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Dokumentenidentifikation DE102005050661A1 16.05.2007
Titel Mehrlagige Wärmedämmschichtsysteme und Verfahren zur Herstellung
Anmelder Forschungszentrum Jülich GmbH, 52428 Jülich, DE
Erfinder Mack, Daniel, Dr., 52353 Düren, DE;
Groß, Sonja-Michaela, Dr., 52070 Aachen, DE;
Vaßen, Robert, Dr., 52134 Herzogenrath, DE;
Stöver, Detlev, Prof.Dr., 52382 Niederzier, DE
DE-Anmeldedatum 20.10.2005
DE-Aktenzeichen 102005050661
Offenlegungstag 16.05.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 16.05.2007
IPC-Hauptklasse F16L 59/02(2006.01)A, F, I, 20051020, B, H, DE
IPC-Nebenklasse C23C 4/04(2006.01)A, L, I, 20051020, B, H, DE   
Zusammenfassung Es wird ein Verfahren zur Verfügung gestellt, mit dem Wärmedämmschichten hergestellt werden können, die auch bei hohen und häufig wechselnden Temperaturen besser auf Bauteilen haften. Eine gasdichte Glas-Metall-Kompositschicht wird auf das Bauteil aufgetragen und ausgelagert. Der korrodierte Teil der gasdichten Schicht wird anschließend abgetragen, und es wird eine zweite, poröse Schicht aufgetragen. Diese kann aus einer Keramik, insbesondere Yttrium stabilisiertem Zirkoniumoxid, bestehen. Es wird eine Wärmedämmschicht zur Verfügung gestellt, die ein Verbund aus einer gasdichten Glas-Metall-Kompositschicht und einer darüber liegenden weiteren porösen Schicht ist. Indem das Grenzvolumen der Kompositschicht zu der weiteren Schicht teilkristallin ausgestaltet ist, wird die Haftung innerhalb des Verbundes gegenüber dem Stand der Technik entscheidend verbessert. Damit wird es insbesondere möglich, einen Verbund aus Silikatglas-Metall-Kompositschichten und Yttrium stabilisiertem Zirkoniumoxid herzustellen, die über lange Zeit temperaturstabil sind. Ein derartiger Verbund ist für den Einsatz als Wärmedämmschicht besonders vorteilhaft, da er einen guten Oxidationsschutz mit einer geringen Wärmeleitfähigkeit und Alterungsanfälligkeit vereint.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft mehrlagige Wärmedämmschicht systeme und ein Verfahren zu ihrer Herstellung.

Stand der Technik

Zur Erhöhung des Wirkungsgrades stationärer und fliegender Gasturbinen werden immer höhere Gastemperaturen in diesen Maschinen angestrebt. Hierzu werden Bauteile der Turbinen mit Wärmedämmschichten versehen, die in der Regel aus Yttrium stabilisiertem Zirkoniumoxid (YSZ) bestehen.

Nachteilig sind derartige poröse Keramiken für Sauerstoff durchlässig. Eine Haftvermittlerschicht aus einer MCrAlY-Legierung, wobei Eisen, Kobalt oder Nickel als Metall M eingesetzt wird oder einem Aluminid, schützt das Substrat vor Oxidation und verbessert zugleich die Haftung der Keramikschicht. Im Dauerbetrieb können heute Oberflächentemperaturen der Bauelemente bis zu 1200°C realisiert werden.

Bei schnellem und häufigem Aufheizen und Abkühlen der Schichten entstehen durch unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten nachteilig Spannungen, die zur Schädigung und zum Versagen des Gefüges führen können.

Häufig versagen Wärmedämmschichtsysteme nahe der Haftvermittlerschicht, wo die Spannungen durch besondere geometrische Verhältnisse infolge der Grenzschichtrauhigkeit lokal verstärkt werden.

Dieser Effekt wird verstärkt, wenn sich zwischen Haftvermittlerschicht und Wärmedämmschicht eine Oxidschicht mit gegenüber der Haftvermittlerschicht drastisch verringerter Plastizität und kleinerem Ausdehnungskoeffizienten ausbildet. Dies führt bei Erreichen einer kritischen Oxidschichtdicke zum Abplatzen der keramischen Wärmedämmschicht.

Aus DE 198 52 285 C1 ist eine Wärmedämmschicht aus einem Glas-Metall/Keramik-Kompositen bekannt, die gasdicht ist und somit auch die Bildung einer Oxidschicht verhindern kann. Die Korrosions- und Alterungsanfälligkeit des Kompositen in oxidierenden Atmosphären bei Temperaturen oberhalb von etwa 1000 °C schränkt den Einsatz dieser Komposite als Wärmedämmschichten jedoch wesentlich ein. Darüber hinaus sind diese Kompositen wesentlich wärmeleitfähiger als etwa YSZ, so dass zur Erzielung einer entsprechenden Wärmedämmung eine deutlich größere Schichtdicke erforderlich ist.

