[go: up one dir, main page]

DE19801424B4 - Thermal insulation for high temperatures and its use - Google Patents

Thermal insulation for high temperatures and its use Download PDF

Info

Publication number
DE19801424B4
DE19801424B4 DE19801424A DE19801424A DE19801424B4 DE 19801424 B4 DE19801424 B4 DE 19801424B4 DE 19801424 A DE19801424 A DE 19801424A DE 19801424 A DE19801424 A DE 19801424A DE 19801424 B4 DE19801424 B4 DE 19801424B4
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
thermal insulation
use according
thermal
plasma spraying
barrier coating
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Lifetime
Application number
DE19801424A
Other languages
German (de)
Other versions
DE19801424A1 (en
Inventor
Robert Dr. Vassen
Frank Dr. Tietz
Detlev Prof. Stöver
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Forschungszentrum Juelich GmbH
Original Assignee
Forschungszentrum Juelich GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Forschungszentrum Juelich GmbH filed Critical Forschungszentrum Juelich GmbH
Priority to DE19801424A priority Critical patent/DE19801424B4/en
Publication of DE19801424A1 publication Critical patent/DE19801424A1/en
Application granted granted Critical
Publication of DE19801424B4 publication Critical patent/DE19801424B4/en
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16L—PIPES; JOINTS OR FITTINGS FOR PIPES; SUPPORTS FOR PIPES, CABLES OR PROTECTIVE TUBING; MEANS FOR THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16L59/00—Thermal insulation in general
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/06—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the coating material
    • C23C14/08—Oxides
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/06—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the coating material
    • C23C14/08—Oxides
    • C23C14/088—Oxides of the type ABO3 with A representing alkali, alkaline earth metal or Pb and B representing a refractory or rare earth metal
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C4/00—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge
    • C23C4/04—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge characterised by the coating material
    • C23C4/10—Oxides, borides, carbides, nitrides or silicides; Mixtures thereof
    • C23C4/11—Oxides
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/12—Blades
    • F01D5/28—Selecting particular materials; Particular measures relating thereto; Measures against erosion or corrosion
    • F01D5/288—Protective coatings for blades
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T50/00—Aeronautics or air transport
    • Y02T50/60—Efficient propulsion technologies, e.g. for aircraft

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Coating By Spraying Or Casting (AREA)

Abstract

Wärmedämmstoff, insbesondere für Temperaturen über 1000 °C, dadurch gekennzeichnet, dass er aus BaZrO3 mit einer Temperaturleitfähigkeit von 7,5·10– 3 cm2/s bei 1200 °C und/oder La2Zr2O, mit einer Temperaturleitfähigkeit von 4·10–3 cm2/s bei 1200 °C und/oder SrZrO3 mit einer Temperaturleitfähigkeit von 7·10–3 cm2/s bei 500 °C besteht, und dass sein Schmelzpunkt über 1800 °C liegt.Thermal insulation, especially for temperatures above 1000 ° C, characterized in that it is made of BaZrO 3 with a temperature conductivity of 7.5 · 10 - 3 cm 2 / s at 1200 ° C and / or La 2 Zr 2 O, with a temperature conductivity of 4 · 10 -3 cm 2 / s at 1200 ° C and / or SrZrO 3 with a temperature conductivity of 7 · 10 -3 cm 2 / s at 500 ° C, and that its melting point is above 1800 ° C.

Figure 00000001
Figure 00000001

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmedämmstoff für hohe Temperaturen, insbesondere für Temperaturen über 1000 °C.The invention relates to a thermal insulation material for high Temperatures, especially for Temperatures above 1000 ° C.

