DE19743904C2

DE19743904C2 - Wärmedämmschichten auf einkristallinen und polykristallinen Metallsubstraten mit einer verbesserten kristallographischen Beziehung zwischen Schicht und Substrat

Info

Publication number: DE19743904C2
Application number: DE19743904A
Authority: DE
Inventors: Uwe Schulz; Claus Kroeder; Joerg Brien; Hartmut Schurmann; Uwe Kaden; Klaus Fritscher
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 1997-10-04
Filing date: 1997-10-04
Publication date: 2001-12-13
Anticipated expiration: 2017-10-05
Also published as: DE19743904A1; GB2329906A; FR2769324A1; GB2329906B; GB9820613D0; US6127006A; FR2769324B1

Description

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Beschichtung von einkristallinen oder polykristallinen Metallsubstraten mit einer keramischen Wärmedämmschicht aus Zirkoniumdioxid durch Elektronenstrahl-Aufdampfung sowie ein Verfahren zur Beschichtung von Turbinenschaufeln aus Ni-Superlegierungen.

Um die thermischen Verluste in Turbinen und insbesondere in innengekühlten Turbinenschaufeln zu verringern und damit den Wirkungsgrad von Turbinen zu erhöhen, werden die Turbinenbauteile mit Wärmedämmschichten versehen. Als besonders wirksam hat sich dabei das Verfahren der Elektronenstrahl-Aufdamp fung von Y-teilstabilisiertem Zirkoniumdioxid (YSZ) erwiesen, das bei etwa 1000°C Substrattemperatur erfolgt.

Die Lebensdauer der Wärmedämmschichten auf ihren Substraten wird jedoch durch das Auftreten von überkritischen Spannungen zwischen Metallsubstrat und Keramikschicht begrenzt. Alle Maßnahmen einer Lebensdauerverlängerung müssen demzufolge immer daraufhin abzielen, diese Spannungen möglichst lange unterkritisch zu halten. Die Spannungen sind während des Einsatzes der Turbine nicht unbedingt am höchsten, weil die Aufbringung der Wärmedämm schichten bei vergleichbaren Temperaturen und dazu auch spannungsfrei erfolgt. Sie werden jedoch insbesondere durch die Oxidation der metallischen Haft schicht, die sich zwischen dem Metallsubstrat und der Keramikschicht befindet, im Laufe ihres Einsatzes größer. Beim Abschalten der Turbine kühlen nun die Wärmedämmschichten und die darunter befindlichen Metallsubstrate (beispiels weise Turbinenschaufeln) unter thermischer Kontraktion ab. Die Kontraktion bei einer Temperaturerniedrigung von 1000°C auf Raumtemperatur liegt bei Ni- Legierungen bei 1.6%, bei Wärmedämmschichten aus YSZ im Mittel bei nur 1,08%, Bekanntermaßen ist der Ausdehnungskoeffizient bei YSZ anisotrop [H. Schubert: Anisotropic thermal expansion coefficient of Y₂O₃-stabilized tetragonal zirconia. J. Am. Ceram. Soc. 69 (1986) 3, S. 270-271]; er ist in der c-Achse größer als in der a-Achse.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung bestand darin, die Haftung von Y-teil stabilisiertem Zirkoniumdioxid auf Metallsubstraten gegenüber dem Stand der Technik zu verbessern. Eigene Messungen an Schichten in beiläufiger <110<- Richtung sowie an isotropem Material zeigen im Vergleich die etwas höhere laterale Ausdehnung aufgedampfter Schichten. Diese kommt durch den Beitrag der in c-Achse orientierten YSZ-Partien zustande. Diese Anisotropie gibt den aufgedampften Schichten wegen der leicht höheren Ausdehnung bereits einen Vorteil gegenüber isotropem Material beim Einsatz auf Nickellegierungen, die bekanntermaßen eine noch stärkere Ausdehnung aufweisen. Die Ausrichtung einkristalliner Ni-Legierungen spielt hier noch keine Rolle, da ihr Ausdehnungs koeffizient isotrop ist. Als noch gravierender als die Anisotropie der thermischen Ausdehnung ist jedoch die Anisotropie des E-Moduls von Nickel und Zirkonium dioxid für die Ausbildung von Spannungen anzusehen. Es wurde gefunden, daß die Anisotropie des E-Moduls von Substrat und YSZ sowie die hieraus zu fordern de intelligente Ausrichtung der kristallographischen Richtungen der beiden Partner zueinander die entscheidende Rolle spielt.

US-5,238,752 A beschreibt die Herstellung einer Wärmedämmschicht aus teilstabilisiertem YSZ auf einer Turbinenschaufel aus einkristalliner Ni- Superlegierung unter Zwischenschaltung einer Verbindungsschicht, die durch Drehung des Substrats um eine einzige Achse während der Elektronenstrahl- Beschichtung erhalten wird, wobei die Oberflächenschicht-Säulenstruktur senkrecht zur Substratoberfläche steht.

