DE19715791C1 - Verfahren zur Herstellung keramischer Wärmedämmschichten mit Keulenstruktur und Verwendung des Verfahrens - Google Patents

Description

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zum Bedampfen von keramischen oder metallischen Substraten mit Zirkoniumdioxid sowie die mit diesem Verfah­ ren erhältlichen Wärmedämmschichten.

Keramische Wärmedämmschichten für den Hochtemperatureinsatz beispiels­ weise auf Gasturbinen-Bauteilen, die durch Elektronenstrahlverdampfen vor­ zugsweise von Zirkondioxid mit einer kolumnaren Mikrostruktur hergestellt wer­ den, sind bereits vielfältig beschrieben und geschützt. Der Stand der Technik umfaßt die drei wesentlichen Elemente dieser elektronenstrahlaufgedampften Wärmedämmschichtsysteme, bestehend aus einer metallischen Haftschicht, die durch Oxidation eine dichte Aluminiumoxidschicht (Korund) ausbilden kann, sodann die Aluminiumoxidschicht selbst, und eine diskontinuierliche keramische Wärmedämmschicht mit einer charakteristischen kolumnaren (säulenartigen) Struktur, die die Akkomodierung von lateralen Dehnungen des Substrates gestattet. Diese Dehnungen können von der unterschiedlichen thermischen Ausdehnung von Substrat und keramischer Wärmedämmschicht herrühren oder auch durch elastische oder plastische Verformungen im Substrat sowie durch Einwirkungen von außen (z. B. Partikelerosion) verursacht sein. Die Funktionali­ tät dieser Schichten bleibt erhalten, wenn neben ausreichender Haftung auch die zwischen den Säulen liegenden Freiräume, die die Funktion von Dehnfugen haben, bestehen bleiben. Diese dürfen deshalb nicht durch Sinterbrücken oder starke Stauchungen des Substrates gestört werden oder gar verschwinden.

Die Kondensation von Dampfteilchen auf einem festen Substrat erfolgt in drei Teilschritten:

• - lose Bindung der kondensierenden Atomen und Radikalen als sogenannte "Adatome" mit einer verhältnismäßig hohen Beweglichkeit entlang der Ober­ fläche,
• - Diffusion der Adatome während ihrer Lebensdauer zu einem niederenergeti­ schen Platz der Oberfläche hin oder deren Wiederabdampfung im Falle einer vergeblichen Platzsuche,
• - Volumendiffusion eingebauter Adatome in den endgültigen Atomverband zur Bildung von Kristallkeimen und deren Wachstum zu Kristallkolumnen.

Je näher nun der Schmelzpunkt der Substanz und die Substrattemperatur wäh­ rend des Aufdampfprozesses sich annähern, umso größer ist die Atombeweg­ lichkeit und umso dichter werden dadurch auch die aufwachsenden Schichten. Dabei entstehen abhängig von der homologen Temperatur der Schichtsubstan­ zen verschiedene charakteristische Schichtstrukturen. Diese Schichtstrukturen sind vielfach beschrieben worden. Am bekanntesten ist das Drei-Zonen-Struk­ turmodell von B. A. Movchan et al.; Study of the structure and properties of thick vacuum condensates of nickel, titanium, tungsten, aluminium oxide and zirconi­ um dioxide, Fiz. Met. Metalloved. 28 (1969) S. 83-90. In Zone 1 bei homologen Temperaturen T_s bis etwa 0,26 (bei Oxiden, bis 0,3 bei Metallen) entstehen na­ delförmige diskontinuierliche und sehr dünne Kristallite mit hoher Defektdichte. Sie sind in dieser Form für hohe thermische und mechanische Belastungen un­ geeignet. Die Zone 2 (T_s bis 0,45) ist, wie bereits für das ZrO₂-Wachstum der Wärmedämmschichten zuvor erwähnt, durch vorherrschende Oberflächendiffu­ sion geprägt. Die Schichten wachsen kolumnar und kontinuierlich, wobei bei höheren Temperaturen die dickeren Stengel wachsen. Zwischen den Stengeln sind Berührungspunkte sowie Zwischenräume, die den Schichten eine gewisse Pseudoplastizität verleihen. Das Freivolumen der Zwischenräume nimmt jedoch mit steigender Temperatur ab. Oberhalb von 0,45 T_s dominiert die Volumendif­ fusion und führt zu dichten Strukturen.