Aus DE 100 08 861 A1 ist eine Wärmedämmschicht bekannt, die aus einem Verbund aus YSZ beziehungsweise einer Glas-Metall-Kompositschicht von 50–100 &mgr;m Dicke und einer darüber liegenden weiteren Schicht mit wesentlich geringerer Wärmeleitfähigkeit und höherer Temperaturstabilität besteht. Nachteilig ist die Haftung innerhalb dieses Verbundes unzureichend. In der Regel versagen die Schichten zuerst an der Grenzfläche zwischen der Kompositschicht und der darüber liegenden Schicht. Sie können jedoch auch innerhalb der Kompositschicht versagen.

Aufgabe und Lösung

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, mit dem Wärmedämmschichten mit einer besseren Lebensdauer bei hohen Betriebstemperaturen als nach dem Stand der Technik hergestellt werden können. Aufgabe der Erfindung ist außerdem, ein Bauteil mit einer temperatur- und alterungsbeständigen Wärmedämmschicht zur Verfügung zu stellen.

Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren gemäß Hauptanspruch sowie durch ein Bauteil gemäß Nebenansprüchen. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den jeweils darauf rückbezogenen Unteransprüchen.

Gegenstand der Erfindung

Im Rahmen der Erfindung wurde ein verbessertes Verfahren zur Herstellung einer Wärmedämmschicht auf einem Bauteil entwickelt. Eine gasdichte erste Schicht wird auf das Bauteil aufgetragen. Als Material für die gasdichte Schicht ist insbesondere ein Glas-Metall-Komposit geeignet, wobei die Gasdichtigkeit hauptsächlich durch das Glas bewirkt wird. Die gasdichte Schicht wird in oxidierender Atmosphäre ausgelagert. Danach wird ein Teil der gasdichten Schicht abgetragen.

Schließlich wird eine zweite, poröse Schicht auf die gasdichte Schicht aufgetragen. Als Material für die poröse Schicht ist insbesondere eine Keramik, beispielsweise Yttrium stabilisiertes Zirkoniumoxid, geeignet. Derartige Keramiken weisen eine besonders geringe Wärmeleitfähigkeit auf, so dass die zweite Schicht als eigentliche Wärmedämmschicht nur eine geringe Dicke haben muss.

Es wurde erkannt, dass das Abtragen eines Teils der gasdichten Schicht die Haftungseigenschaften zwischen der gasdichten und der porösen Schicht entscheidend verbessert. Bei Auslagerung an Luft kommt es insbesondere bei gasdichten Glas-Metall-Kompositschichten bei Temperaturen oberhalb 800°C zu einer massiven Korrosion des Kompositwerkstoffs bis zu einer Tiefe von ca. 70 &mgr;m von der Oberfläche aus. Unabhängig davon kommt es gleichzeitig zu einer teilweisen Kristallisation der tieferen Kompositschichten. Auf der korrodierten gasdichten Schicht ist regelmäßig keine ausreichende Haftung für die poröse Schicht gegeben. Das erfindungsgemäße Abtragen des korrodierten Teils der gasdichten Schicht ermöglicht also, Wärmedämmschichten als einen Verbund aus einer gasdichten Schicht und einer porösen Schicht herzustellen, der nach dem Stand der Technik nicht in ausreichender Qualität realisierbar ist.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren sind insbesondere Wärmedämmschichten herstellbar, die die Vorteile eines Glas-Metall-Kompositwerkstoffs und einer Keramik kombinieren. Der gasdichte Kompositwerkstoff schützt das Substrat vor Oxidation. Die poröse Keramik hat eine deutlich geringere Wärmeleitfähigkeit als der Kompositwerkstoff und erfordert eine wesentlich geringere Schichtdicke als eine aus reinem Kompositwerkstoff bestehende Wärmedämmschicht. Durch die poröse Keramik wird der darunter liegende Kompositwerkstoff unter Anwendungsbedingungen durch Reduktion der Temperatur innerhalb des substratseitig gekühlten Schichtsystems zusätzlich vor Korrosion und Alterung geschützt. Dies gilt insbesondere beim Betrieb in oxidierenden Atmosphären und bei Temperaturen über 1000°C.