Derartige Wärmedämmstoffe werden beispielsweise in den Gasturbinen von Flugtriebwerken und Wärmekraftwerken dazu verwendet, die heißen Teile, also insbesondere die Turbinenschaufeln und Brennkammern gegen die große thermische Belastung durch die heißen Gase zu schützen. Die Wärmedämmschichten sind während der Betriebsdauer der Turbine, die von einigen Stunden im Spitzenlastbetrieb bis zu einem Jahr im Grundlastbetrieb reichen kann, durchgehend sehr hohen Temperaturen ausgesetzt. Der Wirkungsgrad von Gasturbinen hängt von der Turbineneintrittstemperatur des Verbrennungsgases ab, die derzeit knapp über 1000 °C liegt. Höhere Gastemperaturen von 1300 °C und mehr können zwar erzeugt werden, sind aber derzeit nicht nutzbar, da die bekannten Materialien, die für die heißen Teile verwendet werden, diese hohen Temperaturen nicht lange genug verkraften können. Derzeit werden die besten Ergebnisse mit Bauteilen erzielt, die gerichtet erstarrte oder noch besser einkristalline Nickelbasis-Superlegierungen als Substrat aufweisen, auf das eine Wärmedämmschicht aufgebracht ist, die aus durch Zusatz von mit Yttriumoxid (Y2O3) teilstabilisiertem Zirconiumdioxid ZrO2 (abgekürzt mit YSZ) besteht.Such thermal insulation materials are used, for example, in the gas turbines of aircraft engines and thermal power plants to protect the hot parts, that is to say in particular the turbine blades and combustion chambers, against the large thermal load caused by the hot gases. The thermal insulation layers are continuously exposed to very high temperatures during the operating life of the turbine, which can range from a few hours in peak load operation to a year in base load operation. The efficiency of gas turbines depends on the turbine inlet temperature of the combustion gas, which is currently just over 1000 ° C. Higher gas temperatures of 1300 ° C and more can be generated, but are currently not usable, since the known materials used for the hot parts can not cope with these high temperatures long enough. Currently, the best results are obtained with components directionally solidified or even better single-crystal nickel-base superalloys have as a substrate on which a thermal barrier coating is applied, the partially stabilized by adding yttria (Y 2 O 3) zirconia ZrO 2 (abbreviated as YSZ) exists.

Bei höheren Temperaturen von beispielsweise 1300 °C und mehr erfolgt jedoch ein Nachsintern der YSZ-Schichten, wodurch sich eine Verschlechterung der thermomechanischen Eigenschaften ergibt, wie zum Beispiel eine Erhöhung der Temperaturleitfähigkeit sowie des Elastizitätsmoduls und eine Verringerung der quasiplastischen Eigenschaften durch die Versinterung des Rißnetzwerks.At higher temperatures, for example 1300 ° C and more, however, the YSZ layers are re-sintered, whereby deterioration in the thermomechanical properties results, such as an increase in thermal conductivity and the modulus of elasticity and a reduction in the quasiplastic properties by the Sintering of the crack network.

Die JP-A-07 292 453 offenbart eine Wärmedämmbeschichtung, die dazu dient, in Kontakt mit heißen Gasen stehende Metallteile, wie zum Beispiel die Laufschaufeln und die Leitschaufeln von Gasturbinen, gegen Hochtemperatur-Oxidation zu schützen. Diese Wärmedämmbeschichtung wird dadurch auf das Metallteil aufgebracht, dass es zunächst unter Verwendung von Niederdruck-Plasmaspritzen mit MCrAlY (M steht für Ni und/oder Co) beschichtet wird, dass dann diese Schicht unter Verwendung von atmosphärischem Plasmaspritzen mit ZrO2-Y2O3 beschichtet wird, und dass schließlich eine anorganische Glasur auf die ZrO2-Y2O3-Schicht aufgestrichen und dann gebrannt oder direkt thermisch aufgespritzt wird.The JP-A-07 292 453 discloses a thermal barrier coating that serves to protect metal parts in contact with hot gases, such as the blades and vanes of gas turbines, against high temperature oxidation. This thermal barrier coating is applied to the metal part by first coating it with MCrAlY (M stands for Ni and / or Co) using low-pressure plasma spraying, and then by using atmospheric plasma spraying with ZrO 2 -Y 2 O 3 is coated, and that finally an inorganic glaze is spread onto the ZrO 2 -Y 2 O 3 layer and then fired or directly thermally sprayed on.

Die SU-A-305 152 offenbart einen feuerfesten Zement, der Strontiumaluminat und Strontiumzirkonat enthält. Der Zement wird dadurch erhalten, dass eine Mischung, die 46,15 bis 46,62 Gew.-% SrO, 43,46 bis 48,89 Gew.-% ZrO2 und 4,96 bis 9,92 Gew.-% Al2O3 enthält, bei 1400 bis 1500 °C gebrannt wird. Der resultierende Zement enthält 10 bis 20 Gew.-% SrO·Al2O3 und 80 bis 90 Gew.-% SrO·ZrO2 und schmilzt bei 2200 bis 2300 °C.The SU-A-305 152 discloses a refractory cement containing strontium aluminate and strontium zirconate. The cement is obtained by mixing a mixture containing 46.15 to 46.62% by weight of SrO, 43.46 to 48.89% by weight of ZrO 2 and 4.96 to 9.92% by weight of Al 2 O 3 contains, is burned at 1400 to 1500 ° C. The resulting cement contains 10 to 20% by weight of SrO.Al 2 O 3 and 80 to 90% by weight of SrO.ZrO 2 and melts at 2200 to 2300 ° C.

