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EP2592174A1 - Schichtsystem mit strukturierter Substratoberfläche und Verfahren zur Herstellung - Google Patents

Schichtsystem mit strukturierter Substratoberfläche und Verfahren zur Herstellung Download PDF

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Publication number
EP2592174A1
EP2592174A1 EP11188983.8A EP11188983A EP2592174A1 EP 2592174 A1 EP2592174 A1 EP 2592174A1 EP 11188983 A EP11188983 A EP 11188983A EP 2592174 A1 EP2592174 A1 EP 2592174A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
layer
boundary surface
substrate
roughness
layer system
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.)
Withdrawn
Application number
EP11188983.8A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Alessandro Casu
Oliver Lüsebrink
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.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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 Siemens AG filed Critical Siemens AG
Priority to EP11188983.8A priority Critical patent/EP2592174A1/de
Priority to PCT/EP2012/068055 priority patent/WO2013072092A1/de
Priority to US14/354,571 priority patent/US10371004B2/en
Priority to EP12761600.1A priority patent/EP2761057B1/de
Publication of EP2592174A1 publication Critical patent/EP2592174A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F01D25/00—Component parts, details, or accessories, not provided for in, or of interest apart from, other groups
    • F01D25/005—Selecting particular materials
    • 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
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    • 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
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    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T428/00—Stock material or miscellaneous articles
    • Y10T428/24—Structurally defined web or sheet [e.g., overall dimension, etc.]
    • Y10T428/24355—Continuous and nonuniform or irregular surface on layer or component [e.g., roofing, etc.]

Definitions

  • the same definition applies to the rough surface 16 'of the substrate 4' with r ' s (maximum difference between the highest elevation 24 and the deepest depression 21 of the rough surface 16' of the substrate 4 ', analogous to r s ) and d' s (maximum Distance between two tips of two directly adjacent elevations 24 of the substrate 4 '; analogous to d s ).
  • the values r ' s and d' s result from the casting or smoothing of the substrate 4 '.
  • the value R s ie the maximum difference between the highest elevation 224 'and the deepest depression 221' of the layer 7, for the interface 10 is comparable to the value r s of the prior art (FIG. Fig. 1 ).
  • FIG. 3 shows by way of example a gas turbine 100 in a longitudinal partial section.
  • the layer composition comprises Co-30Ni-28Cr-8A1-0.6Y-0.7Si or Co-28Ni-24Cr-10A1-0.6Y.
  • nickel-based protective layers such as Ni-10Cr-12A1-0,6Y-3Re or Ni-12Co-21Cr-11A1-0,4Y-2Re or Ni-25Co-17Cr-10Al-0,4Y-1 are also preferably used , 5RE.

Landscapes

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Abstract

Durch eine strukturierte Oberfläche des Substrats überlagert sich diese Rauheit auf ein Interface der darauf liegenden Schichten, so dass die Haftung der Schichten untereinander verbessert wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Schichtsystem und ein Verfahren zur Herstellung, bei dem die Substratoberfläche eine größere Rauheit als eine Grenzfläche zwischen den Schichten aufweist.
  • Bauteile für Hochtemperatureinsätze müssen vor zu hohem Wärmeeintrag geschützt werden. Dies geschieht vorzugsweise durch Schichten, bei dem eine äußere keramische Schicht auf einer metallischen Haftvermittlerschicht aufgebracht ist, die auf einem metallischen Substrat aufgebracht wurde.
    Für die Lebensdauer der keramischen Wärmedämmschicht spielt je nach Auftragungsart der keramischen Schicht die Rauheit der metallischen Haftvermittlerschicht eine entscheidende Rolle.
  • Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, o. g. Aufgabe weiter zu verbessern.
  • Die Aufgabe wird gelöst durch ein Schichtsystem gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren zur Herstellung eines Schichtsystems gemäß Anspruch 14 oder 15.
  • In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Maßnahmen aufgelistet, die beliebig miteinander kombiniert werden können, um weitere Vorteile zu erzielen.
    Es zeigen:
    • Figur 1
    ein Schichtsystem nach dem Stand der Technik,
    Figuren 2, 7, 8
    ein erfindungsgemäßes Schichtsystem,
    Figur 3
    eine Gasturbine,
    Figur 4
    eine Turbinenschaufel,
    Figur 5
    eine Brennkammer,
    Figur 6
    eine Liste von Superlegierungen.
  • Die Beschreibung und die Figuren stellen nur
    Ausführungsbeispiele der Erfindung dar.
  • Die Figur 1 zeigt ein Schichtsystem 1' nach dem Stand der Technik.
