ) on the lower thermal barrier coating ( 13 ), the ( 16 ) an at least 30% smaller layer thickness compared to the lower layer thickness of the lower ceramic thermal barrier coating ( 13 ) and an outer ceramic thermal barrier coating ( 19 ) having an outer layer thickness which ( 19 ) a different chemical composition than the lower ceramic layer ( 13 ) having. Schichtsystem nach Anspruch 1, bei dem die untere keramische Wärmedämmschicht (13) Mikrorisse aufweist. Layer system according to Claim 1, in which the lower ceramic thermal barrier coating ( 13 ) Has microcracks. Schichtsystem nach Anspruch 1, bei dem die äußere keramische Wärmedämmschicht (19) vertikal segmentiert ist. Layer system according to Claim 1, in which the outer ceramic thermal barrier coating ( 19 ) is vertically segmented. Schichtsystem nach einem oder beiden der Ansprüche 1 oder 2, bei dem das Material der unteren keramischen Wärmedämmschicht (13) Zirkonoxid, insbesondere teilstabilisiertes Zirkonoxid, ganz insbesondere Yttrium-teilstabilisiertes Zirkonoxid aufweist. Layer system according to one or both of Claims 1 or 2, in which the material of the lower ceramic thermal barrier coating ( 13 ) Zirconium oxide, in particular partially stabilized zirconium oxide, very particularly yttrium partially stabilized zirconium oxide. Schichtsystem nach einem oder beiden der Ansprüche 1 oder 4, bei dem das Material der keramischen Zwischenschicht (16) dem Material der unteren keramischen Wärmedämmschicht (13) entspricht und/oder Zirkonoxid, insbesondere teilstabilisiertes Zirkonoxid, ganz insbesondere Yttrium-stabilisiertes Zirkonoxid aufweist. Layer system according to one or both of Claims 1 or 4, in which the material of the ceramic intermediate layer ( 16 ) the material of the lower ceramic thermal barrier coating ( 13 ) and / or zirconium oxide, in particular partially stabilized zirconium oxide, very particularly yttrium-stabilized zirconium oxide. Schichtsystem nach einem oder beiden der Ansprüche 1 oder 3, bei dem das Material der äußeren keramischen Wärmedämmschicht (19) Gadoliniumoxid und Zirkonoxid oder Gadoliniumoxid und Hafniumoxid, insbesondere Gadoliniumzirkonat und/oder Gadoliniumhafnat, oder Mischungen daraus aufweist. Layer system according to one or both of Claims 1 or 3, in which the material of the outer ceramic thermal barrier coating ( 19 ) Gadolinium oxide and zirconium oxide or gadolinium oxide and hafnium oxide, in particular gadolinium zirconate and / or gadolinium hafnate, or mixtures thereof. Schichtsystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2, 4 oder 5, bei dem die metallische Haftvermittlungsschicht (7) eine Rauigkeit von 9µm bis 15µm aufweist. Layer system according to one or more of Claims 1, 2, 4 or 5, in which the metallic adhesion-promoting layer ( 7 ) has a roughness of 9μm to 15μm. Schichtsystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2, 4, 5 oder 7, bei dem die metallische Haftvermittlerschicht (7) zumindest eine NiCoCrAlY-Legierung aufweist. Layer system according to one or more of claims 1, 2, 4, 5 or 7, wherein the metallic adhesion promoter layer ( 7 ) has at least one NiCoCrAlY alloy. Schichtsystem nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 1, 3, 5 oder 6, bei dem die keramische Zwischenschicht (16) eine mindestens 10% rauere Oberfläche zur äußeren keramischen Wärmedämmschicht (19) hin aufweist als die untere keramische Schicht (13), insbesondere eine Rauigkeit von 6µm bis 12µm aufweist. Layer system according to one or more of the preceding claims 1, 3, 5 or 6, in which the ceramic intermediate layer ( 16 ) at least 10% rougher surface to the outer ceramic thermal barrier coating ( 19 ) than the lower ceramic layer ( 13 ), in particular has a roughness of 6 .mu.m to 12 .mu.m. Schichtsystem nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 1, 3, 6 oder 9, bei dem die Porosität der äußeren keramischen Wärmedämmschicht (19) bei 14% bis 22% liegt, insbesondere bei 16% bis 20%. Layer system according to one or more of the preceding claims 1, 3, 6 or 9, in which the porosity of the outer ceramic thermal barrier coating ( 19 ) is 14% to 22%, especially 16% to 20%. Schichtsystem nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche 1, 2, 4 oder 5, bei dem die Schichtdicke der unteren keramischen Wärmedämmschicht (13) bei 0,2mm bis 1mm liegt. Layer system according to one or more of the preceding claims 1, 2, 4 or 5, in which the layer thickness of the lower ceramic thermal barrier coating ( 13 ) is at 0.2mm to 1mm. Schichtsystem nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche 1, 3, 6, 9 oder 10, bei dem die Schichtdicke der äußeren keramischen Wärmedämmschicht (19) zwischen 0,1mm und 1,5mm beträgt. Layer system according to one or more of the preceding claims 1, 3, 6, 9 or 10, in which the layer thickness of the outer ceramic thermal barrier coating ( 19 ) is between 0.1mm and 1.5mm. Schichtsystem nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche 1, 5 oder 9, bei dem die Schichtdicke der keramischen Zwischenschicht (16) bei mindestens 10µm und höchstens 200µm liegt. Layer system according to one or more of the preceding claims 1, 5 or 9, in which the layer thickness of the ceramic intermediate layer ( 16 ) is at least 10μm and at most 200μm.
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