Als Glas für die gasdichte Schicht ist ein Alkali-Silikatglas geeignet und hier insbesondere ein Glas der Zusammensetzung: R2O – 5–30 Gew.-%, TO – 5–30 Gew.-%, Al2O3 – 0–20 Gew.-%, Si-Rest. Hierin stehen R für ein oder mehrere Elemente aus der Reihe Li, Na, K, Rb, Cs und T für ein oder mehrere Elemente aus der Reihe Mg, Ca, Sr, Ba. Derartige Gläser weisen eine besonders geringe Wärmeleitfähigkeit auf. Zudem kann durch Variation der Zusammensetzung der thermische Ausdehnungskoeffizient des unteren Bereichs in einem weiten Bereich von 11·10–6 K–1 bis 13·10–6 K–1 eingestellt werden. Somit können thermische Spannungen zwischen dem unteren Bereich und dem Bauteil, beziehungsweise zwischen dem unteren und oberen Bereich der Wärmedämmschicht, vermindert werden. Derartige Spannungen könnten ein Abplatzen der kompletten Wärmedämmschicht vom Bauteil, beziehungsweise ein Abplatzen des oberen Bereichs der Wärmedämmschicht von ihrem unteren Bereich, zur Folge haben. An Stellen mit kleinem Krümmungsradius kann die für das Abplatzen verantwortliche Spannung reduziert werden.

Auch ein alkalifreies Grundglas, insbesondere Grundgläser mit 25–55 Gew.-% SiO2, 0–25 Gew.-% CaO, 0–15 Gew.-% Al2O3, 0–50 Gew.-% BaO und in Summe 0–15 Gew.-% Beimengungen von beispielsweise B2O3, La2O3 und MnO, sind als Glas geeignet. Die Verwendung alkalifreier Grundgläser ist geeignet, die Gefahr der Ausbildung einer kritischen Korrosion der metallischen Schichten in Verbindung mit schwefelhaltigem Heißgas zu minimieren.

Vorteilhaft wird als Material für die gasdichte Schicht ein Glas-Metall-Kompositwerkstoff gewählt, der eine Legierung der Zusammensetzung MCrAlY mit Eisen, Kobalt oder Nickel als Metall M enthält. Dieser Kompositwerkstoff haftet besonders gut auf Superlegierungen, aus denen zum Beispiel Turbinenbauteile hergestellt werden.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung erfolgt das Auslagern bei Temperaturen oberhalb von 800°C. Dies gewährleistet, dass sich die anschließend abzutragende korrodierte Schicht innerhalb einer für die Massenfertigung akzeptablen Zeit bildet.

In einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung erfolgt das Auslagern dagegen bei tieferen Temperaturen unterhalb von 1000°C, vorzugsweise unterhalb von 850°C. Dies kann beispielsweise erforderlich sein, wenn das mit der Wärmedämmschicht zu versehende Bauteil aus einem nicht hochwärmefesten Material besteht. Beispiele für derartige Bauteile sind Bauteile von Dampfturbinen, Verbrennungsmotoren und Stahlrohre, die zur Durchleitung heißer Gase bestimmt sind. Die Materialzusammensetzung sollte in diesem Fall so gewählt werden, dass sich die abzutragende korrodierte Schicht trotz der verringerten Auslagerungstemperatur möglichst schnell bildet.

Die gasdichte Schicht muss zumindest soweit abgetragen werden, dass ihr korrodierter Teil komplett entfernt wird. Wie tief die gasdichte Schicht beim Auslagern durchkorrodiert, hängt wiederum von ihrer genauen Zusammensetzung sowie von den Prozessparametern des Auslagerungsprozesses ab. Der maßgebliche Fachmann kann die Tiefe der Korrosion abschätzen oder mit geeigneten Messmethoden, beispielsweise durch mikroskopische Betrachtung eines Querschliffs, ermitteln. Er kann aber auch in einer zumutbaren Anzahl Versuche die erforderliche Tiefe, bis zu der die gasdichte Schicht abgetragen werden muss, ermitteln. Im Regelfall ist damit zu rechnen, dass die gasdichte Schicht mindestens bis zu einer Tiefe von 30 &mgr;m durchkorrodiert; daher sollten mindestens 30 &mgr;m der gasdichten Schicht abgetragen werden.