Wird nun das Substrat während des Schichtwachstums im Temperaturbereich vorherrschender Oberflächendiffusion kontinuierlich gedreht, um es beispielsweise rundum zu beschichten, so erfahren diese Schichtstrukturen eine nochmalige Modifizierung ihrer Gestalt. Die Stengelstruktur wird auf Grund von effektiveren Wachstumsauslesemechanismen zur Vergröberung ihrer Gestalt gedrängt und erhält dabei eine <001<-Textur aufgeprägt. Die <110<-Richtung oder die <100<- Richtung liegt dabei in der Regel in Richtung der Rotationsachse unabhängig von links oder rechts laufendem Drehsinn. Auch ein wiederholtes Reversieren hat keinen markanten Einfluß. Die Stengeldurchmesser werden nicht nur durch zuneh­ mende Temperaturen dicker, sondern lassen sich ebenso durch eine Zunahme der Umdrehungsgeschwindigkeit vergröbern, wie Untersuchungen von U. Schulz; Wachstum, Mikrostruktur und Lebensdauer von elektronenstrahlaufgedampften Wärmedämmschicht-Systemen für Turbinenschaufeln, Verlag Shaker Aachen (1995) S. 1-133, belegen.

Die tatsächlich beobachteten Schichtstrukturen in Wärmedämmschichten aus Zirkoniumoxiden zeigen beispielsweise weitgehend parallele Stengelstrukturen in einer feinen Ausbildung, wenn stationär bei etwa 0,4 T_s aufgedampft wurde. Weitgehend parallele Stengelstrukturen, allerdings in einer groben Ausbildung, treten auf bei Rotation bei wesentlich erhöhten Temperaturen, wenn z. B. 0,55 T_s und 12 UPM oder 0,46 T_s und 30 UPM erreicht werden. Bei wesentlich nied­ rigeren Temperaturen/Umdrehungsgeschwindigkeiten (beispielsweise 0,4 T_s und 12 UPM) treten verzweigte und nicht über die gesamte Schichtdicke rei­ chende schlanke Stengel auf. In einem mittleren Regime (z. B. 0,4 T_s und 30 UPM oder 0,46 T_s und 12 UPM) treten Wachstumsauslesemechanismen stark in den Vordergrund, die viele dünne Stengel zu Anfang des Schichtwachstums hervorbringen und im weiteren Verlauf des Wachstums deren Zahl drastisch vermindern sowie den Durchmesser der noch verbliebenen Stengel wachsen lassen. Dadurch tritt eine konische und z. T. leicht keulige Struktur insbesonde­ re unter denjenigen Kolumnen auf, die vom Fuß kontinuierlich bis zur Oberflä­ che gewachsen sind. Die dünnen Keulenhälse sind mit dem Substrat verhaftet. Die große Mehrzahl der im Haftbereich gekeimten Kolumnen erreicht die Ober­ fläche der Schicht nicht, sondern beendet das Wachstum in einem frühen oder mittleren Stadium.

Die Einstellung der gewünschten Schichtstrukturen wird großtechnisch durch gezielte Kontrolle der Hauptparameter Substrattemperatur, Gesamtgasdruck im Bedampfungskessel sowie Sauerstoffpartialdruck und Umdrehungsgeschwin­ digkeit der Substrate während des Beschichtens erreicht, wie von Rigney et al.; PVD thermal barrier applications and process development for aircraft engines, NASA conference publication, 3312 (1995) S. 135-149, und US-PS 5,350,599 berichtet wird. Vor dem Beschichten ist der Oberflächenzustand der Proben mitentscheidend für die Haftung und für die Ausbildung der Schichtstrukturen.