    Auf einem Substrat 4' ist eine metallische Haftvermittlerschicht 7' (MCrA1X) aufgebracht, die an ihrer Oberfläche 10' zu der äußeren Schicht, einer keramischen Wärmedämmschicht 13' eine gewisse Rauheit aufweist. Dies ergibt sich aufgrund der bekannten Beschichtungsverfahren, insbesondere durch thermische Beschichtungsverfahren, ganz insbesondere durch Plasmaspritzen (APS, VPS, LPPS) oder durch HVOF.
  • Die Figur 1 ist eine vereinfachte Darstellung, weil die Anwendung wie bei einem Schaufelblatt 406 (Fig. 4) einer Turbinenschaufel 120, 130 (Fig. 4) das Substrat 4 gekrümmt ist.
  • Der maximale Unterschied zwischen höchster Erhöhung 24' und tiefster Vertiefung 21' der rauen Oberfläche 10' der Schicht 7' nach dem Stand der Technik beträgt rs. Höchste Erhöhung 24' und tiefste Vertiefung 21' dieser Max/Min-Werte für rs müssen nicht benachbart sein.
    Der maximale Abstand gemessen von der Spitze zu Spitze zwischen zwei direkt benachbarten Erhöhungen 24' der rauen Oberfläche 10' der Schicht 7' beträgt ds.
    Die Werte rs, ds ergeben sich durch die Beschichtung, also durch das Beschichtungsverfahren, -parameter, Pulver, ....
  • Die Struktur (Rauheit) der Oberfläche 10' ist unregelmäßig und weist daher keine Periodizität auf.
  • Gleiche Definition gilt für die raue Oberfläche 16' des Substrats 4' mit r's (maximaler Unterschied zwischen höchster Erhöhung 24 und tiefster Vertiefung 21 der rauen Oberfläche 16' des Substrats 4'; analog zu rs) und d's (maximaler Abstand zweier Spitzen von zwei direkt benachbarten Erhöhungen 24 des Substrats 4'; analog zu ds). Die Werte r's und d's ergeben sich durch das Gießen bzw. Bearbeiten, Glätten des Substrats 4'.
  • Eine Mittelwertlinie von Erhöhungen 24' und Vertiefungen 21' der rauen Oberfläche 10' würde zwischen höchster Erhöhung 24' und tiefster Vertiefung 21' der rauen Oberfläche 10' verlaufen. Gleiches gilt für die Oberfläche 16' des Substrats 4'. Die Werte rs und r's bzw. ds und d's sind nicht zwangsläufig gleich.
  • Eine Substrat-Mittellinie 30' der Oberfläche 16' des Substrats 4', d.h. eine Linie, die den Mittelwert der Erhöhungen 24' und Vertiefungen 21' der rauen Oberfläche 16' darstellt, eine Schichtdicken-Mittelinie 33' der Schicht 7', d.h. eine Linie, die in der Mitte der Schicht 7' verläuft und eine Schichtoberfläche-Mittellinie 36', d.h. eine Linie, die den Mittelwert der Erhöhungen 24 und der Vertiefungen 21 der rauen Oberfläche 10' des Substrats darstellt, verlaufen gerade.
    Beim realen Bauteil 120, 130 auf dem Schaufelblatt sind sie 30', 33', 36' einfach gebogen (Fig. 7) oder verlaufen wie eine Oberfläche eines Bauteils 120, 130 nach dem Stand der Technik.
    Hingegen weist das erfindungsgemäße Schichtsystem 1 gemäß Figur 2 ein Substrat 4 auf, bei dem die Struktur der Grenzoberfläche 16 des Substrats 4 gezielt und kontrolliert verändert wurde und damit auch die Grenzoberfläche 10 der Schicht 7, auf die eine keramische Beschichtung 13 erfolgt.
  • Die Grenzoberfläche 16 des Substrats 4 weist eine andere Struktur, also eine höhere Rauheit als die Oberfläche 16' (zwischen Substrat 4' und Schicht 7') nach dem Stand der Technik (Fig. 1) auf.
  • Ein Tal 23 und ein Berg 20 bzw. Täler und Berge gestalten die Grenzoberfläche 16 des Substrats 4 rauer, die quasi durch Wellung eines Substrats 4' entstanden ist und vergrößern die Grenzoberfläche 16 gegenüber der Oberfläche 16' des Substrats 4' (Fig. 1).
