DE102007027335A1 - Verschleißschutzbeschichtung und Bauteil mit einer Verschleißschutzbeschichtung - Google Patents

Verschleißschutzbeschichtung und Bauteil mit einer Verschleißschutzbeschichtung Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Verschleißschutzbeschichtung, insbesondere Erosionsschutzbeschichtung, die auf eine zu schützende Oberfläche eines strömungsmechanisch beanspruchten Bauteils, insbesondere eines Gasturbinenbauteils, aufgebracht ist, wobei die Verschleißschutzbeschichtung aus einem oder mehreren, in Wiederholung auf die zu beschichtende Oberfläche aufgebrachten Mehrlagenschichtsystem gebildet ist und wobei das oder jedes Mehrlagenschichtsystem mindestens eine relativ weiche, metallische Schicht und mindestens eine relativ harte, keramische Schicht umfasst. Erfindungsgemäß weisen alle Schichten des oder jedes Mehrlagenschichtsystems eine Chrombasis auf, wobei zwischen zu schützender Oberfläche uznd dem/den Mehrlagenschichtsystem(en) eine mono-nanostrukturierte Diffusionssperrschicht aufgebracht ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Verschleißschutzbeschichtung, insbesondere eine Erosionsschutzbeschichtung, vorzugsweise für Gasturbinenbauteile, nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Bauteil mit einer derartigen Verschleißschutzbeschichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 9.
  • Strömungsmechanisch belastete Bauteile, wie zum Beispiel Gasturbinenbauteile, unterliegen einem Verschleiß infolge von Oxidation, Korrosion und Erosion. Bei der Erosion handelt es sich um einen Verschleißvorgang, der durch in der Gasströmung mitbewegte, feste Stoffe hervorgerufen wird. Um die Lebensdauer von strömungsmechanisch belasteten Bauteilen zu verlängern, sind Verschleißschutzbeschichtungen erforderlich, welche die Bauteile vor Verschleiß schützen, insbesondere gegen Erosion, Korrosion und Oxidation.
  • Aus der EP0674020B1 ist ein mehrfachlagiger, erosionsresistenter Überzug für die Oberflächen von Substraten bekannt. Der dort offenbarte, erosionsresistente Oberzug stellt eine Verschleißschutzbeschichtung bereit, die aus mehreren in Wiederholung auf dem zu beschichtenden Substrat aufgebrachten Mehrlagenschichtsystemen besteht. So sind bei der EP0674020B1 die in Wiederholung aufgebrachten Mehrlagenschichtsysteme aus jeweils zwei unterschiedlichen Schichten gebildet, nämlich einerseits aus einer Schicht eines metallischen Materials und andererseits aus einer Schicht aus Titandiborid. Da bei der Erosionsschutzbeschichtung gemäß EP0674020B1 die in Wiederholung aufgebrachten Mehrlagenschichtsysteme lediglich aus zwei Schichten gebildet sind, sind bei der dort offenbarten Erosionsschutzbeschichtung wechselweise Schichten aus metallischem Material und Schichten aus Titandiborid angeordnet.
  • Die EP0366289A1 offenbart eine weitere erosionsbeständige sowie korrosionsbeständige Beschichtung für ein Substrat. Auch gemäß der EP0366289A1 wird die Verschleißschutzbeschichtung aus mehreren, in Wiederholung auf dem zu beschichteten Substrat aufgebrachten Mehrlagenschichtsystemen gebildet, wobei jedes Mehrlagenschichtsystem wiederum aus zwei unterschiedlichen Schichten besteht, nämlich aus einer metallischen Schicht, zum Beispiel aus Titan, und aus einer keramischen Schicht, zum Beispiel aus Titannitrid.
  • Eine weitere erosionsbeständige Verschleißschutzbeschichtung ist aus der EP0562108B1 bekannt. So ist die dort offenbarte Verschleißschutzbeschichtung wiederum aus mehreren in Wiederholung auf einem zu beschichtenden Substrat aufgebrachten Mehrlagenschichtsystemen gebildet. Die 4 der EP0562108B1 offenbart dabei eine aus mehreren, in Wiederholung aufgebrachten Mehrlagenschichtsystemen gebildete Verschleißschutzbeschichtung, wobei jedes Mehrlagenschichtsystem aus vier Schichten besteht, nämlich aus einer duktilen Schicht aus Wolfram oder einer Wolframlegierung und drei harten Schichten, wobei sich die drei harten Schichten hinsichtlich eines Zusatzelementsgehalts unterscheiden.
  • Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung das Problem zu Grunde, ein neuartige Verschleißschutzbeschichtung und ein Bauteil mit einer solchen Verschleißschutzbeschichtung zu schaffen.
  • Dieses Problem wird dadurch gelöst, dass die eingangs genannte Verschleißschutzbeschichtung durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 1 weitergebildet ist. Erfindungsgemäß weisen alle Schichten des oder jedes Mehrlagenschichtsystems eine Chrombasis auf, wobei zwischen zu schützender Oberfläche und dem/den Mehrlagenschichtsystem(en) eine Diffusionssperrschicht aufgebracht ist.
  • Die erfindungsgemäße Verschleißschutzbeschichtung gewährleistet eine sehr gute Erosionsbeständigkeit sowie Oxidationsbeständigkeit. Die erfindungsgemäße Verschleißschutzbeschichtung weist einen äußerst geringen Einfluss auf die Schwingfestigkeit des beschichteten Bauteils auf. Bedingt dadurch, dass zwischen der Bauteiloberfläche und dem/den Mehrlagenschichtsystem(en) eine Diffusionssperrschicht integriert ist, verfügt die erfindungsgemäße Verschleißschutzbeschichtung über eine hohe thermodynamische Stabilität. Die erfindungsgemäße Verschleißschutzbeschichtung kann über einen längeren Zeitraum bei sehr hohen Temperaturen eingesetzt werden.
  • Vorteilhafterweise ist die Diffusionssperrschicht mono-nanostruckturiert aufgebaut und insbesondere vorteilhaft als CrN-Schicht ausgestaltet.
  • Das erfindungsgemäße Bauteil ist in Anspruch 12 definiert.
  • Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. Ausführungsbeispiele der Erfindung werden, ohne hierauf beschränkt zu sein, an Hand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:
  • 1 einen stark schematisierten Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Verschleißschutzbeschichtung nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
  • 2 einen stark schematisierten Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Verschleißschutzbeschichtung nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
  • Die hier vorliegende Erfindung betrifft eine Verschleißschutzbeschichtung für ein Bauteil, insbesondere für ein Gasturbinenbauteil wie eine Gasturbinenschaufel. Es ist möglich, das gesamte Bauteil mit der Verschleißschutzbeschichtung zu beschichten. Ebenso ist es möglich, ausschließlich ausgewählte Abschnitte bzw. Bereiche des Bauteils mit der erfindungsgemäßen Verschleißschutzbeschichtung zu beschichten.
  • 1 zeigt einen stark schematisierten Querschnitt durch ein beschichtetes Bauteil 10, wobei auf eine Oberfläche 11 des Bauteils 10 eine erfindungsgemäße Verschleißschutzbeschichtung aufgetragen ist, die gemäß 1 zwei Mehrlageschichtsysteme 12 und 13 umfasst. Jedes der Mehrlagenschichtsysteme 12, 13 umfasst mehrere Schichten.
  • So umfasst im Ausführungsbeispiel der 1 jedes Mehrlagenschichtsystem 12, 13 eine Schicht 14 aus einem Metallwerkstoff, eine Schicht 15 aus einem Metalllegierungswerkstoff, eine Schicht 16 aus einem gradierten Metall-Keramik-Werkstoff und eine Schicht 17 aus einem Keramikwerkstoff. Zwischen dem Mehrlagenschichtsystem 12 und der Oberfläche 11 des Bauteils 10 ist weiterhin eine mono-nanostrukturierte Diffusionssperrschicht 18, angeordnet. Die mono-nanostrukturierte Diffusionssperrschicht ist auf Chrombasis hier als keramische CrN-Schicht ausgebildet.
  • Das Bauteil 10 ist vorzugsweise aus einer Nickelbasislegierung, einer Kobaltbasislegierung, einer Eisenbasislegierung oder einer Titanbasislegeriung gebildet. Jede Schicht 14, 15, 16, 17 jedes Mehrlagenschichtsystems 12, 13 der erfindungsgemäßen Verschleißschutzbeschichtung weist eine Chrombasis auf.
  • So handelt es sich bei der Schicht 14 aus dem Metallwerkstoff um eine Cr-Schicht. Bei der Schicht 15 aus dem Metalllegierungswerkstoff handelt es sich um eine CrNi-Schicht. Bei der Schicht 16 aus dem gradierten Metall-Keramik-Werkstoff handelt es sich um eine CrAlN1-x-Schicht. Bei der Schicht 17 aus dem Keramikwerkstoff handelt es sich um eine CrAlN-Schicht.
  • Ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt 2, wobei 2 wiederum einen schematisierten Querschnitt durch ein Bauteil 20 zeigt, auf dessen Oberfläche 21 eine mehrere Mehrlagenschichtsysteme 22, 23 und 24 umfassende Verschleißschutzbeschichtung aufgebracht ist. Im Ausführungsbeispiel der 2 umfasst jedes Mehrlagenschichtsystem 22, 23 und 24 eine Schicht 25 aus einem Metallwerkstoff, eine Schicht 26 aus einem gradierten Metall-Keramik-Werkstoff und eine Schicht 27 aus einem Keramik-Werkstoff. Zwischen dem Mehrlagenschichtsystem 22 und der Bauteiloberfläche 21 ist eine mono-nanostrukturierte Diffusionssperrschicht 28 angeordnet, die als Keramikschicht auf Chrombasis hier aus einem CrN-Werkstoff ausgebildet ist.
  • Auch im Ausführungsbeispiel der 2 ist das Bauteil 20 aus einer Nickelbasis-Legierung, einer Kobaltbasislegierung, einer Eisenbasislegierung oder einer Titanbasislegierung gebildet. Jede Schicht 25, 26, 27 jedes Mehrlagenschichtsystems 22, 23, 24 der erfindungsgemäßen Verschleißschutzbeschichtung weist eine Chrombasis auf. Bei der Schicht 25 aus dem Metallwerkstoff handelt es sich um eine Cr-Schicht. Bei der Schicht 26 aus dem gradierten Metall-Keramik-Werkstoff handelt es sich um eine CrAlN1-x-Schicht. Bei der Schicht 27 aus dem Keramikwerkstoff handelt es sich um eine CrAlN-Schicht.
  • Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der hier vorliegenden Erfindung umfasst die Schicht 14 bzw. 25 aus dem Metallwerkstoff mindestens ein phasenstabilisierendes Element, welches Wolfram (W) und/oder Tantal (Ta) und/oder Niob (Nb) und/oder Molybdän (Mo) sein kann.
  • Zusätzlich oder alternativ können auch die Schichten 16, 26 aus dem gradierten Metall-Keramik-Werkstoff und die Schichten 17, 27 aus dem Keramikwerkstoff phasenstabilisierende Elemente umfassen oder aus diesen ausgebildet sein, wobei es sich bei diesen phasenstabilisierenden Elementen um Silizium (Si) und/oder um Titan (Ti) oder um Tantal (Ta) und/oder um Vanadium (V) und/oder um Molybdän (Mo) und/oder um Yttrium (Y) und/oder um Wolfram (W) handelt.
  • Die erfindungsgemäße Verschleißschutzbeschichtung umfasst demnach mindestens ein Mehrlagenschichtsystem, wobei jedes Mehrlagenschichtsystem mindestens eine metallische Schicht, mindestens eine Schicht aus einem gradierten Metall-Kermamik-Werkstoff und mindestens eine keramische Schicht umfasst. Zwischen Mehrlagenschichtsystem und der Oberfläche des Bauteils befindet sich eine Diffusionsschicht.
  • Sämtliche Schichten des oder jedes Mehrlagenschichtsystems verfügen über eine Chrombasis, die Diffusionssperrschicht ist vorteilhafterweise mononanostruckturiert und aus einem keramischen CrN-Werkstoff gebildet. Bei dem beschichteten Bauteil handelt es sich vorzugsweise um ein Gasturbinenbauteil aus einem Nickelbasislegierungswerkstoff oder einem Kobaltbasislegierungswerkstoff, einem Eisenbasislegierungswerkstoff oder einem Titanbasislegierungswerkstoff.