Eine Verbesserung der Haftung der Wärmedämmschicht wird durch eine be­ sonders ebene Ausbildung (polieren) der metallischen Haftschicht in US-PS 4,321,310 beschrieben. Auf dieser Fläche wird durch thermische Oxidation eine dünne Korundschicht vor dem Beschichten erzeugt, die ähnlich eben wie das Substrat ausgebildet ist. Darauf wird eine Wärmedämmschicht aufgedampft, die eine senkrechte Stengelausrichtung im Sinne des Patentes haben muß. - Selbstverständlich ist auch auf ebenen Substraten, die ausschließlich aus Ko­ rund bestehen, eine guthaftende Wärmedämmschicht durch direkte Elektronenstrahlaufdampfung auf Korund aufbringbar, wie Untersuchungen von Schmücker et al.; Haftmechanismen in ausgewählten EB-PVD- Wärmedämmschichtsystemen, Fortschrittsberichte der Deutschen Keramischen Gesellschaft, 10 (1995) 4, S. 379-384, zeigen.

Die Rauhigkeit der Substratoberfläche initiiert die Ausbildung unterschiedlich geordneter und gestörter Schichtstrukturen, wie Rigney et al. (loc. cit.) zeigen. D. h. im Umkehrfall wird von einer sehr ebenmäßigen (polierten) Oberfläche ein Parallelwachstum der Stengel gefördert. Die Störungen der Säulen, die bei­ spielsweise aus spannungsgeometrischen Überlegungen heraus sinnvoll sein können, sind jedoch schädlich für die Haftung, da sie mit einer stark verzahnten Me/MeO-Zwischenschicht erkauft werden, die unter Wärmewechselbelastungen als Quelle für zusätzliche Spannungsüberhöhungen im Haftbereich dienen. Dadurch wird ein vorzeitiges Bruchversagen innerhalb der keramischen Schicht nahe dem Me/MeO- Übergang begünstigt. Insofern darf ein gewisses Maß an Rauhigkeit zum Wohl einer guten Haftung an dieser kritischen Stelle nicht überschritten werden.

US-PS 5,514,482 beschreibt die Herstellung einer Wärmedämmschicht aus Y₂O₃-stabilisiertem ZrO₂, die eine offene, säulenartige Mikrostruktur aufweist, wobei die Säulen an der Basis geringere Durchmesser als im Außenbereich aufweisen.

US-PS 5,087,477 beschreibt ein Verfahren zur Beschichtung metallischer Substrate wie Gasturbinenflügel aus Superlegierungen auf Ni-Basis mit oxidkermaischen Wärmedämmschichten aus stöchiometrischem ZrO₂ . Y₂O₃ durch Elektronenstrahlbedampfung in Gegenwart von Sauerstoff mit Substratdrehung um die Substratachse. Die Schichten weisen eine für das Verfahren charakteristische Säulenstruktur auf.

Es ist daher die wesentliche Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die kritische Haftfläche Me/MeO mit einer optimalen geringen Rauhigkeit auszulegen und die sich darauf abscheidende Wärmedämmschicht mit einer optimalen Schichtstruktur, die unabhängig von der Rauhigkeit der Haftschicht einstellbar ist, aufzubringen.

Die vorgenannte Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Weitere Ausgestaltungen sind den abhängigen Ansprüchen zu entnehmen.