Das Abtragen kann beispielsweise durch mechanische Bearbeitung erfolgen. Hierfür stehen bewährte, auch in der Massenfertigung einsetzbare Techniken zur Verfügung.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung erfolgt das Abtragen durch Bestrahlung der Oberfläche mit Partikeln. Bei dieser Bearbeitungsmethode sind sowohl die Abtragrate als auch die entstehende Oberflächenrauigkeit besonders gut kontrollierbar.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird vor dem Aufbringen der porösen Schicht eine Rauigkeit von 4 &mgr;m oder mehr in die Oberfläche der gasdichten Schicht eingebracht. Dadurch wird die Haftung zwischen gasdichter Schicht und poröser Schicht nochmals gesteigert. Dies ist insbesondere dann wichtig, wenn die poröse Schicht mittels eines thermischen Spritzverfahrens aufgebracht werden soll. Derartige Spritzverfahren setzen auf der zu beschichtenden Oberfläche ein Mindestmaß an Rauigkeit voraus.

Um die Haltbarkeit der Wärmedämmschicht zu verbessern, kann optional auf dem Bauteil vor der Herstellung der Wärmedämmschicht eine Haftvermittlerschicht aufgebracht werden. Dadurch wird das Risiko verringert, dass die Wärmedämmschicht insgesamt vom Bauteil abplatzt. Hierfür ist eine aluminiumhaltige Haftvermittlerschicht und hier insbesondere eine Schicht der Zusammensetzung MCrAlY mit Eisen, Kobalt oder Nickel als Metall M, oder auch eine Aluminidschicht, geeignet. Derartige Schichten haften besonders gut auf Metallen, insbesondere auf den Superlegierungen, aus denen Turbinenbauteile und ähnliche hoch Temperatur belastete Bauteile hergestellt werden.

In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird zwischen Haftvermittlerschicht und gasdichter Schicht eine aluminiumundurchlässige Sperrschicht eingebracht. Diese verhindert insbesondere bei gasdichten Schichten, die einen Glas-Metall-Kompositen enthalten, dass Aluminium aus der Haftvermittlerschicht fortgesetzt in die gasdichte Schicht wandert. Eine derartige Aluminiumverarmung hat zur Folge, dass die Haftvermittlerschicht irreversibel geschwächt wird und ist deshalb so gering wie möglich zu halten.

Vorzugsweise wird eine Sperrschicht aus Aluminiumoxid gewählt. Eine derartige Sperrschicht lässt sich besonders einfach herstellen, da die Haftvermittlerschicht bereits das Ausgangsmaterial Aluminium enthält. Insbesondere lässt sich die Sperrschicht durch Auslagern der Haftvermittlerschicht in oxidierender Atmosphäre herstellen. Diese Art der Herstellung ist besonders geeignet, da außer der ohnehin vorhandenen Luft keine weiteren Reagenzien benötigt werden. Im Interesse einer möglichst schnellen Bildung der Sperrschicht erfolgt das Auslagern der Haftvermittlerschicht vorzugsweise bei Temperaturen oberhalb 1000°C.

Im Rahmen der Erfindung wurde erkannt, dass eine auf der Oberfläche eines Bauteils befindliche Wärmedämmschicht mit neuartigen strukturellen Merkmalen eine bessere Lebensdauer bei hohen Betriebstemperaturen aufweist als Wärmedämmschichten nach dem Stand der Technik. Eine derartige Wärmedämmschicht, die beispielsweise nach dem vorgenannten Verfahren herstellbar ist, umfasst einen unteren und einen oberen Bereich, wobei der untere Bereich sich zwischen dem Bauteil und dem oberen Bereich befindet. Der untere Bereich besteht ganz oder überwiegend aus einem Kompositwerkstoff, der aus Glas mit Metall oder Glaskeramik mit Metall besteht. Hierin ist als Glas insbesondere ein Silikatglas oder ein alkalifreies Grundglas, als Glaskeramik insbesondere eine Glaskeramik auf der Basis der Komponenten BaO, CaO, Al2O3 und SiO2, geeignet. Der obere Bereich besteht aus einem Material, das eine geringere Wärmeleitfähigkeit aufweist als das Material im unteren Bereich. Insbesondere kann der obere Bereich durch Wahl eines geeigneten Materials so ausgestaltet werden, dass dieser als die eigentliche Wärmedämmschicht wirkt.

Es wurde erkannt, dass sich die Haftung zwischen dem unteren Bereich und dem oberen Bereich entscheidend verbessern lässt, indem das dem oberen Bereich zugewandte oberflächennahe Volumen des unteren Bereichs (Grenzvolumen) zumindest teilkristallin ausgestaltet wird. Der amorphe Anteil des unteren Bereichs sollte zwischen 5 und 60 Volumenprozent betragen. Der obere Bereich kann dann vorteilhaft aus einer porösen Keramik bestehen, die üblicherweise tendenziell nur sehr schlecht auf dem unteren Bereich haften würde. Bei der Keramik kann es sich insbesondere um Yttrium stabilisiertes Zirkoniumoxid handeln. Die teilweise Kristallisation verringert die Alterung der Glas/Glaskeramik-Metall-Schicht und verbessert so die Haftung des oberen Bereichs auf dem unteren Bereich.

