DE10126896A1 - Schutzbeschichtigung für ein thermisch belastetes Bauteil, insbesondere Turbinenbauteil - Google Patents

Schutzbeschichtigung für ein thermisch belastetes Bauteil, insbesondere Turbinenbauteil

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schutzbeschichtung (3) für ein thermisch belastetes Bauteil (1), insbesondere Turbinenbauteil, zum Schutz vor Korrosion und/oder Oxidation und/oder Erosion. DOLLAR A Zur Verbesserung der Lebenszeit der Schutzbeschichtung (3) bzw. des Bauteils (1) weist die Schutzbeschichtung (3) eine einschichtige oder mehrschichtige Versiegelungsbeschichtung (4) aus einem amorphen Werkstoff auf.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft eine Schutzbeschichtung für ein thermisch belastetes Bau­ teil, insbesondere Turbinenbauteil, zum Schutz vor Korrosion und/oder Oxidation und/oder Erosion.
Turbinenbauteile, insbesondere Turbinenschaufeln, sind im Betrieb der Turbine korrosiven und/oder oxidativen und/oder erosiven Medien ausgesetzt. Die Turbi­ nenbauteile bestehen regelmäßig aus Werkstoffen, die hinsichtlich der im Betrieb der Turbine auftretenden mechanischen Belastungen optimiert sind. Diese Werk­ stoffe, die beispielsweise auf Nickelbasislegierungen basieren, sind jedoch relativ anfällig gegenüber Korrosion, Oxidation und/oder Erosion. Übliche Grundmate­ rialien für Turbinenbauteile, insbesondere für Turbinenschaufeln, sind: cm 247, CMSX 4 und IN 738.
Stand der Technik
Um die Lebensdauer der Turbinenbauteile zu erhöhen, kann deren Korrosions­ beständigkeit durch die Aufbringung einer Schutzbeschichtung der eingangs ge­ nannten Art verbessert werden. Bekannte Schutzbeschichtungen bestehen aus einem metallischen, kristallinen Werkstoff, der üblicherweise neben anderen chemischen Elementen hinreichende Gehalte an den Bestandteilen Aluminium und Chrom enthält. Dabei sorgt das Aluminium für den gewünschten Oxidations­ schutz, da auf der außenliegenden Oberfläche der Schutzbeschichtung allmäh­ lich eine schützende Aluminiumoxidschicht aufwächst. Dabei unterstützt das Le­ gierungselement Chrom die Ausbildung der schützenden Aluminiumoxidschicht. Die Lebensdauer einer solchen Schutzbeschichtung ist jedoch begrenzt, da die schützende Aluminiumoxidschicht permanent weiterwächst, wodurch der Schutz­ beschichtung mehr und mehr Aluminium entzogen wird. Mit dem auf diese Weise abnehmenden Aluminiumgehalt der Schutzbeschichtung reduziert sich deren Fe­ stigkeit und somit auch deren Lebenszeit. Durch die Beschädigung der Schutz­ beschichtung reduziert sich dann auch die Lebensdauer für das zu schützende Bauteil.
Darstellung der Erfindung
Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, für eine Schutzbeschichtung der eingangs genannten Art eine Ausführungsform anzugeben, die eine erhöhte Lebenszeit aufweist.
Erfindungsgemäß wird dieses Problem dadurch gelöst, dass die Schutzbe­ schichtung eine einschichtige oder mehrschichtige Versiegelungsbeschichtung aus einem amorphen Werkstoff aufweist.
Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, die vorteilhaften Eigen­ schaften einer amorphen Gefügestruktur bei Werkstoffen, die zum Schutz vor Korrosion und/oder Oxidation und/oder Erosion geeignet sind, zur Herstellung einer langlebigen Schutzbeschichtung auszunutzen. Amorphe Werkstoffe bzw. amorphe Gefügestrukturen zeichnen sich durch eine geringe Wärmeleitfähigkeit, geringe Diffusionsgeschwindigkeiten sowie hohe Härte und hohe thermische Stabilität aus. Die erfindungsgemäße Realisierung dieser Eigenschaften bei ei­ nem korrosionsbeständigen und/oder oxidationsbeständigen und/oder erosions­ beständigen Werkstoff führt zu einer Schutzbeschichtung mit erhöhter Lebens­ zeit.