Der Erfindung liegt zugrunde, daß aus mechanischer, spannungsgeometri­ scher und thermodynamischer Sicht die derzeit propagierte und auch im Ein­ satz be­ findliche kolumnare Mikrostruktur der aufgedampften Wärmedämmschichten aus Zirkoniumoxid noch nicht das Optimum darstellt. Sie hat die Zielvorstellung, daß es günstigere Strukturen in Hinblick auf Lebensdauer, Schadensverlauf und Hochtemperaturbeständigkeit gibt. Es werden entsprechende Strukturele­ mente entwickelt. Auch wurde verfahrenstechnisch nachgewiesen, daß sich Schichten mit den entsprechenden Strukturelementen gezielt durch Elektronen­ strahlverdampfen real herstellen lassen.

Beim Betrieb von z. B. Turbinenschaufeln mit Wärmedämmschichten treten, wie oben erwähnt, durch Dehnungsbeanspruchung Relativbewegungen zwischen Substrat und Wärmedämmschicht auf. Diese Bewegungen müssen jedoch nicht notwendigerweise ausschließlich lateral, d. h. senkrecht zur Säulenstruktur, ver­ laufen, wie in der Regel im Stand der Technik erörtert. Die Bewegung kann auch durch Kipp- und Hebelmomente beeinflußt sein. Wie mechanistische Überlegungen zeigen, führen diese Momente auch zu transversalen Span­ nungsanteilen. Diese Situation sei in einer Prinzipskizze in Fig. 1 vereinfacht dargestellt.

Fig. 1 zeigt das Verformungsverhalten der metallischen Haftzone einer Säule unter Kippbelastung, insbesondere eine (einzelne) Kolumne oder Säule, die mit ihrer Basisfläche auf der darunterliegenden Haft- und Aluminiumoxidschicht durch (chemische) Haftung befestigt ist. Wird diese Säule im Bereich des Kop­ fes mit einer Kraft G seitlich beaufschlagt, so wird sie dort um einen Weg a ver­ kippt. Für einseitig eingespannte Balken gilt nach den Gesetzen der Biegebal­ kenmechanik, daß im Fuß des Balkens die höchste Spannung anliegt. Dort ist mit bevorzugtem Brechen des Balkens zu rechnen. Dieser Fall sei auf eine Ko­ lumne übertragen. Es sei die Aufrechterhaltung völliger Haftung zwischen Ba­ sisfläche und Haftschicht vorausgesetzt, selbst wenn der Kopf der Kolumne um den Weg a verschoben wird. Dieses Biegemoment führt je nach E-Modul und Fließgrenze der beteiligten Materialien zu einer mehr oder minder starken Be­ anspruchung in der Wurzel. Teilbereiche der Wurzel werden elastisch be­ ansprucht, doch bei höheren Temperaturen werden insbesondere die Außen­ bereiche der Wurzel auch zunehmend plastisch verformt. Bei der vorgegebe­ nen Säulengeometrie ist unter einer angelegten mechanischen Wechselspan­ nung von ± G mit Ermüdungserscheinungen des Materials und dadurch beding­ tem Ablösen der Säule oder Schicht zu rechnen.

Wird jedoch anstelle der parallel orientierten Säulengeometrie eine erfindungs­ gemäß veränderte Geometrie in der Art einer Keule angenommen, wobei die verjüngte Spitze der Keule den Fuß darstellt, und wird die Keule um den glei­ chen Weg a verschoben, wie in Fig. 1 skizziert, verbleibt der Wurzelfuß jedoch noch voll im elastischen Bereich. Ermüdungserscheinungen des Materials blei­ ben somit aus.

Fig. 2 zeigt die Aufteilung einer lateralen Spannung s in zwei kleinere Quer­ spannungsanteile q und r an einer keulenartigen Säule und belegt, daß auch bei Aufnahme von lateralen Spannungen die Keulenstrukturen besonders vor­ teilhaft sind. Der Spannungsvektor s kann gemäß dem Winkelbetrag der koni­ schen Begrenzung α aufgeteilt werden in zwei Teilvektoren r und q, wobei r der energiedissipativen Reibung angehört. Dieser vorteilhafte Term wird im Verhält­ nis umso größer, je größer der Winkelbetrag α der konischen Begrenzung ein­ gestellt werden kann. D. h. je größer der Öffnungswinkel α der Keule ist, umso effektiver kann der Spannungsabbau durch Konversion in Reibungsenergie er­ folgen.