Somit wird es durch das zumindest teilkristalline Grenzvolumen möglich, in der Wärmedämmschicht die Vorteile des Kompositwerkstoffs und der Keramik zu kombinieren: Der gasdichte Kompositwerkstoff schützt das Substrat vor Oxidation. Die poröse Keramik hat eine deutlich geringere Wärmeleitfähigkeit als der Kompositwerkstoff. Sie erfordert eine wesentlich geringere Schichtdicke als eine aus reinem Kompositwerkstoff bestehende Wärmedämmschicht und schützt unter Anwendungsbedingungen durch Reduktion der Temperatur im unteren Bereich des substratseitig gekühlten Bauteils zudem den Kompositwerkstoff vor Alterung und Temperatur unterstützter Korrosion. Dies gilt insbesondere beim Betrieb in oxidierenden Atmosphären und bei Oberflächentemperaturen über 1000°C.

Vorteilhaft enthält der Kompositwerkstoff eine Legierung der Zusammensetzung MCrAlY mit Eisen, Kobalt oder Nickel als Metall M. Dadurch haftet er besonders gut auf Metallen, insbesondere auf Superlegierungen, aus denen Turbinenbauteile gefertigt werden.

In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung besitzt die Grenzfläche zwischen dem unteren und dem oberen Bereich eine Rauigkeit größer 4 &mgr;m. Dadurch wird die Haftung zwischen oberem und unterem Bereich nochmals gesteigert, insbesondere, wenn der obere Bereich mittels eines thermischen Spritzverfahrens aufgebracht wird. Derartige Spritzverfahren setzen auf der zu beschichtenden Oberfläche ein Mindestmaß an Rauigkeit voraus.

Die Rauigkeit kann beispielsweise durch mechanische Bearbeitung oder auch durch Bestrahlung der Grenzfläche mit Partikeln in die Grenzfläche eingebracht werden. Alternativ kann auch schon bei der Herstellung des unteren Bereichs die Rauigkeit eingestellt werden, beispielsweise indem zur Herstellung dieses Bereichs ein thermisches Spritzverfahren verwendet wird. Beim Auftragen von Schichten mittels thermischer Spritzverfahren ist die entstehende Rauigkeit über die Prozessparameter besonders gut kontrollierbar.

Der Kompositwerkstoff im unteren Bereich kann ein Alkali-Silikatglas enthalten und hier insbesondere ein Glas der Zusammensetzung: R2O – 5–30 Gew.-%, TO – 5–30 Gew.-%, Al2O3 – 0–20 Gew.-%, Si-Rest. Hierin stehen R für ein oder mehrere Elemente aus der Reihe Li, Na, K, Rb, Cs und T für ein oder mehrere Elemente aus der Reihe Mg, Ca, Sr, Ba. Silikatgläser, insbesondere in der genannten Zusammensetzung, weisen eine besonders geringe Wärmeleitfähigkeit auf. Zudem kann durch Variation der Zusammensetzung der thermische Ausdehnungskoeffizient des unteren Bereichs in einem weiten Bereich von 11·10–6 K–1 bis 13·10–6 K–1 eingestellt werden. Somit können thermische Spannungen zwischen dem unteren Bereich und dem Bauteil beziehungsweise zwischen dem unteren und oberen Bereich, die ein Abplatzen der Wärmedämmschicht zur Folge haben könnten, in Bereichen mit geringem Krümmungsradius vermindert werden.

Der Kompositwerkstoff kann auch eine Glaskeramik, insbesondere auf der Basis der Komponenten BaO, CaO, Al2O3 und SiO2, oder ein alkalifreies Grundglas, insbesondere ein Grundglas mit 25–55 Gew.-% SiO2, 0–25 Gew.-% CaO, 0–15 Gew.-% Al2O3, 0–50 Gew.-% BaO und in Summe 0–15 Gew. -% Beimengungen von beispielsweise B2O3, La2O3 und MnO, enthalten. In der Glaskeramik sind auch Beimengungen von ZnO, PbO und V2O5 sinnvoll, da sie auskristallisiert und damit immobil sind. Sie können beispielsweise die Kristallisationseigenschaften der Glaskeramik beeinflussen. Vorteilhaft enthält das Grundglas beziehungsweise die Glaskeramik 1 Gew.-% Al2O3 oder weniger, insbesondere 0,5 Gew.-% Al2O3 oder weniger.