In der DE 43 12 552 A1 wird eine Substrataufnahme beschrieben. Eine Antriebswelle (3) führt in eine Vakuum-Beschichtungskammer (2) hinein und lagert dort drehbar eine Trägerscheibe (4). Diese hat radial verschiebbare Tragarme (11, 12), auf denen jeweils schwenkbar ein Lagerteil (14) angeordnet ist, welches eine Substrattellerwelle (15) mit einem Substratteller (16) lagert. Der Antrieb der Substrattellerwelle (15) erfolgt durch eine außenhüllenfreie, biegsame Welle (17), welche das Drehmoment von einer ein Planetenrad (9) tragenden Welle (7) zur Substratwelle (15) überträgt.

Die DE 27 14 729 A1 betrifft einen drehbaren Substrathalter zur Verwendung im Vakuum. Der Halter weist insbesondere Einrichtungen zum Drehen der individuellen Achsen des Substrates um eine Hauptachse und allen Richtungen zur Fernsteuerung der Hauptachsendrehung und der Einzelachsendrehung unabhängig von einander auf.

Die DE 40 25 659 A1 betrifft ein Umlaufrädergetriebe mit einem Rädersatz, insbesondere für Vorrichtungen zum Beschichten von Substraten.

US 5,558,909 A betrifft eine Metallisierungs-Vorrichtung zur Vakuummetallisie rung von Gegenständen wie Automobilrädern, bei der der Gegenstand während des Aufdampfens in Form einer Überlagerung zweier Rotationsbewegungen gedreht wird (Taumelbewegungen), die jedoch nicht senkrecht zueinander stehen.

Die vorgenannte Aufgabe wird in einer ersten Ausführungsform gelöst durch ein Verfahren zur Beschichtung von einkristallinen oder polykristallinen Metallsubstraten mit einer texturierten keramischen Wärmedämmschicht aus Y-teilstabilisierten Zirkoniumdioxid durch Elektronenstrahl-Aufdampfung, dadurch gekennzeichnet, daß man das Metallsubstrat während des Aufdampfens in Form einer Überlage rung einer ersten Rotationsbewegung mit horizontaler Rotationsachse und einer zweiten Rotationsbewegung mit einer im wesentlichen dazu senkrecht stehenden Rotationsachse bewegt, wobei das Verhältnis der Winkelgeschwindigkeiten der Rotationsbewegungen während des Aufdampfens konstant ist. Im Falle einer länglich gestalteten Trubinenschaufel bedeutet dies beispielsweise eine simultane Rotation um die horizontalen Hauptachsen, das heißt um das größte und das kleinste Trägheitsmoment des Bauteils.

Nach dem Hooke'schen Gesetz zur Kalkulation elastischer Spannungen ist

σ = E.ε,

wobei
σ die Spannung,
E den E-Modul und
ε die elastische Verformung
darstellen. Ist somit für den konkreten Fall formuliert der E-Modul hoch, so wird bei einer um einen konstanten Betrag vorgenommenen elastischen Verschiebung die Spannung auch entsprechend hoch sein. Ist hier also im besonderen Fall der Materialpaarung einkristalline Ni-Superlegierung/Wärmedämmschicht der Unter schied der E-Moduli hoch, wird die Spannung zwischen beiden Partnern bei einer elastischen Dehnung oder einer Temperaturänderung entsprechend hoch ausfal len. Im technischen Realfall wird z. B. eine einkristalline Turbinenschaufel, die in der Regel in <100<-Richtung erstarrt worden ist, in gleicher Ausrichtung auch im Beschichtungsrezipienten rotierend rundum mit YSZ-Keramik bedampft. Wie im Stand der Technik bekannt [D. V. Rigney, R. Viguie, D. J. Wortman, D. W. Skelly: PVD thermal barrier applications and process development for aircraft engines. NASA conference publication 3312 (1995) S. 135-149], wachsen die Keramik kristalle texturiert in <100<-Richtung senkrecht zur Rotationsachse auf dem Substrat auf. Nach eigenen Untersuchungen, die obiges Ergebnis bestätigen, wachsen die Kristalle bei rotierender Bedampfung zudem auch in lateraler Richtung stark anisotrop auf. Parallel zur Rotationsachse bildet sich nach Untersuchungen von U. Schulz [U. Schulz, H. Oettel, W. Bunk: Texture of EB-PVD Thermal Barrier Coatings Under Variable Deposition Conditions. Z. Metallkd. 87 (1996) 6, S. 488-492] eine <100<-Richtung aus. Das Bild dieser Textur, das von einer solchen Schicht erzeugt wird, vermittelt die Polfigur in Fig. 1. Die Pfeilrichtung deutet die Richtung der Rotationsachse an. In gleicher Richtung erstreckt sich die <100<-Richtung der Schichttextur.