Die Keulenstruktur läßt sich gezielt durch die erfindungsgemäße Prozeßführung einstellen und verstärken. Das Grundmuster der Keulengeometrie ist bereits im Ansatz aus dem bekannten Strukturdiagramm nach Movchan et al. (loc. cit.) das jedoch an starren, also nicht rotierenden Substraten ermittelt wurde, ersichtlich. In den erfindungsgemäßen Versuchen zeigte sich, daß die Umdrehungs­ geschwindigkeit ω der Substrate während der Beschichtung herausragende Bedeutung für die Ausbildung einer teilweise keulen- und kelchartigen bzw. kro­ kusähnlichen Geometrie hat. Der optimale Bereich für die Erzielung dieser Struktur ist durch nachfolgende zwei mathematische Gleichungen eingrenzbar:

wobei T für die Substrattemperatur °K und
ω für die Umdrehungsgeschwindigkeit in UPM des Substrats steht,
wobei man die Umdrehungsgeschwindigkeit kontinuierlich oder diskontinuier­ lich, sowie alternativ in wechselnden Drehrichtungen variiert.

Dieser Temperaturkorridor ist erfindungsmäßig besonders geeignet, um dort der Schicht eine grobe Streifung in ihrem Fußbereich aufzuprägen und um durchgehende keulenartige Kristallsäulen sowie gebogen-verschlungene schlankere Nachbarsäulen zu erzeugen, wobei diese Merkmale durch eine ent­ sprechende Führung der Drehzahl bedingt oder verstärkt werden. Die minimale Drehzahl am Anfang und die maximale Drehzahl sollen sich vorzugsweise um den Faktor zwei oder mehr unterscheiden.

In eigenen Versuchen wurden rasche Änderungen der Rotationsgeschwindig­ keit von schnell zu langsam oder von langsam zu schnell durchgeführt. Sie zeigten, daß sich die Schicht umgehend entsprechend den aktuellen Konden­ sationsbedingungen ausprägt. Somit sind über den Geschwindigkeitsparameter vielfältige Strukturänderungen herbeiführbar. Durch Ändern der Drehgeschwin­ digkeit ändert sich hingegen die integrale Dichte (dies ist die geometrisch be­ stimmbare Dichte, die aus der Dichte der Keramiksäulen und der dazwischen­ liegenden Porosität in Form von Dehnfugen resultiert) der Wärmedämmschicht nicht bzw. nicht wesentlich, wie ebenfalls eigene Versuche ergaben. So wurde bei Vergleichsversuchen bei der Erzeugung von 250 µm dicken Schichten auf identischen Rundstäben mit 7 mm Durchmesser, wo lediglich deren axiale Um­ drehungsgeschwindigkeit geändert wurde und alle anderen Parameter wie z. B. Gasdrücke, Substrattemperatur und Aufdampfrate konstant gehalten wurden, folgende Dichten bestimmt:

Die mittlere Größe der oberen Säulendurchmesser wiederum ist, wie im Stand der Technik bekannt, stark durch die Umdrehungsgeschwindigkeit beeinflußbar. Wegen der konstanten Dichte wird die Größe der Dehnfuge im gleichen Sinne wie der Säulendurchmesser beeinflußt: bei steigender Rotationsgeschwindig­ keit erhöhen sich der Säulendurchmesser und die Größe der Dehnfuge. Somit ist in Schichten, die stark konische Säulenelemente mit dünnen Fußbereichen enthalten, mit einer nach außen zunehmenden Breite der Dehnfugen zu rech­ nen. Auch dies ist ein für die Pseudoplastizität der Keramikschichten vorteilhaf­ ter und damit bedeutsamer Aspekt.