Diese und andere kristallisierende Gläser bieten den Vorteil, dass sie besonders schnell ein teilkristallines Grenzvolumen bilden, so dass unter günstigen Umständen kein korrodierter Bereich entsteht, der abzutragen wäre.

Zur Verbesserung ihrer Haltbarkeit kann sich die Wärmedämmschicht auf einer Haftvermittlerschicht befinden, die die Gefahr eines Abplatzens der Wärmedämmschicht vom Substrat vermindert. Die Haftvermittlerschicht ist vorteilhaft aluminiumhaltig; insbesondere kann es sich um eine Schicht der Zusammensetzung MCrAlY mit Eisen, Kobalt oder Nickel als Metall M handeln. Derartige Schichten haben den Vorteil, dass sie besonders gut auf denjenigen Legierungen haften, aus denen Turbinenbauteile hergestellt werden.

Vorteilhaft befindet sich zwischen der Haftvermittlerschicht und der Wärmedämmschicht eine aluminiumundurchlässige Sperrschicht. Dadurch wird verhindert, dass Aluminium von der Haftvermittlerschicht in den Kompositwerkstoff wandert. Das Unterbinden dieser Aluminiumverarmung verhindert, dass die Haftvermittlerschicht durch das bloße Vorhandensein des Kompositwerkstoffs mit der Zeit fortgesetzt geschwächt wird, insbesondere bei hohen Betriebstemperaturen.

Bei der Sperrschicht handelt es sich vorteilhaft um Aluminiumoxid, das besonders einfach herstellbar ist, etwa durch geeignetes Auslagern der Haftvermittlerschicht an Luft.

Es wurde erkannt, dass eine durch das erfindungsgemäße Verfahren herstellbaren Wärmedämmschicht weitere Vorteile aufweist. Sie ist auch in für die Massenfertigung erforderlichen Mengen mit reproduzierbarer Qualität kostengünstig herstellbar. Bei den verwendeten Materialien und Prozessparametern gibt es darüber hinaus Spielräume, im Rahmen derer die Schicht auf die jeweilige Anwendung maßgeschneidert werden kann. Insbesondere können thermische Ausdehnungskoeffizienten variiert werden, so dass die Gefahr eines Abplatzens der Schicht unter wechselnder thermischer Beanspruchung vermindert wird.

Spezieller Beschreibungsteil

Nachfolgend wird der Gegenstand der Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert, ohne dass der Gegenstand der Erfindung dadurch beschränkt wird.

Beispiel 1:

Das Substrat besteht aus einer Superlegierung IN738. Hierauf ist eine 50–200 &mgr;m dicke MCrAlY-Legierung als Haftvermittlerschicht (Bondcoat) aufgebracht. Als Metall M wurden hier die Elemente Kobalt und Nickel gewählt. Im Einzelnen besteht die Legierung der Haftvermittlerschicht aus 33 Gew.-% Kobalt, 27 Gew.-% Chrom, 31 Gew.-% Nickel, 8 Gew.-% Aluminium, 0,5 Gew.-% Yttrium und einer Beimengung von 0,5 Gew.-% Silizium. Durch Auslagerung für 18 Stunden bei 1050°C an Luft wird eine oberflächliche, dichte Aluminiumoxid-Sperrschicht von etwa 2 &mgr;m Dicke auf der MCrAlY-Schicht erzeugt.

Auf die Aluminiumoxidschicht wird als gasdichte Schicht eine Metall-Glas-Kompositschicht mit 63 Gew.-% Metall und 37 Gew.-% Glas aufgebracht. Als Metall wird die in der Haftvermittlerschicht verwendete Legierung eingesetzt. Das Glas ist ein Alkali-Kalk-Silikatglas 70 Gew.-% SiO2, 17 Gew.-% Na2O, 8 Gew.-% CaO, 2 Gew.-% MgO und 3 Gew.-% Al2O3. Die gasdichte Schicht wird zunächst mit einer Dicke von ca. 150–300 &mgr;m hergestellt. Anschließend wird das Bauteil für 24–48 Stunden bei 950°C an Luft ausgelagert. Hierbei kommt es zu einer Korrosion des Kompositen bis zu einer Tiefe von etwa 70 &mgr;m von der Oberfläche aus. Gleichzeitig kristallisieren die tieferen Kompositschichten teilweise.