Die Erfindung nutzt dabei die Erkenntnis, dass die Schwachstellen einer her­ kömmlichen Schutzbeschichtung bzw. die Schwachstellen der Bauteiloberfläche bei den Korngrenzen liegen, bei denen benachbarte Kristalle einer kristallinen Gefügestruktur aneinander grenzen. In den Korngrenzen herrscht beispielsweise eine erhöhte Konzentration von Legierungsverunreinigungen, die in der Regel anfällig für Korrosion, Oxidation bzw. Erosion sind. Abgesehen von monokristalli­ nen Strukturen weisen kristalline Werkstoffe an ihrer Außenseite stets eine Viel­ zahl dieser Korngrenzen auf, die den aggressiven Medien ausgesetzt sind. Im Unterschied dazu besitzt ein amorphes Gefüge keine Korngrenzen, wodurch lo­ kale Konzentrationen von Verunreinigungen und somit Schwachstellen in der amorphen Versiegelungsbeschichtung vermieden werden. Die amorphe Gefüge­ struktur der Versiegelungsbeschichtung bietet den aggressiven Medien somit weniger Angriffsstellen und besitzt dadurch eine erhöhte Lebenszeit.
Desweiteren kann eine solche Versiegelungsbeschichtung mit einer hohen Qua­ lität und Güte hergestellt werden, die insbesondere keine Löcher oder Lücken aufweist. Hierdurch kann eine Diffusion aggressiver Atome oder Moleküle in die Versiegelungsbeschichtung hinein bzw. durch die Versiegelungsbeschichtung hindurch verlangsamt werden. Im Unterschied zu einer natürlich wachsenden Aluminiumoxidschicht, bei der zwischen den sich ausbildenden Kristallen Lücken oder Löcher auftreten können, ergibt sich dadurch eine weitere Verbesserung der Schutzwirkung und somit der Lebenszeit der Schutzbeschichtung und letztlich des beschichteten Bauteils.
Bei einer ersten Ausführungsform kann die Versiegelungsbeschichtung auf der Oberfläche des Bauteils angeordnet sein. Die langlebige Versiegelungsbe­ schichtung behindert den Transport aggressiver Moleküle oder Atome, z. B. Sau­ erstoff, zum Bauteil, so dass für das Bauteil eine hohe Lebenszeit gewährleistet werden kann.
Bei einer zweiten Ausführungsform kann die Schutzbeschichtung zusätzlich zur Versiegelungsbeschichtung eine einschichtige oder mehrschichtige Bauteilbe­ schichtung aus einem kristallinen Werkstoff aufweisen, die auf der Oberfläche des Bauteils angeordnet ist, wobei die Versiegelungsbeschichtung dann auf der Bauteilbeschichtung angeordnet ist. Diese Bauteilbeschichtung kann beispiels­ weise aus einer herkömmlichen Schutzschicht mit einem kristallinen Werkstoff bestehen, z. B. aus einer Nickelbasislegierung. Wie eingangs erläutert, kann eine solche Bauteilbeschichtung zwar einen relativ hochwertigen Schutz vor Korrosi­ on, Oxidation und Erosion bieten, besitzt jedoch aufgrund der freien Korngrenzen eine relativ kurze Lebenszeit. Durch die darauf aufgebrachte Versiegelungsbe­ schichtung sind die Korngrenzen dieser Bauteilbeschichtung vor einem direkten Angriff der aggressiven Medien geschützt, wodurch sich die Lebenszeit dieser Beschichtung deutlich erhöht.
Bei einer bevorzugten Weiterbildung kann die erfindungsgemäße Schutzbe­ schichtung zusätzlich eine einschichtige oder mehrschichtige Wärmedämmbe­ schichtung aufweisen, die auf der Versiegelungsbeschichtung angeordnet ist. Mit Hilfe einer solchen Wärmedämmbeschichtung kann die Temperaturbeaufschla­ gung der Versiegelungsschicht sowie des Bauteils und - soweit vorhanden - auch der (herkömmlichen) Bauteilbeschichtung reduziert werden. Beispielsweise kön­ nen dadurch notwendige mechanische Eigenschaften des Grundwerkstoffs des Bauteils gewährleistet werden. Eine solche Wärmedämmbeschichtung kann bei­ spielsweise aus stabilisiertem Zirkonoxid bestehen.
Um eine hohe mechanische Stabilität für die amorphe Versiegelungsbeschich­ tung gewährleisten zu können, wird diese relativ dünn ausgebildet. Bevorzugt wird dabei eine dicke von weniger als 20 µm. Von besonderem Vorteil ist eine Versiegelungsbeschichtung mit einer Dicke von etwa 0,1 µm bis 10 µm.
In zweckmässiger Ausgestaltung wird die Versiegelungsbeschichtung auf einen einkristallinen oder gerichtet erstarrten Werkstoff aufgebracht.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der erfindungsgemäßen Schutzbe­ schichtung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen darge­ stellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen, jeweils schematisch,
Fig. 1 eine Schnittansicht auf einen Bereich eines Bauteils, das mit einer Schutzbeschichtung nach der Erfindung ausgestattet ist, bei einer er­ sten Ausführungsform,
Fig. 2 eine Schnittansicht wie in Fig. 1, jedoch bei einer zweiten Ausfüh­ rungsform,
Fig. 3 eine Schnittansicht wie in Fig. 1, jedoch bei einer dritten Ausfüh­ rungsform, und
Fig. 4 eine Schnittansicht wie in Fig. 1, jedoch bei einer vierten Ausfüh­ rungsform.