Eine langsame Umdrehungsgeschwindigkeit fördert die Bildung vieler kurzer und auch verzweigter Kristallstengel, d. h. es liegt eine besonders hohe Keim­ bildungsrate vor. Hohe Temperaturen lassen diese Besonderheit wieder zu­ rücktreten. Insofern ist es für die Erzielung einer hohen Keimdichte sinnvoll, die Ankeimungsphase sowohl bei niedrigen Umdrehungsgeschwindigkeiten als auch bei niedrigeren Temperaturen außerhalb der Bereiche, die durch die Glei­ chungen (a) und (b) vorgegeben sind, vorzunehmen. Während der Ankeimpha­ se wird etwa bis zu 25% der Gesamtschichtdicke hergestellt. Niedrigere Tem­ peraturen bezeichnen hierbei den Temperaturbereich, der unterhalb der für die Ausbildung stark konischer Strukturelemente und für die Erzielung der Keulen­ struktur liegt.

In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird die Dre­ hung des Substrats im Verlauf des Verfahrens nicht konstant gehalten, sondern von minimalen zu maximalen Drehzahlen verändert. Besonders bevorzugt in diesem Sinne ist es, wenn das Verhältnis der maximalen Drehzahl zur minima­ len Drehzahl wenigstens 2 beträgt.

Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich besonders zur Herstellung von sich nach außen vergröbernden Stengelstrukturen mit einem oberen Stengel­ durchmesser von 10 bis 100 µm.

Eine weitere Variationsmöglichkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, die effektiv eingebrachte Leistung in das System zu reduzieren, beispiels­ weise die Substrattemperatur während des Verfahrens konstant zu halten oder zu reduzieren. So ist es bevorzugt, bei sich während des Prozesses absenken­ der Substrattemperatur, wobei die Temperaturabsenkung beliebig ist, diese vorrangig aber durch Leistungsabsenkung der Elektronenstrahlkanone, bei Viel­ tiegelabdampfung durch Abschalten/Inaktivieren einer oder mehrerer Kanonen oder Verdampfungsquellen durch Aktivieren einer Kaltwand oder Kälteplatte im Verdampfungrezipienten, durch Einbringen eines Strahlungsschirmes zur Ab­ sorption der vom Schmelzbad emittierten Strahlungsleistung, durch Vergröße­ rung des aktiven Innenraums im Verdampferrezipienten, durch Abschalten ei­ ner Zusatzheizung oder Vergrößerung des Abstandes zwischen Substrat und Verdampferbad einzustellen.

Im Sinne des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es bevorzugt, zunächst im Bereich der Keulenbildung zur Prägung eines Wachstums mit Kolbenstruktur zu verharren, sodann aber bei gleichen Temperaturen, aber höheren Um­ drehungsgeschwindigkeiten fortzuführen. Dieser Übergang kann gleitend oder abrupt erfolgen. Dabei kann die Keimbildung durchaus unterhalb des Tempera­ turkorridors für die Keulenbildung liegen.

Im Anschluß an das erfindungsgemäße Verfahren ist es möglich, bei höheren Temperaturen im oder oberhalb des Bereichs der Keulenbildung nachzuglühen.

Fig. 3 zeigt die Struktur einer 250 µm dicken Schicht, die nach der spezifischen Art der Erfindung hergestellt worden ist, mit den ausgeprägten Strukturelemen­ ten, die von der Säulenform abweichen, als rasterelektronische Aufnahme ei­ nes Bruchbildes und läßt die räumliche Anordnung der Struktur besser erken­ nen.

In der Fig. 4 wird das gemäß Fig. 3 erhaltene Rasterbild nochmals als Prinzip­ skizze wiedergegeben. Beide Figuren zeigen die keulenartige Säule a, die von s-förmig gebogenen schlanken Nachbarsäulen b und c umgeben ist.