  • Eine Substratoberflächenmittellinie 30 der Grenzoberfläche 16, d.h. eine Linie, die den Mittelwert von Erhöhungen 224 und Vertiefungen 221 darstellt oder eine Schichtdickenmittellinie 33 der Schicht 7 oder eine Oberflächenmittellinie 36 der Schicht 7 (Definition von 30, 33, 36 wie bei 30', 33', 36') verlaufen nicht gerade, sondern gewellt, wobei sie mindestens 5mal gewellt (Fig. 8), insbesondere periodisch gewellt, sind. Eine Mittelwertlinie durch Berge 20 und Täler 23 würde ebenso verlaufen wie im Stand der Technik.
  • Dem Berg 20 und dem Tal 23 ist noch eine kleinere Rauheit (Rs = minimaler Unterschied von höchstens Erhöhung 224' der Schicht 7 und tiefste Vertiefung 221' der Schicht 7), wie aus dem Stand der Technik bekannt, überlagert.
  • Der Unterschied zwischen einem höchsten Berg 20 und einem tiefsten Tal 23 (in Fig. 2 zufällig direkt aufeinanderfolgend) des Substrats 4, die durch die Wellung eines Substrats 4' nach dem Stand der Technik entstanden sind, beträgt R4 i.
  • Die vorzugsweise wellenförmige Grenzoberfläche 16 weist auch die überlagerte Rauheit Rs auf, die jedoch kleiner ist als die gezielt eingestellte Rauheit Ri 4 des Substrats 4.
  • Der maximale Abstand von benachbarten Berg 20 und Tal 23 des Substrats 4 beträgt D' i. Analog gilt dies für die Oberfläche 10 der Schicht 7 mit Di.
    D' i (maximaler Abstand Berg 20' und Tal 23' der Schicht 7) ist vergleichbar mit Di.
  • Der Wert d'i, d.h. der maximale Abstand zwischen zwei Spitzen benachbarter Erhöhungen 224 der gewellten rauen Oberfläche 16', hier dann Grenzoberfläche 16, ist vergleichbar mit d's.
  • Entsprechend definiert ist R7 i. Der Wert R7 i ist vergleichbar mit dem Wert R4 i, da die metallische Schicht 7 die Berge 20 und Täler 23 der Oberfläche 16 des Substrats 4 nicht ausgleicht
  • Ebenso ist der Wert R' s, d.h. der maximale Unterschied zwischen höchster Erhöhung 224 und tiefster Vertiefung 221 der gewellten rauen Oberfläche 16', hier also der Grenzoberfläche 16, vergleichbar mit r's.
  • Die raue Oberfläche 10' einer Schicht 7' (Fig. 1) wird daher quasi zusätzlich nur gewellt zu der Haftvermittlerschicht 7 und weist daher vergleichbare Werte ds (Fig. 1) für di (= maximaler Abstand zweier benachbarter Erhöhungen 224') auf.
  • Der Wert Rs, d.h. der maximale Unterschied zwischen höchster Erhöhung 224' und tiefster Vertiefung 221' der Schicht 7, für die Grenzfläche 10 ist bei gleicher Beschichtungstechnik und gleichem Pulver vergleichbar mit dem Wert rs aus dem Stand der Technik (Fig. 1).
  • Zur Ermittlung der Rauheit kann auch die quadratische oder mittlere Rauheit (Rq bzw. Ra) herangezogen werden.
  • Vorzugsweise ist die Rauheit der Oberfläche 16 des Substrats 4 mindestens 20%, insbesondere 30% rauer als die Grenzfläche 10' zwischen den Schichten 7', 13' nach dem Stand der Technik (Fig. 1), d.h. der Wert R7 i bzw. R4 i ist mindestens 20%, insbesondere 30% größer als Wert rs bzw. r's.
  • Die Rauheit mit Tal 23 und Berg 20 des Substrats 4 ist vorzugsweise zumindest stellenweise gleichmäßig ausgebildet, also beispielsweise sinusförmig oder weist zumindest eine konstante Wellenlänge auf (Welligkeit) oder konstante Abstände zwischen direkt benachbarten Bergen. Die unbearbeitete Oberfläche 16' weist insbesondere keine Gleichmäßigkeit oder Periodizität auf.
  • Vorzugsweise ist die Welligkeit der Grenzoberfläche 16 des Substrats 4 größer als die der Oberfläche 10' nach dem Stand der Technik, also mindestens 20%, d.h., die Abstände zwischen zwei "Bergen" 20 sind größer. Der kleinste Abstand Di (Fig. 2) benachbarter Berge 20 ist mindestens 20%, insbesondere 30% größer als der größte Abstand di (bzw. ds) von benachbarten Erhöhungen für die Grenzoberfläche 10.