Die JP-A-50 035 011 offenbart eine feuerfeste Beschichtung für Transportwalzen in einem Blankglühofen, bei der Calziumzirkonat zum Schutz der walze gegen Eisenoxide verwendet wird. Diese Beschichtung wird dadurch hergestellt, dass die Walze unter Verwendung von Plasmaspritzen nacheinander mit Ni-Cr-Pulver, mit einer Mischung aus 70 Gew.-% Ni-Cr und 30 Gew.-% CaZrO3 und mit CaZrO3-Pulver beschichtet wird. Es wird darin festgestellt, dass diese Beschichtung nicht durch Eisenoxide attackiert wird, wohingegen diejenigen Walzen, die mit Al2O3, Al2MgO4, ZrO2 oder MgZrO3 beschichtet sind, eine deutliche Reaktion mit Eisenoxiden zeigen.The JP-A-50 035 011 discloses a refractory coating for transport rollers in a bright annealing furnace, in which calcium zirconate is used to protect the roller against iron oxides. This coating is produced by coating the roller successively with Ni-Cr powder, with a mixture of 70% by weight Ni-Cr and 30% by weight CaZrO 3 and with CaZrO 3 powder using plasma spraying. It is found that this coating is not attacked by iron oxides, whereas those rollers which are coated with Al 2 O 3 , Al 2 MgO 4 , ZrO 2 or MgZrO 3 show a clear reaction with iron oxides.

Die DE-A-42 10397 offenbart eine Temperatursensor für Verbrennungsgase, der aus SrZrO3 besteht und durch Sputtern oder Siebdruck auf ein Substrat aufgebracht wird.The DE-A-42 10397 discloses a temperature sensor for combustion gases, which consists of SrZrO 3 and is applied to a substrate by sputtering or screen printing.

In JP 49 128 913 A wird ein feuerfestes Calziumzirkonat mit "Aluminium-Dotierung" offenbart.In JP 49 128 913 A a refractory calcium zirconate with "aluminum doping" is disclosed.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Wärmedämmstoffe zur Verfügung zu stellen, die den Einsatz bei höheren Temperaturen ermöglichen.It is therefore the task of the present Invention, thermal insulation materials to disposal to provide that allow use at higher temperatures.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.This task is due to the characteristics of claim 1 solved.

Es hat sich herausgestellt, dass der Schmelzpunkt des Wärmedämmstoffs ein Maß für seine Stabilität und sein Sinterverhalten ist. Im Hinblick auf die oben beschriebene Verschlechterung der thermomechanischen Eigenschaften sollte die Sinterneigung möglichst gering sein. Dies ist bei dem erfindungsgemäßen Wärmedämmstoff der Fall, da er sehr hohe, also über der bisherigen maximalen Gastemperatur von ungefähr 1000 °C liegende Sintertemperaturen benötigt und selbst bei Temperaturen über 1300 °C lange Haltezeiten zur Erlangung von Dichten über 90 % TD (Abkürzung für Prozent der theoretischen Dichte) erfordert. Die für die Wärmedämmung erforderliche geringe Temperaturleitfähigkeit des erfindungsgemäßen Zirkonat-Wärmedämmstoffs ist im betrachteten Temperaturbereich vergleichbar mit der des bekannten YSZ-Wärmedämmstoffs, die bei 5.10–3 cm2/s liegt. Außerdem besitzt der erfindungsgemäße Wärmedämmstoff einen für keramische Werkstoffe hohen Ausdehnungskoeffizienten, so dass er besonders gut zur Beschichtung von metallischen Substraten geeignet ist. Zudem zeigen die für den Wärmedämmstoff verwendeten Zirkonate eine gute thermische Stabilität und keine Phasenumwandlungen.It has been found that the melting point of the thermal insulation material is a measure of its stability and its sintering behavior. In view of the deterioration in the thermomechanical properties described above, the tendency towards sintering should be as low as possible. This is the case with the thermal insulation material according to the invention, since it requires very high sintering temperatures, i.e. above the previous maximum gas temperature of approximately 1000 ° C, and long holding times even at temperatures above 1300 ° C to achieve densities above 90% TD (abbreviation for percent theoretical density). The low thermal conductivity of the zirconate thermal insulation material according to the invention required for thermal insulation is comparable to that of the known YSZ thermal insulation material in the temperature range under consideration, which is 5.10 -3 cm 2 / s. In addition, the thermal insulation material according to the invention has a high coefficient of expansion for ceramic materials, so that it is particularly well suited for coating metallic substrates. In addition, the zirconates used for the thermal insulation material show good thermal stability and no phase changes.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.Advantageous further developments of Invention are in the subclaims described.