Die Schicht wurde auf ein Substrat mit einer geringen Rauhigkeit von nur R_a = 2 µm folgendermaßen aufgetragen:

Das Substrat wurde auf 980°C aufgeheizt und sodann bei 960 bis 980°C dre­ hend beschichtet. Die Ankeimphase wurde mit 4 UPM gestartet, sodann wurde die Umdrehungsgeschwindigkeit innerhalb von 30 Minuten kontinuierlich bis auf 50 UPM erhöht. Fig. 5 zeigt den während der Aufdampfung gewählten zugehö­ rige Geschwindigkeitsverlauf. Demnach sind zu Beginn etwa 25% der gesam­ ten Schichtdicke unterhalb des "Keulenkorridors" aufgedampft worden. Die er­ zielte Struktur ist somit im Fußbereich durch starke Keimbildung geprägt. Daran anschließend wurde im "Keulenkorridor" aufgedampft, wo das Schichtwachstum von den Bedingungen einer verschärften Wachstumsauslese bestimmt wird.

Sie führt einmal zur Bildung bauchig-keuliger Säulen (Winkelbetrag der koni­ schen Begrenzung α ist bei einzelnen Kristalliten bei 15 bis 20°, wie in Fig. 2 dargestellt) sowie zum anderen zu einem gebogen-verschlungenen Wachstum (S-förmig) der schlankeren Nachbarsäulen, das ihnen von den dominierenden keulenförmigen Säulen mit größerem Durchmesser aufgezwungen wird, wie in Fig. 3 und Fig. 4 ersichtlich ist. Das Auftreten dieser Strukturkomponente war überraschend und nicht vorhersehbar, ist jedoch in mechanischer Hinsicht von Bedeutung. Gerade durch ihre enge Nachbarschaft zu den bauchigen Säulen wird von jenen das Einwirken von lateralen Spannungen abgefedert, so als ob sie einen Puffer aus Schichtmaterial mit verringertem E-Modul darstellen wür­ den.

Die variable Prozeßführung wird in den Detailvergrößerungen in Fig. 6 sichtbar (ZRO2#8). Dort ist eine sägezahnartige Schichtung von ca. 1,5 µm je Lage im Fußbereich gebildet worden, die durch die langsame Umdrehung während der Startphase - je Umdrehung eine Lage Zuwachs - entstanden ist. Diese für den Fußbereich dieser strukturspezifischen Schichten charakteristische Streifung wird infolge der kontinuierlichen Erhöhung der Umdrehungsgeschwindigkeit im Laufe des weiteren Schichtwachstums zunehmend feiner und damit weniger deutlich wahrnehmbar.

Die wesentlichen Bereiche der Strukturen, die mit der erfindungsgemäßen Ver­ fahrensweise erreicht wurden, seien unter Angabe der erreichten Funktionalität zusammengefaßt:

Der Fußbereich ist gekennzeichnet durch

• - seine grobe Streifung
• - intensive Keimbildner (zur Erzielung einer hohen Keimdichte durch Einstellen einer langsamen Drehbewegung und evtl. durch eine zusätzliche Tempera­ turführung unterhalb des Temperaturkorridors, der für die Ausbildung koni­ scher Strukturelemente optimal geeignet ist)
• - chemische Haftung durch die erreichte Anbindung der keramischen Schicht
• - mechanische Verklammerung mit den Nachbarkristalliten auf Grund der gro­ ben beidseitigen Sägezahn-Profilierung (Streifung), welche insbesondere den dicken schweren keulenartigen Kristallen zusätzlichen Halt verleiht
• - elastomechanisch wirkender Übergang zwischen Substrat und Wärmedämmschicht.