Die Korrosionsschicht des Metall-Glas-Kompositen wird mit Partikelstrahlen entfernt. Dadurch wird zugleich die Oberfläche aufgeraut. Anschließend wird auf die verbleibende, teilkristalline Kompositschicht von ca. 50–250 &mgr;m Dicke eine poröse keramische Schicht von ca. 250–350 &mgr;m Dicke aus YSZ aufgetragen, die den Hauptbeitrag zur Dämmwirkung der gesamten Wärmedämmschicht liefert. Durch das Aufrauen wird die Haftung der keramischen Schicht auf dem Metall-Glas-Kompositen verbessert.

Beispiel 2:

Bis zur Erzeugung der Sperrschicht wird wie unter Beispiel 1 verfahren. Anschließend wird als gasdichte Schicht eine Metall-Glaskeramik-Kompositschicht mit 53 Gew.-% Metall und 47 Gew.-% Glaskeramik aufgebracht. Als Metall wird wiederum die Legierung der Haftvermittlerschicht verwendet. Die Glaskeramik ist ein alkalifreies Grundglas mit 47 Gew.-% SiO2, 16 Gew.-% CaO, 37 Gew.-% BaO und 0,5 Gew.-% Al2O3. Die gasdichte Schicht wird mit einer Dicke von etwa 50–250 &mgr;m aufgebracht und das Bauteil bei einer Temperatur von 950°C für 10h (unter Sauerstoffausschluss) derart ausgelagert, dass die Glaskeramik-Komponente des Kompositen weitgehend kristallisiert. Auf die teilkristallisierte Kompositschicht wird direkt die keramische Schicht aus YSZ in einer Dicke von 250–350 &mgr;m aufgebracht, ohne dass zuvor ein korrodierter Schichtanteil abgetragen wird.


Anspruch[de]
Verfahren zur Herstellung einer Wärmedämmschicht auf einem Bauteil mit den Schritten:

– es wird eine gasdichte erste Schicht auf das Bauteil aufgetragen;

– die gasdichte Schicht wird in oxidierender Atmosphäre ausgelagert;

– ein Teil der gasdichten Schicht wird abgetragen;

– auf die gasdichte Schicht wird eine zweite, poröse Schicht aufgetragen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Glas-Metall-Kompositwerkstoff als Material für die gasdichte Schicht gewählt wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Keramik als Material für die poröse Schicht gewählt wird. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass Yttrium stabilisiertes Zirkoniumoxid als Keramik gewählt wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Glas ein Alkali-Silikatglas gewählt wird. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Glas der Zusammensetzung R2O – 5–30 Gew.%, TO – 5–30 Gew.-%, Al2O3 – 0–20 Gew.-%, Si-Rest gewählt wird, worin R für ein oder mehrere Elemente aus der Reihe Li, Na, K, Rb, Cs und T für ein oder mehrere Elemente aus der Reihe Mg, Ca, Sr, Ba stehen. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass als Glas ein alkalifreies Grundglas gewählt wird. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Grundglas mit 25–55 Gew.-% SiO2, 0–25 Gew.-% CaO, 0–15 Gew.-% Al2O3, 0–50 Gew.-% BaO und in Summe 0–15 Gew.-% Beimengungen von beispielsweise B2O3, La2O3 und MnO gewählt wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Glas-Metall-Kompositwerkstoff gewählt wird, der eine Legierung der Zusammensetzung MCrAlY mit Eisen, Kobalt oder Nickel als Metall M enthält. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Auslagern bei Temperaturen oberhalb 800°C erfolgt. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Auslagern bei Temperaturen unterhalb 1000°C erfolgt. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Auslagern bei Temperaturen unterhalb 850°C erfolgt. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der korrodierte Teil der gasdichten Schicht abgetragen wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens 30 &mgr;m der gasdichten Schicht abgetragen werden. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Abtragen durch mechanische Bearbeitung erfolgt. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Abtragen durch Bestrahlung mit Partikeln erfolgt. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Aufbringen der porösen Schicht eine Rauigkeit von 4 &mgr;m oder mehr in der Oberfläche der gasdichten Schicht eingestellt wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Bauteil vor der Herstellung der Wärmedämmschicht eine Haftvermittlerschicht aufgebracht wird. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass als Haftvermittlerschicht eine aluminiumhaltige Schicht gewählt wird. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass als Haftvermittlerschicht eine Schicht der Zusammensetzung MCrAlY mit Eisen, Kobalt oder Nickel als Metall M gewählt wird. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass als Haftvermittlerschicht eine Aluminidschicht gewählt wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Haftvermittlerschicht und gasdichter Schicht eine aluminiumundurchlässige Sperrschicht vorgesehen ist. Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass eine Sperrschicht aus Aluminiumoxid gewählt wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Sperrschicht durch Auslagern der Haftvermittlerschicht in oxidierender Atmosphäre hergestellt wird. Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass das Auslagern der Haftvermittlerschicht bei Temperaturen oberhalb 1000°C erfolgt. Bauteil mit einer Wärmedämmschicht auf seiner Oberfläche, dadurch gekennzeichnet, dass