Der Wärmedämmstoff besteht aus Bariumzirkonat BaZrO3 und/oder Lanthanzirkonat La2Zr2O7 und/oder Strontiumzirkonat SrZrO3. Die Vorteile dieser Zirkonate liegen in ihrem extrem hohen Schmelzpunkt, ihrer sehr geringen Sinterneigung und Temperaturleitfähigkeit, ihrem hohen thermischen Ausdehnungskoeffizienten und ihrer guten thermischen Stabilität. So weist Bariumzirkonat einen Schmelzpunkt von 2690 °C, eine Sinterdichte von 80 %TD nach 10 Stunden Haltezeit bei 1600 °C und von 97 %TD nach 10 Stunden Haltezeit bei 1650 °C, eine Temperaturleitfähigkeit von 7,5·10–3cm2/s bei 1200 °C und einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von 9,9·10–6 K–1 bei 1100 bis 1400 °C auf. Lanthanzirkonat weist einen Schmelzpunkt von 2300 °C, eine Sinterdichte von 57 %TD nach 10 Stunden Haltezeit bei 1600 °C und von 66 %TD nach 10 Stunden Haltezeit bei 1650 °C, eine Temperaturleitfähigkeit von 4·10–3 cm2/s bei 1200 °C und einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von 10·10–6 K–1 bei 1100 bis 1400 °C auf.The thermal insulation material consists of barium zirconate BaZrO 3 and / or lanthanum zirconate La 2 Zr 2 O 7 and / or strontium zirconate SrZrO 3 . The advantages of these zirconates are their extremely high melting point, their very low tendency to sinter and thermal conductivity, their high coefficient of thermal expansion and their good thermal stability. For example, barium zirconate has a melting point of 2690 ° C, a sintered density of 80% TD after 10 hours of holding time at 1600 ° C and of 97% TD after 10 hours of holding time at 1650 ° C, a temperature conductivity of 7.5 · 10 -3 cm 2 / s at 1200 ° C and a coefficient of thermal expansion of 9.9 · 10 -6 K -1 at 1100 to 1400 ° C. Lanthanum zirconate has a melting point of 2300 ° C, a sintered density of 57% TD after 10 hours of holding time at 1600 ° C and of 66% TD after 10 hours of holding time at 1650 ° C, a temperature conductivity of 4 · 10 -3 cm 2 / s 1200 ° C and a thermal expansion coefficient of 10 · 10 -6 K -1 at 1100 to 1400 ° C.

Beide Zirkonate zeigen in der Hochtemperatur-Phasenanalyse bis 1400 °C keine Phasenumwandlungen. Strontiumzirkonat weist einen Schmelzpunkt von 2800 °C, eine Temperaturleitfähigkeit von 7·10–3 cm2/s bei 500 °C und einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von 11,4·10–6 K–1 bei 1100 bis 1400 °C auf.Both zirconates show no phase changes in the high-temperature phase analysis up to 1400 ° C. Strontium zirconate has a melting point of 2800 ° C, a thermal conductivity of 7 · 10 -3 cm 2 / s at 500 ° C and a thermal expansion coefficient of 11.4 · 10 –6 K -1 at 1100 to 1400 ° C.