Unter der Annahme, das Metallsubstrat sei eine Platte aus einkristalliner Ni- Superlegierung mit einer wie bei Turbinenschaufeln üblichen Ausrichtung in ihrer <100<-Wachstumsrichtung, die um diese Achse während der Beschichtung rotiert, und zudem sei als Plattenfläche die (010)-Fläche ausgewählt worden, so stellen sich folgende Kristallbeziehungen ein:
Für die Ebenen

(100)_Ni-Legierung || (100)_{Wärmedämmschicht}

Für die Richtungen

<100<_Ni-Legierung || <100<_{Wärmedämmschicht}

<110<_Ni-Legierung || <110<_{Wärmedämmschicht}.

Die E-Moduli sind bekanntermaßen stark anisotrop. Dies wird bei Bauteilen aus einkristallinen Ni-Superlegierungen bereits im Stand der Technik berücksichtigt. Bei Zirkoniumdioxidkristallen ist die Anisotropie der E-Moduli zwar bekannt [R. P. Ingel, D. Lewis III: Elastic anisotropy in zirconia single crystals. J. Am. Ceram. Soc. 71 (1988) 4, S. 265-271], jedoch bisher nicht für die industrielle Fertigung genutzt oder berücksichtigt worden. Werden nunmehr Turbinenschaufeln aus einkristallinen Ni-Superlegierungen im drehenden Modus mittels Befestigung an einer horizontalen Achse mit Zirkoniumdioxid Elektronenstrahl-bedampft, so werden sich in den Hauptkristallorientierungen, die hier auftreten können, folgende E-Moduli, die an einkristallinem Kompaktmaterial ermittelt worden sind, gegenüberstehen:

Tabelle 1

Dadurch kommt es im ungünstigsten Fall zu einem Unterschied der E-Moduli um den Faktor 2,8, wie die folgende Tabelle 2 zeigt. Ein optimaler Faktor wäre 1. Dieser Fall ist physikalisch nicht realisierbar. Durch Drehen der Texturrichtung der Schicht um 45° gelingt es, den Faktor auf einen Wert von 1,5 zu verringern, wie aus Tabelle 2 hervorgeht.

Tabelle 2

Wird nun während der Aufdampfung die Probe nicht allein um ihre horizontale Rotationsachse gedreht, sondern erhält sie erfindungsgemäß eine zusätzliche Komponente der Bewegung während der Bedampfung derart, daß dabei eine zusätzliche Rotationsbewegung um eine senkrechte Achse mit gleicher Winkelgeschwindigkeit abläuft, die im wesentlichen im rechten Winkel zur ersteren steht, so entsteht eine resultierende Bewegungsrichtung, die zur ersteren um 45° versetzt ist.

In der Fig. 2 wird das Elektronenstrahl-Aufdampfen von Wärmedämmschichten mit verbesserter lateraler Textur mit Hilfe von überlagerten Bewegungsmustern dargestellt.

Das hier stäbchenförmige Substrat (1) wird bedingt durch die Rotation um die Schiebe- und Rotationswelle (3) und die Rotation um die Rotationsachse (2) mit dem aus der darunterliegenden Verdampfungsquelle austretenden Material bedampft.

Auf diese Weise ist folglich auch eine um 45° versetzte Texturrichtung der Zirkonium dioxidschicht auf Bauteilen abscheidbar. Diese Versetzung um 45° wurde erfindungsgemäß mit den genannten Prämissen experimentell durchgeführt. In der Regel bedeutet diese Art des Beschichtungsmodus eins simultane Rotation um die beiden horizontalen Hauptachsen des Bauteils, die gleichzeitig in vielen Fällen das größte und das kleinste Trägheitsmoment darstellen.

Nun zeigte sich erfindungsgemäß, daß die sich überlagernden Bewegungsrichtungen nicht unbedingt zu einer genau um 45° versetzten resultierenden Rotationsbewegung führen müssen, d. h. die Winkelgeschwindigkeiten der sich überlagernden Drehbewe gungen müssen nicht exakt identisch sein, um eine Rotation der lateralen Schichttextur von der <100<- in die <010<-Richtungslage zu erzielen. So wurde in weiteren Experimenten das Verhältnis der Winkelgeschwindigkeiten von Hauptachse und der dazu senkrecht wirkenden Drehbewegung in einem Versuchsdurchgang um mehr als den Faktor 10 angehoben, wobei eine höhere Drehgeschwindigkeit der Hauptachse (= Schiebe- und Rotationswelle (3)) von 12 Upm eingestellt worden war. In der Fig. 3 wird eine entsprechende Polfigur dargestellt. Im Vergleich zur Fig. 1 tritt auch tatsächlich hier eine Rotation der Richtungslage um 45° ein. Die Breite der nunmehr erzielten Reflexe der Polfigur hat in diesem Falle zugenommen, was darauf hinweist, daß in diesem Falle die kristallographische Ausrichtung der einzelnen Kristalle zueinander eine geringere Ordnung annimmt. Dementsprechend ist es in einer besonderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bevorzugt, die Winkelgeschwindigkeit der beiden Rotationsbewegungen gleich oder verschieden einzustellen.