  • Die Welligkeit der Grenzoberfläche 16 des Substrats 4 setzt sich auch durch die Beschichtung 7 an der Grenzoberfläche 10 mit dem Berg 20' der Schicht 7 und Tal 23 der Schicht 7 fort.
  • Durch die Überlagerung der höheren Rauheit bzw. Welligkeit der Grenzoberfläche 16 des Substrats 4 und der Rauheit der innenliegenden, insbesondere metallischen Haftvermittlerschicht 7, wird die Haftung, der darüberliegenden Schicht 13 weiterhin verbessert.
  • Das Substrat 4 kann über die gesamte Grenzoberfläche 16 strukturiert sein oder auch nur lokal.
    Bei einer Turbinenschaufel 120, 130 wäre dies das Schaufelblatt 406.
  • Das Substrat 4 weist vorzugsweise eine kobalt- oder nickelbasierte Legierung auf, insbesondere aus Figur 6.
  • Das Substrat 4 kann durch eine entsprechend geformte Gussform schon die gewünschte Struktur auf der Grenzoberfläche 16 nach dem Gießen aufweisen oder sie wird nach dem Gießen bearbeitet, insbesondere durch Laserbearbeitung, um die gewünschte Oberflächenstruktur einzustellen.
  • Die Figur 3 zeigt beispielhaft eine Gasturbine 100 in einem Längsteilschnitt.
  • Die Gasturbine 100 weist im Inneren einen um eine Rotationsachse 102 drehgelagerten Rotor 103 mit einer Welle 101 auf, der auch als Turbinenläufer bezeichnet wird.
    Entlang des Rotors 103 folgen aufeinander ein Ansauggehäuse 104, ein Verdichter 105, eine beispielsweise torusartige Brennkammer 110, insbesondere Ringbrennkammer, mit mehreren koaxial angeordneten Brennern 107, eine Turbine 108 und das Abgasgehäuse 109.
    Die Ringbrennkammer 110 kommuniziert mit einem beispielsweise ringförmigen Heißgaskanal 111. Dort bilden beispielsweise vier hintereinander geschaltete Turbinenstufen 112 die Turbine 108.
    Jede Turbinenstufe 112 ist beispielsweise aus zwei Schaufelringen gebildet. In Strömungsrichtung eines Arbeitsmediums 113 gesehen folgt im Heißgaskanal 111 einer Leitschaufelreihe 115 eine aus Laufschaufeln 120 gebildete Reihe 125.
  • Die Leitschaufeln 130 sind dabei an einem Innengehäuse 138 eines Stators 143 befestigt, wohingegen die Laufschaufeln 120 einer Reihe 125 beispielsweise mittels einer Turbinenscheibe 133 am Rotor 103 angebracht sind.
    An dem Rotor 103 angekoppelt ist ein Generator oder eine Arbeitsmaschine (nicht dargestellt).
  • Während des Betriebes der Gasturbine 100 wird vom Verdichter 105 durch das Ansauggehäuse 104 Luft 135 angesaugt und verdichtet. Die am turbinenseitigen Ende des Verdichters 105 bereitgestellte verdichtete Luft wird zu den Brennern 107 geführt und dort mit einem Brennmittel vermischt. Das Gemisch wird dann unter Bildung des Arbeitsmediums 113 in der Brennkammer 110 verbrannt. Von dort aus strömt das Arbeitsmedium 113 entlang des Heißgaskanals 111 vorbei an den Leitschaufeln 130 und den Laufschaufeln 120. An den Laufschaufeln 120 entspannt sich das Arbeitsmedium 113 impulsübertragend, so dass die Laufschaufeln 120 den Rotor 103 antreiben und dieser die an ihn angekoppelte Arbeitsmaschine.
  • Die dem heißen Arbeitsmedium 113 ausgesetzten Bauteile unterliegen während des Betriebes der Gasturbine 100 thermischen Belastungen. Die Leitschaufeln 130 und Laufschaufeln 120 der in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums 113 gesehen ersten Turbinenstufe 112 werden neben den die Ringbrennkammer 110 auskleidenden Hitzeschildelementen am meisten thermisch belastet.
    Um den dort herrschenden Temperaturen standzuhalten, können diese mittels eines Kühlmittels gekühlt werden.
    Ebenso können Substrate der Bauteile eine gerichtete Struktur aufweisen, d.h. sie sind einkristallin (SX-Struktur) oder weisen nur längsgerichtete Körner auf (DS-Struktur).
    Als Material für die Bauteile, insbesondere für die Turbinenschaufel 120, 130 und Bauteile der Brennkammer 110 werden beispielsweise eisen-, nickel- oder kobaltbasierte Superlegierungen verwendet.