In Anpassung an die verschiedenen Betriebsparameter, wie Temperatur und chemische Zusammensetzung der Verbrennungsgase, thermische Wechselbeanspruchung, Beschaffenheit der zu beschichtenden Substratoberfläche und dergleichen, kann der Wärmedämmstoff ausschließlich aus einem geeigneten Zirkonat oder einer Mischung von zwei oder mehr Zirkonaten bestehen, er kann aber auch neben dem oder den Zirkonaten Dotierungsstoffe aufweisen, die im Matrixwerkstoff unlöslich sind. Ein Beispiel für einen solchen Dotierungsstoff ist Aluminiumoxid (Al2O3).In adaptation to the various operating parameters, such as the temperature and chemical composition of the combustion gases, alternating thermal stress, the nature of the substrate surface to be coated and the like, the thermal insulation material can consist exclusively of a suitable zirconate or a mixture of two or more zirconates, but it can also be in addition to that or the zirconates have dopants that are insoluble in the matrix material. An example of such a dopant is aluminum oxide (Al 2 O 3 ).

Eine Verwendung des Wärmedämmstoffs besteht in der Erzeugung einer Wärmedämmschicht auf hohen Temperaturen ausgesetzten Bauteilen.The thermal insulation material is used in the creation of a thermal barrier coating components exposed to high temperatures.

Zur Erzeugung der Wärmedämmschicht kann der Wärmedämmstoff auf ein die Grundform des Bauteils vorgebendes Substrat aufgebracht werden.To create the thermal barrier coating the thermal insulation applied to a substrate specifying the basic shape of the component become.

Die Beschichtung kann durch physikalisches Aufdampfen, das auch als PVD-Verfahren (Abkürzung für physical vapour deposition) bezeichnet wird, und insbesondere durch physikalisches Elektronenstrahl-Aufdampfen (EB-PVD-Verfahren, Abkürzung für electron beam physical vapour deposition) erfolgen. Die Beschichtung kann aber auch durch Plasmaspritzen, insbesondere atmosphärisches Plasmaspritzen erfolgen.The coating can be applied by physical vapor deposition, this also as a PVD process (abbreviation for physical vapor deposition), and in particular through physical Electron beam evaporation (EB-PVD process, abbreviation for electron beam physical vapor deposition). The coating can but also by plasma spraying, especially atmospheric Plasma spraying takes place.

Wenn das Substrat aus einer Nickelbasis-Superlegierung besteht, weist dieses Verfahren vorteilhafterweise die Schritte auf, dass auf das Substrat zunächst eine als Haftvermittler und Korrosionsschutz dienende Zwischenschicht, die im wesentlichen aus einer Legierung auf Basis von Kobalt oder Nickel mit Zusatz von Eisen und/oder Chrom und/oder Aluminium und/oder Yttrium und/oder Silizium und/oder Titan und/oder Rhenium besteht, und dass darauf dann die Wärmedämmschicht aufgebracht wird. Das Aufbringen der Zwischenschicht kann durch Plasmaspritzen, insbesondere Vakuum-Plasmaspritzen erfolgen.If the substrate is made of a nickel base super alloy this method advantageously has the steps on that to the substrate first an intermediate layer serving as an adhesion promoter and corrosion protection, which essentially consists of an alloy based on cobalt or nickel with the addition of iron and / or chrome and / or aluminum and / or Yttrium and / or silicon and / or titanium and / or rhenium, and that then the thermal insulation layer is applied. The application of the intermediate layer can be done by Plasma spraying, especially vacuum plasma spraying.

Im folgenden wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung näher beschrieben.The following is a preferred one embodiment the invention with reference to the accompanying drawings described in more detail.

1 zeigt in einem vergrößerten Ausschnitt schematisch den Schichtaufbau der ersten Schaufel einer Gasturbine. 1 shows an enlarged section schematically the layer structure of the first blade of a gas turbine.

Gemäß der 1 besteht die erste Turbinenschaufel 10 im Kern aus einem Substrat 12, das nach Bedarf geformt ist. Auf dem Substrat 12 befindet sich eine Zwischenschicht 14 mit einer Dicke von ungefähr 150 μm, und darauf wiederum eine Wärmedämmschicht 16 mit einer Dicke von ungefähr 300 μm.According to the 1 there is the first turbine blade 10 essentially a substrate 12 that is shaped as needed. On the substrate 12 there is an intermediate layer 14 with a thickness of approximately 150 microns, and then again a thermal barrier coating 16 with a thickness of approximately 300 μm.

