DE102007030588A1

DE102007030588A1 - Bauteil mit einer einen Farbstoff enthaltenden keramischen Schicht und Verfahren zu deren Herstellung

Info

Publication number: DE102007030588A1
Application number: DE102007030588A
Authority: DE
Inventors: Jens Dr. Dahl Jensen; Ursus Dr. Krüger; Daniel Körtvelyessy; Ralph Reiche; Gabriele Winkler
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2007-06-27
Filing date: 2007-06-27
Publication date: 2009-01-02
Also published as: WO2009000657A3; WO2009000657A2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Bauteil (12) mit einer die Oberfläche (13) bildenden Schicht (11), welche aus mehreren Lagen (14a, 14b) aufgebaut ist. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass nur bestimmte Lagen (14b) der Schicht (11) mit Nanopartikeln (15b) eines bestimmten Farbstoffes oder mehrerer bestimmter Farbstoffe versehen werden. Dies hat den Vorteil, dass bei einem Verschleiß (18) die gefärbten Lagen (14b) zutage treten und so durch eine einfache optische Inspektion des Verschleißzustandes der Schicht (11) erfolgen kann. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung solcher Schichten, die vorzugsweise aus präkeramischen Vorstufen gebildet werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Bauteil mit einer die Oberfläche bildenden keramischen Schicht, wobei die Schicht aus einer Vielzahl von Lagen aufgebaut ist und in der Gefügematrix der Schicht Nanopartikel eines bestimmten Farbstoffes eingebaut sind.
Ein derartiges Bauteil ist beispielsweise aus der DE 10 2005 047 739 B3 bekannt. Es handelt sich hierbei um eine Turbinenschaufel, die eine vorzugsweise mehrlagige Schicht aufweist. Die Schichten solcher Turbinenschaufeln haben unterschiedliche Funktionen, u. a. die thermische Belastung der Turbinenschaufel sowie ein korrosiven Angriff zu unterbinden oder zumindest zu verringern. Allerdings kann trotz der Wirkung solcher Schichten betriebsbedingt eine thermische Überbeanspruchung der Schaufel nicht vollkommen ausgeschlossen werden. Für diesen Fall ist in der Schichtmatrix ein Farbstoff in Form von Nanopartikeln enthalten, welche bei thermischen Belastungen, die für das Bauteil zu groß sind, einen Farbumschlag bewirken. Auf diese Weise lässt sich eine thermische Überbelastung der Turbinenschaufel auch noch nachweisen, wenn der Zustand er Überbelastung bereits wieder aufgehoben worden ist.
Die Aufgabe der Erfindung liegt darin, ein Bauteil mit einer die Oberfläche bildenden keramischen Schicht anzugeben, in deren Gefügematrix Nanopartikel eines bestimmten Farbstoffes eingebaut sind, die erweiterte Aussagemöglichkeiten über den Zustand der Schicht zulassen.
Diese Aufgabe wird mit dem eingangs angegebenen Bauteil erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Nanopartikel in die Gefügematrix einer Lage eingebaut sind, an die Lagen angrenzen, die eine identische Gefügematrix ohne diesen Farbstoff aufweisen. Hierdurch ist es möglich, durch einen mehrlagigen Aufbau den Tiefenbereich der Schicht, in dem die Nanopartikel eingelagert werden sollen, genau einzusstellen. Dieser hängt nämlich lediglich von der Schichtdicke der betreffenden Lage, in die die Nanopartikel des bestimmten Farbstoffes eingebaut sind, und den angrenzenden Lagen ab. Ist die Tiefe der eingelagerten Nanopartikel genau bekannt, so kann ein Farbumschlag der Schichtoberfläche als bestimmter Verschleißzustand der Schicht gewertet werden. Mit Verschleißzustand ist in diesem Zusammenhang eine Abtragung der Schichtoberfläche gemeint. Beispielsweise kann die Lage mit den Nanopartikeln eines bestimmten Farbstoffes in einer Schichttiefe vorgesehen werden, die als grenzwertig für die Notwendigkeit des Austausches eines bestimmten Bauteils gilt. Sobald sich der Farbstoff an der Oberfläche der Schicht zeigt, bedeutet dies, dass ein Austausch des betreffenden Bauteils fällig ist. Ein solcher Farbumschlag kann durch eine visuelle Inspektion eines geschulten Betrachters genauso gut geleistet werden, wie durch eine automatische optische Inspektion (AOI). Das erfindungsgemäße Bauteil lässt sich besonders vorteilhaft herstellen, indem ein Beschichtungsstoff aufgetragen wird, der aus keramischen Vorstufen für die zu erzeugende Keramik, einem geeigneten Lösungsmittel für diese Vorstufen und den Nanopartikeln des bestimmten Farbstoffes bestehen. In einer nachfolgenden Wärmebehandlung wird das Lösungsmittel verdampft sowie eine Reaktion in die Wege geleitet, bei der die keramischen Vorstufen zur gewünschten Keramik reagieren. Dabei muss der Farbstoff eine Temperaturstabilität aufweisen, damit er die Wärmebehandlung zur Ausbildung der keramischen Schichtlage erträgt.