    Solche Superlegierungen sind beispielsweise aus der EP 1 204 776 B1 , EP 1 306 454 , EP 1 319 729 A1 , WO 99/67435 oder WO 00/44949 bekannt.
  • Ebenso können die Schaufeln 120, 130 Beschichtungen gegen Korrosion (MCrA1X; M ist zumindest ein Element der Gruppe Eisen (Fe), Kobalt (Co), Nickel (Ni), X ist ein Aktivelement und steht für Yttrium (Y) und/oder Silizium, Scandium (Sc) und/oder zumindest ein Element der Seltenen Erden bzw. Hafnium). Solche Legierungen sind bekannt aus der EP 0 486 489 B1 , EP 0 786 017 B1 , EP 0 412 397 B1 oder EP 1 306 454 A1 .
  • Auf der MCrA1X kann noch eine Wärmedämmschicht vorhanden sein, und besteht beispielsweise aus Zr02, Y203-Zr02, d.h. sie ist nicht, teilweise oder vollständig stabilisiert durch Yttriumoxid und/oder Kalziumoxid und/oder Magnesiumoxid.
    Durch geeignete Beschichtungsverfahren wie z.B. Elektronenstrahlverdampfen (EB-PVD) werden stängelförmige Körner in der Wärmedämmschicht erzeugt.
  • Die Leitschaufel 130 weist einen dem Innengehäuse 138 der Turbine 108 zugewandten Leitschaufelfuß (hier nicht dargestellt) und einen dem Leitschaufelfuß gegenüberliegenden Leitschaufelkopf auf. Der Leitschaufelkopf ist dem Rotor 103 zugewandt und an einem Befestigungsring 140 des Stators 143 festgelegt.
  • Die Figur 4 zeigt in perspektivischer Ansicht eine Laufschaufel 120 oder Leitschaufel 130 einer Strömungsmaschine, die sich entlang einer Längsachse 121 erstreckt.
  • Die Strömungsmaschine kann eine Gasturbine eines Flugzeugs oder eines Kraftwerks zur Elektrizitätserzeugung, eine Dampfturbine oder ein Kompressor sein.
  • Die Schaufel 120, 130 weist entlang der Längsachse 121 aufeinander folgend einen Befestigungsbereich 400, eine daran angrenzende Schaufelplattform 403 sowie ein Schaufelblatt 406 und eine Schaufelspitze 415 auf.
    Als Leitschaufel 130 kann die Schaufel 130 an ihrer Schaufelspitze 415 eine weitere Plattform aufweisen (nicht dargestellt).
  • Im Befestigungsbereich 400 ist ein Schaufelfuß 183 gebildet, der zur Befestigung der Laufschaufeln 120, 130 an einer Welle oder einer Scheibe dient (nicht dargestellt).
    Der Schaufelfuß 183 ist beispielsweise als Hammerkopf ausgestaltet. Andere Ausgestaltungen als Tannenbaum- oder Schwalbenschwanzfuß sind möglich.
    Die Schaufel 120, 130 weist für ein Medium, das an dem Schaufelblatt 406 vorbeiströmt, eine Anströmkante 409 und eine Abströmkante 412 auf.
  • Bei herkömmlichen Schaufeln 120, 130 werden in allen Bereichen 400, 403, 406 der Schaufel 120, 130 beispielsweise massive metallische Werkstoffe, insbesondere Superlegierungen verwendet.
  • Solche Superlegierungen sind beispielsweise aus der EP 1 204 776 B1 , EP 1 306 454 , EP 1 319 729 A1 , WO 99/67435 oder WO 00/44949 bekannt.
    Die Schaufel 120, 130 kann hierbei durch ein Gussverfahren, auch mittels gerichteter Erstarrung, durch ein Schmiedeverfahren, durch ein Fräsverfahren oder Kombinationen daraus gefertigt sein.
  • Werkstücke mit einkristalliner Struktur oder Strukturen werden als Bauteile für Maschinen eingesetzt, die im Betrieb hohen mechanischen, thermischen und/oder chemischen Belastungen ausgesetzt sind.
    Die Fertigung von derartigen einkristallinen Werkstücken erfolgt z.B. durch gerichtetes Erstarren aus der Schmelze. Es handelt sich dabei um Gießverfahren, bei denen die flüssige metallische Legierung zur einkristallinen Struktur, d.h. zum einkristallinen Werkstück, oder gerichtet erstarrt.