Das Substrat 12 besteht aus einer einkristallinen Nickelbasis-Superlegierung, die auch bei hohen Temperaturen bis ungefähr 1000 °C für die erforderliche mechanische Festigkeit der Schaufel 10 sorgt. Die Zwischenschicht 14 dient als Korrosionsschutz für das Substrat 12 gegen die sehr korrosiven Verbrennungsgase und besteht aus einer sogenannten McCrAlY-Legierung, wobei Me für das Basismetall steht, das Nickel oder Kobalt sein kann. Die Zwischenschicht 14 wurde durch Vakuum-Plasmaspritzen auf das Substrat 12 aufgebracht, da hierdurch kein atmosphärischer Sauerstoff während der Beschichtung in die Zwischenschicht 14 eingebaut wird. Die Zwischenschicht 14 dient außerdem als Haftvermittler zwischen dem Substrat 12 und der Wärmedämmschicht 16. Diese Wärmedämmschicht 16 besteht aus Bariumzirkonat und wurde durch physikalisches Elektronenstrahl-Aufdampfen auf die Zwischenschicht 14 aufgebracht.The substrate 12 consists of a single-crystalline nickel-based superalloy, which is required even at high temperatures up to approximately 1000 ° C for the required mechanical strength of the blade 10 provides. The intermediate layer 14 serves as corrosion protection for the substrate 12 against the very corrosive combustion gases and consists of a so-called McCrAlY alloy, where Me stands for the base metal, which can be nickel or cobalt. The intermediate layer 14 was applied to the substrate by vacuum plasma spraying 12 applied, as this means that no atmospheric oxygen during the coating in the intermediate layer 14 is installed. The intermediate layer 14 also serves as an adhesion promoter between the substrate 12 and the thermal barrier coating 16 , This insulation layer 16 consists of barium zirconate and was deposited on the intermediate layer by physical electron beam vapor deposition 14 applied.

Eine derartige Turbinenschaufel 10 ist für Gastemperaturen von 1400 °C geeignet, da die Wärmedämmschicht 16 für ein Temperaturgefälle mit zunehmendem Abstand von der Oberfläche sorgt, so dass die Temperatur des Substrats 12 unter 1000 °C liegt.Such a turbine blade 10 is suitable for gas temperatures of 1400 ° C because of the thermal insulation layer 16 ensures a temperature gradient with increasing distance from the surface, so that the temperature of the substrate 12 is below 1000 ° C.

Die Temperaturleitfähigkeit wurde durch die Laserflash-Methode bestimmt. Dabei wurden Proben des Wärmedämmstoffs in Form von dünnen Scheiben mit 10 bis 12 mm Durchmesser und 1 bis 2 mm Dicke durch einen Nd-Glas-Laser mit einer Wellenlänge von 1064 nm einseitig bestrahlt. Die Pulsdauer betrug in der Regel 0,1 bis 2 ms. Die Leistung entsprach ca. 35 J pro Puls.The temperature conductivity was through the laser flash method certainly. Thereby samples of the thermal insulation material in the form of thin disks with a diameter of 10 to 12 mm and a thickness of 1 to 2 mm using an Nd glass laser with a wavelength irradiated on one side by 1064 nm. The pulse duration was usually 0.1 to 2 ms. The output corresponded to approx. 35 J per pulse.

Auf der Rückseite der Probe wurde die Temperaturerhöhung der Probe durch einen Infrarotdetektor ermittelt.On the back of the sample was the temperature increase the sample is determined by an infrared detector.

Die Versuche erfolgten typischerweise im Vakuum, sie können aber auch in der Atmosphäre oder unter Schutzgas durchgeführt werden.The attempts were typically made in a vacuum, they can but also in the atmosphere or performed under protective gas become.

Für die Bestimmung der Temperaturleitfähigkeit bei Temperaturen zwischen 20 und 1500 °C wurde ein Ofen verwendet.For the determination of the thermal conductivity at temperatures between 20 and 1500 ° C an oven was used.