– die Wärmedämmschicht einen unteren und einen oberen Bereich umfasst,

– der untere Bereich sich zwischen dem Bauteil und dem oberen Bereich befindet,

– der untere Bereich ganz oder überwiegend aus einem Kompositwerkstoff aus Glas mit Metall oder Glaskeramik mit Metall besteht,

– der obere Bereich aus einem Material besteht, das eine geringere thermische Leitfähigkeit aufweist als das Material im unteren Bereich,

– das dem oberen Bereich zugewandte oberflächennahe Volumen des unteren Bereichs (Grenzvolumen) zumindest teilkristallin ist.
Bauteil nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass der obere Bereich ganz oder überwiegend aus einer porösen Keramik besteht. Bauteil nach Anspruch 27, gekennzeichnet durch Yttrium stabilisiertes Zirkoniumoxid als Keramik. Bauteil nach einem der Ansprüche 26 bis 28, gekennzeichnet durch einen Kompositwerkstoff, der eine Legierung der Zusammensetzung MCrAlY mit Eisen, Kobalt oder Nickel als Metall M enthält. Bauteil nach einem der Ansprüche 26 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass die Grenzfläche zwischen dem unteren Bereich und dem oberen Bereich eine Rauigkeit größer 4 &mgr;m aufweist. Bauteil nach Anspruch 30, gekennzeichnet durch eine mechanisch bearbeitete Grenzfläche. Bauteil nach einem der Ansprüche 30 bis 31, gekennzeichnet durch eine mit Partikeln bestrahlte Grenzfläche. Bauteil nach einem der Ansprüche 26 bis 32, gekennzeichnet durch ein Alkali-Silikatglas als Glas. Bauteil nach Anspruch 33, gekennzeichnet durch ein Glas der Zusammensetzung R2O – 5–30 Gew.-%, TO – 5–30 Gew.-%, Al2O3 – 0–20 Gew.-%, Si-Rest, worin R für ein oder mehrere Elemente aus der Reihe Li, Na, K, Rb, Cs und T für ein oder mehrere Elemente aus der Reihe Mg, Ca, Sr, Ba stehen. Bauteil nach einem der Ansprüche 26 bis 34, gekennzeichnet durch einen eine Glaskeramik enthaltenden Kompositwerkstoff. Bauteil nach Anspruch 35, gekennzeichnet durch eine Glaskeramik auf der Basis der Komponenten BaO, CaO, Al2O3 und SiO2. Bauteil nach einem der Ansprüche 26 bis 32, gekennzeichnet durch ein alkalifreies Grundglas. Bauteil nach Anspruch 37, gekennzeichnet durch ein Grundglas mit 25–55 Gew.-% SiO2, 0–25 Gew.-% CaO, 0–15 Gew.-% Al2O3, 0–50 Gew.-% BaO und in Summe 0–15 Gew.-% Beimengungen von beispielsweise B2O3, La2O3 und MnO. Bauteil nach einem der Ansprüche 36 bis 38, gekennzeichnet durch 1 Gew.-% oder weniger Al2O3. Bauteil nach Anspruch 39, gekennzeichnet durch 0,5 Gew.-% oder weniger Al2O3. Bauteil nach einem der Ansprüche 26 bis 40, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Wärmedämmschicht auf einer Haftvermittlerschicht befindet. Bauteil nach Anspruch 41, gekennzeichnet durch eine aluminiumhaltige Haftvermittlerschicht. Bauteil nach Anspruch 42, gekennzeichnet durch eine Haftvermittlerschicht der Zusammensetzung MCrAlY mit Eisen, Kobalt oder Nickel als Metall M. Bauteil nach Anspruch 42, gekennzeichnet durch eine Aluminidschicht als Haftvermittlerschicht. Bauteil nach einem der Ansprüche 42 bis 44, gekennzeichnet durch eine aluminiumundurchlässige Sperrschicht zwischen Haftvermittlerschicht und Wärmedämmschicht. Bauteil nach Anspruch 45, gekennzeichnet durch eine Sperrschicht aus Aluminiumoxid. Bauteil mit einer Wärmedämmschicht auf seiner Oberfläche, gekennzeichnet durch eine durch ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 25 herstellbare Wärmedämmschicht.






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