    Dabei werden dendritische Kristalle entlang dem Wärmefluss ausgerichtet und bilden entweder eine stängelkristalline Kornstruktur (kolumnar, d.h. Körner, die über die ganze Länge des Werkstückes verlaufen und hier, dem allgemeinen Sprachgebrauch nach, als gerichtet erstarrt bezeichnet werden) oder eine einkristalline Struktur, d.h. das ganze Werkstück besteht aus einem einzigen Kristall. In diesen Verfahren muss man den Übergang zur globulitischen (polykristallinen) Erstarrung meiden, da sich durch ungerichtetes Wachstum notwendigerweise transversale und longitudinale Korngrenzen ausbilden, welche die guten Eigenschaften des gerichtet erstarrten oder einkristallinen Bauteiles zunichte machen.
    Ist allgemein von gerichtet erstarrten Gefügen die Rede, so sind damit sowohl Einkristalle gemeint, die keine Korngrenzen oder höchstens Kleinwinkelkorngrenzen aufweisen, als auch Stängelkristallstrukturen, die wohl in longitudinaler Richtung verlaufende Korngrenzen, aber keine transversalen Korngrenzen aufweisen. Bei diesen zweitgenannten kristallinen Strukturen spricht man auch von gerichtet erstarrten Gefügen (directionally solidified structures).
    Solche Verfahren sind aus der US-PS 6,024,792 und der EP 0 892 090 A1 bekannt.
  • Ebenso können die Schaufeln 120, 130 Beschichtungen gegen Korrosion oder Oxidation aufweisen, z. B. (MCrAlX; M ist zumindest ein Element der Gruppe Eisen (Fe), Kobalt (Co), Nickel (Ni), X ist ein Aktivelement und steht für Yttrium (Y) und/oder Silizium und/oder zumindest ein Element der Seltenen Erden, bzw. Hafnium (Hf)). Solche Legierungen sind bekannt aus der EP 0 486 489 B1 , EP 0 786 017 B1 , EP 0 412 397 B1 oder EP 1 306 454 A1 .
    Die Dichte liegt vorzugsweise bei 95% der theoretischen Dichte.
    Auf der MCrA1X-Schicht (als Zwischenschicht oder als äußerste Schicht) bildet sich eine schützende Aluminiumoxidschicht (TGO = thermal grown oxide layer).
  • Vorzugsweise weist die Schichtzusammensetzung Co-30Ni-28Cr-8A1-0,6Y-0,7Si oder Co-28Ni-24Cr-10A1-0,6Y auf. Neben diesen kobaltbasierten Schutzbeschichtungen werden auch vorzugsweise nickelbasierte Schutzschichten verwendet wie Ni-10Cr-12A1-0,6Y-3Re oder Ni-12Co-21Cr-11A1-0,4Y-2Re oder Ni-25Co-17Cr-10Al-0,4Y-1,5Re.
  • Auf der MCrA1X kann noch eine Wärmedämmschicht vorhanden sein, die vorzugsweise die äußerste Schicht ist, und besteht beispielsweise aus Zr02, Y203-Zr02, d.h. sie ist nicht, teilweise oder vollständig stabilisiert durch Yttriumoxid und/oder Kalziumoxid und/oder Magnesiumoxid.
    Die Wärmedämmschicht bedeckt die gesamte MCrA1X-Schicht. Durch geeignete Beschichtungsverfahren wie z.B. Elektronenstrahlverdampfen (EB-PVD) werden stängelförmige Körner in der Wärmedämmschicht erzeugt.
    Andere Beschichtungsverfahren sind denkbar, z.B. atmosphärisches Plasmaspritzen (APS), LPPS, VPS oder CVD. Die Wärmedämmschicht kann poröse, mikro- oder makrorissbehaftete Körner zur besseren Thermoschockbeständigkeit aufweisen. Die Wärmedämmschicht ist also vorzugsweise poröser als die MCrA1X-Schicht.
  • Wiederaufarbeitung (Refurbishment) bedeutet, dass Bauteile 120, 130 nach ihrem Einsatz gegebenenfalls von Schutzschichten befreit werden müssen (z.B. durch Sandstrahlen). Danach erfolgt eine Entfernung der Korrosions- und/oder Oxidationsschichten bzw. -produkte. Gegebenenfalls werden auch noch Risse im Bauteil 120, 130 repariert. Danach erfolgt eine Wiederbeschichtung des Bauteils 120, 130 und ein erneuter Einsatz des Bauteils 120, 130.
  • Die Schaufel 120, 130 kann hohl oder massiv ausgeführt sein. Wenn die Schaufel 120, 130 gekühlt werden soll, ist sie hohl und weist ggf. noch Filmkühllöcher 418 (gestrichelt angedeutet) auf.