Zur Erzielung einer möglichst gleichförmigen Wärmedämmschicht wird es erfindungs gemäß bevorzugt, das Verhältnis der Winkelgeschwindigkeiten der beiden Rotationsbewegungen zueinander während des Aufdampfens konstant zu halten.

Ein anderer prinzipiell gangbarer Weg zu einer günstigeren Materialkopplung in Hinblick auf eine Optimierung der Übereinstimmung der E-Moduli zwischen einkristalliner Nickellegierung und Elektronenstrahl-aufgedampfter Wärmedämmschicht wäre es, die einkristallinen Substrate anstelle in der (100)-Orientierung in (111)- Orientierung herzustellen. Dadurch würde die Kriechbeständigkeit der Substrate zwar in der Richtung der maximal im Betrieb auftretender Kriechspannungen nach allgemeiner Kenntnis verringert, jedoch in einem noch vertretbar geringem Maße. Der Vorteil dieser Ausrichtung wäre jedoch ein Doppelter: zum einen eine größere Steifigkeit der Turbinenschaufeln, die ja auch der Lebensdauer von Keramikschichten positiv entgegenkommt, zum anderen deren günstigere Ausrichtung zur Texturrichtung der Wärmedämmschicht gemäß

<111<_Ni-Legierung || <100<_{Wärmedämmschicht}.

Diese Richtungskonvergenz geht sogar mit einem Unterschied der E-Moduli um den Faktor von nur 1,25 ein.

Eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung besteht darin, die etablierte Kristallzuchttechnik für Turbinenschaufeln in herkömmlicher Weise zu nutzen und diese einkristallin erstarrten Bauteile mit den erfindungsgemäß aufgebrachten Wärmedämmschichten, die eine <110<-Textur in Richtung der <100<-Hauptachse der Bauteile ausbilden, zu beschichten. Diese erfindungsgemäße Lösung ist kostenneutral, das heißt sie hat den Vorteil, daß bereits etablierte industrielle Beschichtungsvorrichtungen genutzt werden können, die die Beschichtung von Bauteilen gemäß der hier beschriebenen Technik gestatten, ohne daß zusätzliche apparative Änderungen vorgenommen werden müssen oder weitere Investitionen erforderlich sind.

Dabei wird der geringe E-Modul des Bauteils in <100<-Richtung, der sich besonders stark bei Vibration und/oder infolge Längung unter Zugbeanspruchung auswirkt, durchaus akzeptiert. Die erfindungsgemäß veränderte keramische Schicht auf dem Bauteil kann aber auf Grund ihres geringeren E-Moduls in dieser Hauptrichtung die Gestaltänderungen besser ertragen, weil die Spannungen zwischen Bauteil und Keramikschicht nunmehr geringer sind.

Claims

1. Verfahren zur Beschichtung von einkristallinen oder polykri stallinen Metallsubstraten mit einer texturierten keramischen Wärmedämm schicht aus Y-teilstabilisiertem Zirkoniumdioxid durch Elektronenstrahl- Aufdampfung, dadurch gekennzeichnet, daß man das Metallsubstrat wäh rend des Aufdampfens in Form einer Überlagerung einer ersten Rotations bewegung mit horizontaler Rotationsachse und einer zweiten Rotationsbe wegung mit einer im wesentlichen dazu senkrecht stehenden Rotationsach se bewegt, wobei das Verhältnis der Winkelgeschwindigkeiten der Rotati onsbewegungen während des Aufdampfens konstant ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die Winkelgeschwindigkeit der beiden Rotationsbewegungen während des Aufdampfens gleich oder verschieden einstellt.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch ge kennzeichnet, daß man einkristalline Turbinenschaufeln aus Ni- Superlegierungen beschichtet.

4. Verfahren zum Beschichten von Turbinenschaufeln aus Ni- Superlegierungen mit einer <111<-Richtung als Hauptwachstumsrichtung mit einer texturierten keramischen Wärmedämmschicht aus Zirkoniumdioxid durch Elektronenstrahl-Aufdampfung.