Wege zur Ausführung der Erfindung
Entsprechend den Fig. 1 bis 4 kann ein nur bereichsweise dargestelltes Bauteil 1, beispielsweise eine Turbinenschaufel, an seiner außenliegenden Ober­ fläche 2 mit einer erfindungsgemäßen Schutzbeschichtung 3 zum Schutz vor Korrosion und/oder Oxidation und/oder Erosion beschichtet sein. Diese Schutz­ beschichtung 3 weist eine einschichtige oder mehrschichtige Versiegelungsbe­ schichtung 4 auf, die aus einem amorphen Werkstoff bzw. aus einem Werkstoff mit amorphem Gefüge besteht. Die amorphe Versiegelungsbeschichtung 4 kann aus einem amorphen Metall, aus einem amorphen Übergangsmetall, aus einer amorphen Metallegierung oder aus einer amorphen nichtmetallischen Verbindung oder aus Kombinationen dieser Materialien bestehen. Vorzugsweise besteht die Versiegelungsbeschichtung 4 aus einem aluminiumoxid-basierten oder silizium­ carbonnitrid-basierten Werkstoff oder aus einem yttriumoxid-haltigen oder cero­ xid-haltigen Werkstoff. Zur Erzielung einer hohen Stabilität ist die Versiegelungs­ beschichtung 4 vorzugsweise relativ dünn ausgebildet, d. h. ihre Erstreckung bzw. Dicke senkrecht zur Oberfläche 2 des Bauteils 1 ist relativ gering. Beispielsweise beträgt die Dicke der Versiegelungsbeschichtung 4 weniger als 20 µm. Von be­ sonderem Vorteil ist für die Versiegelungsbeschichtung 4 eine Dicke von etwa 0,1 µm bis 10 µm.
Es ist klar, dass für die Herstellung der amorphen Versiegelungsbeschichtung 4 ein Werkstoff verwendet wird, der an sich bereits eine hinreichende thermische Stabilität sowie ausreichend Korrosionsbeständigkeit und/oder Oxidationsbestän­ digkeit und/oder Erosionsbeständigkeit aufweist. Die Schutzwirkung eines solchen Werkstoffes wird durch das vorgeschlagene amorphe Gefüge deutlich verbessert.
Gemäß Fig. 1 besteht die erfindungsgemäße Schutzbeschichtung 3 bei einer er­ sten Ausführungsform ausschließlich aus der Versiegelungsbeschichtung 4, die dementsprechend direkt auf der Oberfläche 2 des Bauteils 1 angeordnet ist. Die Versiegelungsbeschichtung 4, beispielsweise aus amorphen Aluminiumoxid oder aus amorphen Siliziumcarbonnitrid, kann beispielsweise durch ein physikalisches Dampfbeschichtungsverfahren ("PVD-Verfahren") oder durch ein chemisches Dampfbeschichtungsverfahren ("CVD-Verfahren") auf das Bauteil 1 aufgebracht werden. Bevorzugt werden hier Laser-PVD-Verfahren bzw. Laser-CVD-Verfahren. Durch die Versiegelungsbeschichtung 4 wird somit der Werkstoff des Bauteils 1 vor einer Beaufschlagung mit aggressiven Medien effektiv geschützt, wodurch das Bauteil 1 eine erhöhte Standzeit erhält.
Gemäß Fig. 2 kann die erfindungsgemäße Schutzbeschichtung 3 bei einer zwei­ ten Ausführungsform neben der Versiegelungsbeschichtung 4 eine Wärme­ dämmbeschichtung 5 aufweisen. Während die Versiegelungsbeschichtung 4 auf der Oberfläche 2 des Bauteils 1 angeordnet ist, befindet sich die Wärmedämm­ beschichtung 5 auf der Versiegelungsbeschichtung 4. Die Wärmedämmbe­ schichtung 5 kann beispielsweise aus einem stabilisierten Zirkonoxid bestehen, das zweckmäßig durch Luftplasmaspritzen, Flammspritzen oder durch ein Elek­ tronenstrahl-PVD-Verfahren einschichtig oder mehrschichtig aufgebracht wird.
Durch die Wärmedämmbeschichtung 5 kann die Temperatur der Versiegelungs­ beschichtung 4 sowie des Bauteils 1 herabgesetzt werden, um beispielsweise bestimmte geforderte mechanische Eigenschaften, z. B. Stabilität, Steifigkeit, Dehnverhalten, der Versiegelungsschicht 4 bzw. des Bauteils 1 gewährleisten zu können.