Claims (11)

Wärmedämmstoff, insbesondere für Temperaturen über 1000 °C, dadurch gekennzeichnet, dass er aus BaZrO3 mit einer Temperaturleitfähigkeit von 7,5·10– 3 cm2/s bei 1200 °C und/oder La2Zr2O, mit einer Temperaturleitfähigkeit von 4·10–3 cm2/s bei 1200 °C und/oder SrZrO3 mit einer Temperaturleitfähigkeit von 7·10–3 cm2/s bei 500 °C besteht, und dass sein Schmelzpunkt über 1800 °C liegt.Thermal insulation, especially for temperatures above 1000 ° C, characterized in that it is made of BaZrO 3 with a temperature conductivity of 7.5 · 10 - 3 cm 2 / s at 1200 ° C and / or La 2 Zr 2 O, with a temperature conductivity of 4 · 10 -3 cm 2 / s at 1200 ° C and / or SrZrO 3 with a temperature conductivity of 7 · 10 -3 cm 2 / s at 500 ° C, and that its melting point is above 1800 ° C. Wärmedämmstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er wenigstens einen in seiner Matrix unlöslich Dotierungsstoff aufweist.thermal insulation according to claim 1, characterized in that it has at least one insoluble in its matrix Has dopant. Wärmedämmstoff nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass er mit Aluminiumoxid (Al2O3) dotiert ist.Thermal insulation material according to claim 2, characterized in that it is doped with aluminum oxide (Al 2 O 3 ). Verwendung des Wärmedämmstoffs nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Erzeugung einer Wärmedämmschicht (16) auf hohen Temperaturen ausgesetzten Bauteilen.Use of the thermal insulation material according to one of the preceding claims for producing a thermal insulation layer ( 16 ) components exposed to high temperatures. Verwendung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmedämmschicht durch physikalisches Aufdampfen (PVD-Verfahren) aufgebracht wird.Use according to claim 4, characterized in that that the thermal barrier coating is applied by physical vapor deposition (PVD process). Verwendung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmedämmschicht durch physikalisches Elektronenstrahl-Aufdampfen (EB-PVD-Verfahren) aufgebracht wird.Use according to claim 5, characterized in that the thermal barrier coating by physical electron beam evaporation (EB-PVD process) is applied. Verwendung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmedämmschicht durch Plasmaspritzen aufgebracht wird.Use according to claim 5, characterized in that the thermal barrier coating is applied by plasma spraying. Verwendung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmedämmschicht durch atmosphärisches Plasmaspritzen aufgebracht wird.Use according to claim 7, characterized in that that the thermal barrier coating through atmospheric Plasma spraying is applied. Verwendung nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass als Substrat (12) eine Nickelbasis-Superlegierung eingesetzt wird, und dass auf das Substrat (12) zunächst eine als Haftvermittler und Korrosionsschutz dienende Zwischenschicht (14), die im wesentlichen aus einer Legierung auf Basis von Kobalt oder Nickel mit Zusatz von Eisen und/oder Chrom und/oder Aluminium und/oder Yttrium und/oder Silizium und/oder Titan und/oder Rhenium besteht, und darauf dann die Wärmedämmschicht (16) aufgebracht wird.Use according to one of claims 4 to 8, characterized in that the substrate ( 12 ) a nickel-based superalloy is used, and that on the substrate ( 12 ) first an intermediate layer serving as an adhesion promoter and corrosion protection ( 14 ), which essentially consists of an alloy based on cobalt or nickel with the addition of iron and / or chromium and / or aluminum and / or yttrium and / or silicon and / or titanium and / or rhenium, and then the thermal insulation layer ( 16 ) is applied. Verwendung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufbringen der Zwischenschicht (14) durch Plasmaspritzen erfolgt.Use according to claim 9, characterized in that the application of the intermediate layer ( 14 ) by plasma spraying. Verwendung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufbringen durch Vakuum-Plasmaspritzen erfolgt.Use according to claim 10, characterized in that that the application is carried out by vacuum plasma spraying.
DE19801424A 1998-01-16 1998-01-16 Thermal insulation for high temperatures and its use Expired - Lifetime DE19801424B4 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE19801424A DE19801424B4 (en) 1998-01-16 1998-01-16 Thermal insulation for high temperatures and its use

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE19801424A DE19801424B4 (en) 1998-01-16 1998-01-16 Thermal insulation for high temperatures and its use

Publications (2)

Publication Number Publication Date
DE19801424A1 DE19801424A1 (en) 1999-07-29
DE19801424B4 true DE19801424B4 (en) 2004-08-05

Family

ID=7854781

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE19801424A Expired - Lifetime DE19801424B4 (en) 1998-01-16 1998-01-16 Thermal insulation for high temperatures and its use

Country Status (1)