  • Die Figur 5 zeigt eine Brennkammer 110 einer Gasturbine.
    Die Brennkammer 110 ist beispielsweise als so genannte Ringbrennkammer ausgestaltet, bei der eine Vielzahl von in Umfangsrichtung um eine Rotationsachse 102 herum angeordneten Brennern 107 in einen gemeinsamen Brennkammerraum 154 münden, die Flammen 156 erzeugen. Dazu ist die Brennkammer 110 in ihrer Gesamtheit als ringförmige Struktur ausgestaltet, die um die Rotationsachse 102 herum positioniert ist.
  • Zur Erzielung eines vergleichsweise hohen Wirkungsgrades ist die Brennkammer 110 für eine vergleichsweise hohe Temperatur des Arbeitsmediums M von etwa 1000°C bis 1600°C ausgelegt. Um auch bei diesen, für die Materialien ungünstigen Betriebsparametern eine vergleichsweise lange Betriebsdauer zu ermöglichen, ist die Brennkammerwand 153 auf ihrer dem Arbeitsmedium M zugewandten Seite mit einer aus Hitzeschildelementen 155 gebildeten Innenauskleidung versehen.
    Jedes Hitzeschildelement 155 aus einer Legierung ist arbeitsmediumsseitig mit einer besonders hitzebeständigen Schutzschicht (MCrA1X-Schicht und/oder keramische Beschichtung) ausgestattet oder ist aus hochtemperaturbeständigem Material (massive keramische Steine) gefertigt.
    Diese Schutzschichten können ähnlich der Turbinenschaufeln sein, also bedeutet beispielsweise MCrAlX: M ist zumindest ein Element der Gruppe Eisen (Fe), Kobalt (Co), Nickel (Ni), X ist ein Aktivelement und steht für Yttrium (Y) und/oder Silizium und/oder zumindest ein Element der Seltenen Erden, bzw. Hafnium (Hf). Solche Legierungen sind bekannt aus der EP 0 486 489 B1 , EP 0 786 017 B1 , EP 0 412 397 B1 oder EP 1 306 454 A1 .
  • Auf der MCrA1X kann noch eine beispielsweise keramische Wärmedämmschicht vorhanden sein und besteht beispielsweise aus Zr02, Y203-Zr02, d.h. sie ist nicht, teilweise oder vollständig stabilisiert durch Yttriumoxid und/oder Kalziumoxid und/oder Magnesiumoxid.
    Durch geeignete Beschichtungsverfahren wie z.B. Elektronenstrahlverdampfen (EB-PVD) werden stängelförmige Körner in der Wärmedämmschicht erzeugt.
    Andere Beschichtungsverfahren sind denkbar, z.B. atmosphärisches Plasmaspritzen (APS), LPPS, VPS oder CVD. Die Wärmedämmschicht kann poröse, mikro- oder makrorissbehaftete Körner zur besseren Thermoschockbeständigkeit aufweisen.
  • Wiederaufarbeitung (Refurbishment) bedeutet, dass Hitzeschildelemente 155 nach ihrem Einsatz gegebenenfalls von Schutzschichten befreit werden müssen (z.B. durch Sandstrahlen). Danach erfolgt eine Entfernung der Korrosions- und/oder Oxidationsschichten bzw. -produkte. Gegebenenfalls werden auch noch Risse in dem Hitzeschildelement 155 repariert. Danach erfolgt eine Wiederbeschichtung der Hitzeschildelemente 155 und ein erneuter Einsatz der Hitzeschildelemente 155.
  • Aufgrund der hohen Temperaturen im Inneren der Brennkammer 110 kann zudem für die Hitzeschildelemente 155 bzw. für deren Halteelemente ein Kühlsystem vorgesehen sein. Die Hitzeschildelemente 155 sind dann beispielsweise hohl und weisen ggf. noch in den Brennkammerraum 154 mündende Kühllöcher (nicht dargestellt) auf.

Claims (16)

  1. Schichtsystem (1),
    das zumindest zwei Schichten (7, 13) aufweist,
    eine innenliegende Schicht (7) auf der Grenzoberfläche (16) eines Substrats (4),
    insbesondere direkt auf der Grenzoberfläche (16),
    wobei die innenliegende Schicht (7) eine gewisse Rauheit (Rs) im Bereich der Oberfläche (10) zu der äußeren Schicht (13),
    aufgrund der bekannten Beschichtungsverfahren, insbesondere durch thermische Beschichtungsverfahren, ganz insbesondere durch Plasmaspritzen und/oder durch HVOF aufweist,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Rauheit (R4 i) der Grenzoberfläche (16) des Substrats (4) gezielt eingestellt wird
    oder
    nach seiner Herstellung, insbesondere nach dem Gießen, bearbeitet wird,
    insbesondere vergrößert wird.