  • In den hier beschriebenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung befindet sich die Diffusionssperrschicht 18, 28 ausschließlich zwischen der Bauteiloberfläche und dem ersten aufgebrachten Mehrlagenschichtsystem 12, 22. Natürlich können zur weiteren Stabilisierung des Gesamtsystems weitere Diffusionssperrschichten zwischen einzelnen Mehrlagenschichtsystemen 12, 13, 22, 23, 24 und darüber hinaus auch noch zusätzliche Diffusionssperrschichten zwischen einzelnen Schichten 14, 15, 16, 17, 25, 26, 27 aufgebracht sein. Auch diese Diffusionssperrschichten sind vorteilhafterweise mono-nanostruckturiert und aus einem CrN-Werkstoff aufgebaut.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • - EP 0674020 B1 [0003, 0003, 0003]
    • - EP 0366289 A1 [0004, 0004]
    • - EP 0562108 B1 [0005, 0005]

Claims (13)

  1. Verschleißschutzbeschichtung, insbesondere Erosionsschutzbeschichtung, die auf eine zu schützende Oberfläche eines strömungsmechanisch beanspruchten Bauteils, insbesondere eines Gasturbinenbauteils, aufgebracht ist, wobei die Verschleißschutzbeschichtung aus einem oder mehreren, in Wiederholung auf die zu beschichtende Oberfläche aufgebrachten Mehrlagenschichtsystem gebildet ist, und wobei das oder jedes Mehrlagenschichtsystem mindestens eine relativ weiche, metallische Schicht und mindestens eine relativ harte, keramische Schicht umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass alle Schichten (14, 15, 16, 17, 18; 25, 26, 27, 28) des oder jedes Mehrlagenschichtsystems (12, 13; 22, 23, 24) eine Chrombasis aufweisen, und dass zwischen zu schützender Oberfläche und dem/den Mehrlagenschichtsystem(en) (12, 13; 22, 23, 24) eine Diffusionssperrschicht (18; 28) aufgebracht ist.
  2. Verschleißschutzbeschichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Diffusionssperrschicht (18; 28) eine mono-nanostrukturierte Sperrschicht, insbesondere eine mono-nanostrukturierte CrN-Schicht ist.
  3. Verschleißschutzbeschichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das oder jedes Mehrlagenschichtsystem (12, 13) eine Schicht (14) aus einem Metallwerkstoff, eine Schicht (15) aus einem Metalllegierungswerkstoff, eine Schicht (16) aus einem gradierten Metall-Keramik-Werkstoff, und eine Schicht (17) aus einem Keramikwerkstoff aufweist.
  4. Verschleißschutzbeschichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das oder jedes Mehrlagenschichtsystem (22, 23, 24) eine Schicht (25) aus einem Metallwerkstoff, eine Schicht (26) aus einem gradierten Metall-Keramik-Werkstoff, und eine Schicht (27) aus einem Keramikwerkstoff aufweist.
  5. Verschleißschutzbeschichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht (14; 25) aus dem Metallwerkstoff mindestens ein phasenstabilisierendes Element umfasst.
  6. Verschleißschutzbeschichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das phasenstabilisierendes Element Wolfram (W) und/oder Tantal (Ta) und/oder Niob (Nb) und/oder Molybdän (Mo) ist.
  7. Verschleißschutzbeschichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht (16; 26) aus dem gradierten Metall-Keramik-Werkstoff und/oder die Schicht (17; 27) aus dem Keramikwerkstoff mindestens ein phasenstabilisierendes Element umfasst.
  8. Verschleißschutzbeschichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das phasenstabilisierende Element Silizium (Si) und/oder Tantal (Ta) und/oder Titan (Ti) und/oder Wolfram (W) und/oder Molybdän (Mo) und/oder Yttrium (Y) und/oder Vanadium (V) ist.
  9. Verschleißschutzbeschichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Mehrlagenschichtsystemen (12, 13, 22, 23, 24) weitere Diffusionssperrschichten aufgebracht sind.
  10. Verschleißschutzbeschichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die weiteren Diffusionssperrschichten mono-nanostrukturierte Sperrschichten, insbesondere mono-nanostrukturierte CrN-Schichten sind.
  11. Verschleißschutzbeschichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen einzelnen Schichten (14, 15, 16, 17, 25, 26, 27) der Mehrlagenschichtsystem(e) (12, 13, 22, 23, 24) zusätzliche Diffusionssperrschichten aufgebracht sind.
  12. Bauteil, insbesondere Gasturbinenbauteil, mit einer Verschleißschutzbeschichtung, insbesondere mit einer Erosionsschutzbeschichtung, die auf eine zu schützende Oberfläche des strömungsmechanisch beanspruchten Bauteils aufgebracht ist, wobei die Verschleißschutzbeschichtung aus einem oder mehreren, in Wiederholung auf der zu beschichtenden Oberfläche aufgebrachten Mehrlagenschichtsystem gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschleißschutzbeschichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11 ausgebildet ist.
  13. Bauteil nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass dasselbe aus einer Nickelbasislegierung oder einer Kobaltbasislegierung oder einer Eisenbasislegierung oder Titanbasislegierung gebildet ist.
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