Country Link
DE (1) DE19801424B4 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102011103731A1 (en) * 2011-05-31 2012-12-06 Man Diesel & Turbo Se Method for applying a protective layer, with a protective layer coated component and gas turbine with such a component
US10266420B2 (en) 2015-04-23 2019-04-23 University Of Florida Research Foundation, Inc Method for the generation of power

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10056617C2 (en) * 2000-11-15 2002-12-12 Forschungszentrum Juelich Gmbh Material for temperature-stressed substrates
DE10200803A1 (en) * 2002-01-11 2003-07-31 Forschungszentrum Juelich Gmbh Production of a ceramic material for a thermal insulation layer and a thermal insulation layer containing the material
DE10332938B4 (en) * 2003-07-19 2016-12-29 General Electric Technology Gmbh Thermally loaded component of a gas turbine
DE102006040360A1 (en) 2006-08-29 2008-03-06 FNE Forschungsinstitut für Nichteisen-Metalle Freiberg GmbH Heat insulation used in gas turbine components comprises a covering layer containing zirconium oxide doped with barium zirconate and yttrium oxide
EP2085498A1 (en) 2008-02-04 2009-08-05 Siemens Aktiengesellschaft Ceramic heat insulation layers with increased resistance to corrosion due to impure fuels

Non-Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Derwent Abstract zu DE 4210397 A1 *
Derwent Abstract zu JP 07-292453 A *
Derwent Abstract zu JP 49-128913 A *
Derwent Abstract zu JP 50-035011 A *
Derwent Abstract zu SU 305152 A *

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102011103731A1 (en) * 2011-05-31 2012-12-06 Man Diesel & Turbo Se Method for applying a protective layer, with a protective layer coated component and gas turbine with such a component
US10266420B2 (en) 2015-04-23 2019-04-23 University Of Florida Research Foundation, Inc Method for the generation of power
US11117810B2 (en) 2015-04-23 2021-09-14 University Of Florida Research Foundation, Inc. Method for the generation of power

Also Published As

Publication number Publication date
DE19801424A1 (en) 1999-07-29

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE69719701T2 (en) Thermal barrier systems and materials
DE69615517T2 (en) Body with high temperature protective layer and method for coating
DE68911363T2 (en) Ceramic-coated heat-resistant alloy component.
DE69810875T2 (en) Ceramic coatings tolerant of stress
EP0944746B1 (en) Hot-gas exposable product fitted with a heat-insulating layer and a method for the production thereof
DE69905910T2 (en) MULTILAYER THERMAL INSULATING COATING SYSTEMS
EP1029101B1 (en) Product, especially a gas turbine component, with a ceramic heat insulating layer, and process for making the same
DE69916149T2 (en) Improved aluminide diffusion bonding layer for thermal barrier systems and methods therefor
DE60103904T2 (en) HEAT INSULATION LAYER WITH HIGH PHASE STABILITY
DE60038715T2 (en) Heat-insulating coating system for a turbine engine component
DE60004930T2 (en) Ceramic and super alloy items
DE60002101T2 (en) FORMATION OF AIR-PLASMA-SPRAYED INSULATION LAYERS FOR TURBINE COMPONENTS
DE69711335T2 (en) High temperature protective layer for a substrate made of a superalloy and process for its production
EP1029115B1 (en) Product,especially a gas turbine component, with a ceramic heat insulating layer
DE60002890T2 (en) SILICON NITRIDE COMPONENTS WITH PROTECTIVE LAYER
WO2005042802A1 (en) Protective layer for the protection of a component against corrosion and oxidation at elevated temperatures, and component
DE19741961A1 (en) Ceramic heat insulating coating of columnar structure
DE60021722T2 (en) THERMAL LAYER
EP1386017A2 (en) Heat insulating layer based on la 2?zr 2?o 7? for high temperatures
DE102016002630A1 (en) Adhesive layer for bonding a high-temperature protective layer on a substrate, and method for producing the same
DE10254209A1 (en) Thermal barrier coating
EP1498504B1 (en) Multinary aluminium based alloys and their use as thermal and corrosion protecting coating
DE19801424B4 (en) Thermal insulation for high temperatures and its use
CH695689A5 (en) A method for generating a thermally insulating layer system on a metallic substrate.
EP1902160B1 (en) Ceramic heat insulating layer

Legal Events

Date Code Title Description
OP8 Request for examination as to paragraph 44 patent law
8364 No opposition during term of opposition
R120 Application withdrawn or ip right abandoned