  2. Schichtsystem nach Anspruch 1,
    bei dem eine Schichtdicken-Mittellinie (33) der Schicht (7) mehrfach gebogen,
    insbesondere mindestens 5mal,
    ganz insbesondere zumindest stellenweise periodisch gebogen ist.
  3. Schichtsystem nach einem oder beiden der Ansprüche 1 oder 2,
    bei dem das Substrat (4) auf seiner Grenzoberfläche (16) zumindest stellenweise, insbesondere vollständig eine Periodizität aufweist.
  4. Schichtsystem nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 1, 2 oder 3,
    bei dem die Grenzoberfläche (16) des Substrats (4) mit Bergen (20) und Täler (23) eine Welligkeit mit einer Periodizität aufweist und
    die Oberfläche (10) keine Periodizität aufweist,
    wenn Berge (20) und Täler (23) nicht vorhanden wären.
  5. Schichtsystem nach Anspruch 3,
    bei dem die Periodizität der Welligkeit der Grenzoberfläche (16) mit Berg (20) und Tal (23) mindestens 20%, insbesondere 30% größer ist als die Periodizität der Oberfläche (10) der Schicht (7),
    wenn Berge (20) und Täler (23) nicht vorhanden wären.
  6. Schichtsystem nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche,
    bei dem die Rauheit die mittlere Rauheit (Ra) ist.
  7. Schichtsystem nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche,
    bei dem die Rauheit die quadratische Rauheit (Rq) ist.
  8. Schichtsystem nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche,
    bei dem die Rauheit (R4 i) der Grenzoberfläche (16) des Substrats (4) mit Bergen (20) und Tälern (23) mindestens 20%, insbesondere mindestens 30% größer ist als die Rauheit (Rs) der Grenzfläche (16)
    wenn Berge (20) und Täler (23) nicht vorhanden wären.
  9. Schichtsystem nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche,
    bei dem der Unterschied (R7 i) zwischen höchstem Berg (20') und tiefstem Tal (23') der Schicht (7) im Vergleich zum maximalen Unterschied (Rs) zwischen höchster Erhöhung (224') einer innenliegenden Schicht (7) und tiefstem Tal (221') der innenliegenden Schicht (7) mindestens 20%, insbesondere 30%, beträgt,
    wenn Berge (20) und Täler (23) nicht vorhanden wären.
  10. Schichtsystem nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche,
    bei dem der maximale Abstand zwischen zwei benachbarten Erhöhungen (224') der Grenzoberfläche (10) zur äußeren Schicht (13) di beträgt,
    bei dem der kleinste Abstand zwischen zwei Bergen (20') einer Grenzoberfläche (10) der Schicht (7) Di beträgt und bei dem Di mindestens 20%, insbesondere 30% größer ist als di.
  11. Schichtsystem nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche,
    bei dem der maximale Abstand zwischen zwei benachbarten Erhöhung (224) und tiefster Vertiefung (221) beträgt,
    bei dem der kleinste Unterschied zwischen Berg (20) und Tal (23) der bearbeiteten Grenzoberfläche (16) des Substrats (4) D' i beträgt und
    bei dem D' i mindestens 20%, insbesondere 30% größer ist als d'i.
  12. Schichtsystem nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche,
    bei dem die innenliegende Schicht (7) eine metallische Haftschicht ist,
    auf der eine äußere keramische Schicht (13) aufgebracht ist.
  13. Schichtsystem nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche,
    bei dem das Substrat (4) nur lokal eine größere Rauheit oder eine Periodizität aufweist,
    insbesondere bei einer Turbinenschaufel (120, 130) das Schaufelblatt (406) zumindest teilweise,
    ganz insbesondere vollständig.
  14. Schichtsystem nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche,
    bei dem das Substrat (4) metallisch ist.
  15. Verfahren zur Herstellung eines Schichtsystems nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 14,
    bei dem durch eine Laserbearbeitung eine Struktur in der Grenzoberfläche (16) des Substrats (4) erzeugt wird.
  16. Verfahren zur Herstellung eines Schichtsystems nach einem oder mehreren der vorhergehenden Patentansprüche 1 bis 14,
    bei dem das Substrat (4) schon durch das Gießen eine strukturierte Grenzoberfläche (16) aufweist,
    die eine Welligkeit in der Grenzoberfläche (10) der Schicht (7) ergibt.
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