Der Zwischenbereich, ist gekennzeichnet durch konische Strukturelemente mit großem Öffnungswinkel und Abnahme der Streifung sowie gebogen-verschlun­ gene schlankere Nachbarsäulen, welche dienen als

• - Absorptionszone für einen Teil der Lateralspannungen durch Konversion in Reibungsenergie (an den Keulenflanken) und
• - E-Modul-Senke (durch S-förmig gebogene Strukturelemente)

Der Kopfbereich ist gekennzeichnet durch besonders große Durchmesser der Kristallkolumnen, die gegen den thermodynamischen Zwang des Sinterns auf Grund der großen Durchmesser und relativ großen Dehnfugen besonders be­ ständig sind.

Die beanspruchten Strukturkomponenten sind als strukturelle Besonderheiten zu werten und können gezielt als Kristallform gezüchtet werden. Es wurde ge­ zeigt, daß diese Strukturkomponenten Vorteile in mechanistischer, spannungs­ geometrischer und thermodynamischer Hinsicht bieten. Darüber hinaus wird ein Weg für die gezielte Ausführung solcher Strukturkomponenten unabhängig von der Rauhigkeit des Substrates allein über die besondere Art der Prozeßführung bei der Elektronenstrahlaufdampfung gewiesen.

Eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfaßt somit die Herstellung keramischer Wärmedämmschichten aus Zirkoniumdioxid, die gegebenenfalls mit Seltenerdmetalloxiden oder Oxidgemischen, insbesondere mit Y₂O₃, CeO₂, Sc₂O₃, Yb₂O₃ oder deren Gemischen dotiert sind, die eine Keulenstruktur aufweisen und mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens erhältlich sind.

Besonders bevorzugt im Sinne der vorliegenden Erfindung wird das Verfahren zum Beschichten von Turbinenschaufeln eingesetzt.

Claims (7)

1. Verfahren zum Bedampfen von keramischen oder metallischen Substraten mit Zirkoniumdioxid, das gegebenenfalls mit Seltenerdmetalloxiden oder Oxidge­ mischen dotiert ist, in einem Temperaturbereich von 600 bis 1550°C Substrat­ temperatur bei Drehung des Substrats im Bereich von 1 bis 300 UPM, dadurch gekennzeichnet, daß man im Anschluß an die Ankeimphase mit geringer Um­ drehungsgeschwindigkeit des Substrats, die Drehgeschwindigkeit und die Tempe­ ratur im Bereich einstellt, die durch die Gleichungen
definiert sind,
wobei T für die Substrattemperatur in °K und
ω für die Umdrehungsgeschwindigkeit in UPM des Substrats steht,
wobei man die Umdrehungsgeschwindigkeit kontinuierlich oder diskontinuierlich, sowie alternativ in wechselnden Drehrichtungen variiert.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehung des Substrats während des Verfahrens von minimalen auf maximale Drehzahlen geändert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhält­ nis der maximalen Drehzahl zur minimalen Drehzahl wenigstens 2 beträgt.

4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß sich nach außen vergröbernde Stengelstrukturen mit einem äußeren Stengeldurchmesser von 10 bis 100 µm gebildet werden.

5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß man die Substrattemperatur während des Verfahrens konstant hält oder reduziert.

6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß man die in das System eingebrachte Leistung reduziert durch

• a) Temperaturabsenkung des Substrats,
• b) Leistungsabsenkung der Elektronenstrahlkanone,
• c) bei Vieltiegelabdampfung durch Abschalten und/oder Inaktivieren einer oder mehrerer Kanonen und/oder Verdampfungsquellen,
• d) Aktivieren einer Kaltwand oder Kälteplatte im Verdampferrezipienten,
• e) Einbringen eines Strahlungsschirms zur Absorption der vom Schmelzbad emittierten Strahlungsleistung,
• f) Vergrößerung des aktiven Innenraums im Verdampferrezipienten, durch Ab­ schalten einer Zusatzleistung und/oder
• g) Vergrößerung des Abstandes zwischen Substrat und Verdampfungsquelle.

7. Verwendung des Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6 zur Beschichtung von Turbinenschaufeln.