Gemäß Fig. 3 kann die erfindungsgemäße Schutzbeschichtung 3 bei einer dritten Ausführungsform zusätzlich zur Versiegelungsbeschichtung 4 eine Bauteilbe­ schichtung 6 aufweisen, die beispielsweise nach Art einer herkömmlichen Schutzschicht aus einem kristallinen Werkstoff gebildet ist. Dabei ist die ein­ schichtig oder mehrschichtig aufgebaute Bauteilbeschichtung 6 direkt auf der Oberfläche 2 des Bauteils 1 angeordnet, während die Versiegelungsbeschichtung 4 auf die Bauteilbeschichtung 6 aufgetragen ist. Bei dieser Ausführungsform schützt die Versiegelungsbeschichtung 4 die kristalline Bauteilbeschichtung 6 und insbesondere deren korrosionsempfindliche und/oder oxidationsempfindliche und/oder erosionsempfindliche Korngrenzen vor einer direkten Beaufschlagung mit den aggressiven Medien. Hierdurch erhöht sich die Lebensdauer der kristalli­ nen Bauteilbeschichtung 6 und somit die Standzeit des Bauteils 1.
Gemäß Fig. 4 kann die erfindungsgemäße Schutzbeschichtung 3 bei einer vier­ ten Ausführungsform neben der Versiegelungsbeschichtung 4 und der Bauteilbe­ schichtung 6 wieder eine Wärmedämmbeschichtung 5 aufweisen, wobei die kri­ stalline Bauteilbeschichtung 6 auf der Oberfläche 2 des Bauteils 1, die amorphe Versiegelungsbeschichtung 4 auf der Bauteilbeschichtung 6 und die Wärme­ dämmbeschichtung 5 auf der Versiegelungsbeschichtung 4 angeordnet ist. Die Wärmedämmbeschichtung 5 kann somit die thermische Belastung der Versiege­ lungsbeschichtung 4, der Bauteilbeschichtung 6 und des Bauteils 1 reduzieren.
Bezugszeichenliste
1
Bauteil
2
Oberfläche von
1
3
Schutzbeschichtung
4
Versiegelungsbeschichtung
5
Wärmedämmbeschichtung
6
Bauteilbeschichtung

Claims (11)

1. Schutzbeschichtung für ein thermisch belastetes Bauteil (1), insbesondere Turbinenbauteil, zum Schutz vor Korrosion und/oder Oxidation und/oder Erosion, wobei die Schutzbeschichtung (3) eine einschichtige oder mehrschichtige Versie­ gelungsbeschichtung (4) aus einem amorphen Werkstoff aufweist.
2. Schutzbeschichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Versiegelungsbeschichtung (4) aus einem amorphen Metall oder aus einem amorphen Übergangsmetall oder aus einer amorphen Metallegierung oder aus einer nichtmetallischen Verbindung oder aus Kombinationen dieser Materia­ lien besteht.
3. Schutzbeschichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Versiegelungsbeschichtung (4) auf der Oberfläche (2) des Bauteils (1) angeordnet ist.
4. Schutzbeschichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzbeschichtung (3) eine einschichtige oder mehrschichtige Bauteil­ beschichtung (6) aus einem kristallinen Werkstoff aufweist, die auf der Oberflä­ che (2) des Bauteils (1) angeordnet ist, wobei die Versiegelungsbeschichtung (4) auf der Bauteilbeschichtung (6) angeordnet ist.
5. Schutzbeschichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzbeschichtung (3) eine einschichtige oder mehrschichtige Wärme­ dämmbeschichtung (5) aufweist, die auf der Versiegelungsbeschichtung (4) an­ geordnet ist.
6. Schutzbeschichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Versiegelungsbeschichtung (4) relativ dünn ist.
7. Schutzbeschichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Versiegelungsbeschichtung (4) weniger als 20 µm dick ist.
8. Schutzbeschichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Versiegelungsbeschichtung (4) etwa 0,1 µm bis 10 µm dick ist.
9. Schutzbeschichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Versiegelungsbeschichtung (4) aus einem oxid-basierten Werkstoff be­ steht.
10. Schutzbeschichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Versiegelungsbeschichtung (4) aus einem aluminiumoxid-basierten oder siliziumcarbonnitrid-basierten Werkstoff oder aus einem yttriumoxid-haltigen oder ceroxid-haltigen Werkstoff besteht.
11. Schutzbeschichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Versiegelungsbeschichtung (4) direkt auf einen einkristallinen oder ge­ richtet erstarrten Werkstoff aufgebracht ist.
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