Das Verfahren des Auftragens von keramischen Vorstufen auf metallische Bauteile zwecks Ausbildung keramischer Schichten auf diesen Bauteilen ist an sich bekannt, und wird beispielsweise in der US 2002/0086111 A1 , der WO 2004/013378 A1 , der US 2002/0041928 A1 , der WO 03/021004 A1 und der WO 2004/104261 A1 beschrieben. Die in diesen Dokumenten beschriebenen Verfahren beschäftigen sich mit der Herstellung von keramischen Beschichtungen auf Bauteilen im allgemeinen, wobei zur Schichterzeugung keramische Vorstufen der zu erzeugenden Keramiken verwendet werden, die nach einem Aufbringen durch eine Wärmebehandlung zu der auszubildenden Keramik umgewandelt werden.
Die Vorstufen für die Keramik, die häufig auch als Precursor bezeichnet werden, beinhalten die Stoffe, aus denen sich der keramische Werkstoff der auszubildenden Schicht zusammensetzt und weisen weiterhin Bestandteile auf, die im Rahmen der bei der Wärmebehandlung des Besichtungsstoffes ablaufenden chemischen Umwandlung zu einer Vernetzung des keramischen Werkstoffes führen. Beispiele für keramische Vorstufen lassen sich den aufgeführten Dokumenten aus dem Stand der Technik entnehmen und müssen in Abhängigkeit des Anwendungsfalles ausgewählt werden.
Es ist beispielsweise möglich, dass die zu bildende Keramik aus einem Oxid oder einem Nitrid besteht. Durch die Bildung von Oxiden, Nitriden oder auch Oxinitriden lassen sich vorteilhaft besonders stabile Schichten erzeugen. Die Vorstufen solcher Keramiken müssen die Elemente N bzw. O zur Ausbildung der oxidischen, nitridischen oder oxinitridischen Keramik zur Verfügung stellen.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass in zumindest einer der angrenzenden Lagen Nanopartikel eines anderen Farbstoffes eingebaut sind. Hierdurch werden vorteilhaft zusätzliche Aussagen möglich. So kann z. B. der fortschreitende Schichtabtrag lagenweise mitverfolgt werden, da jedes Mal, wenn eine neue Lage erreicht wird, ein Farbumschlag zu beobachten ist. Besonders vorteilhaft ist es, wenn in den aufeinander folgenden Lagen mehrere unterschiedliche Farbstoffe in Form von Nanopartikeln einander abwechseln. So kann eine Beschränkung auf eine bestimmte Anzahl von Farbstoffen gewährleistet werden (mindestens zwei unterschiedliche Farbstoffe) und dennoch durch einen wiederholten Farbumschlag der fortschreitende Schichtabtrag nachverfolgt werden.
Es ist auch möglich, dass Lagen mit und ohne Nanopartikel eines bestimmten Farbstoffes einander abwechselnd vorgesehen sind. In diesem Fall ist zur Beobachtung eines fortschreitenden Schichtabtrags nur ein Farbstoff notwendig, da im Wechsel ein Farbumschlag zur Farbe des Farbstoffes und zur originären Farbe des Bauteils erfolgt. Durch einen Wechsel der Farbstoffe in den Lagen bzw. ein abwechselndes Vorsehen von Lagen mit und ohne Farbstoffe ist es weiterhin möglich, durch eine optische Inspektion eine Art Abtragungsprofil zu erstellen. Wird die Oberfläche der Schicht aus einem nahezu senkrechten Winkel betrachtet, so ergibt sich das Profil ähnlich der Höhenlinien auf einer Landkarte, da bei fortschreitender Abnutzung der Schicht die mit einem Farbstoff versehenen Lagen durchstoßen werden. Hierdurch lassen sich auch im Betrieb der betreffenden Bauteile Abtragungskarten erstellen, die beispielsweise die Notwendigkeit einer Verstärkung der Schicht in stark beanspruchten Regionen des Bauteils kenntlich machen.
Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer Schicht auf einem Bauteil, bei dem eine Lage der Schicht erzeugt wird, indem auf das Bauteil ein Beschichtungsstoff, bestehend aus einem Lösungsmittel, den gelösten Vorstufen einer Keramik und dispergierten Nanopartikeln, aufgetragen wird. Das mit dem Beschichtungsstoff versehene Bauteil wird dann einer Wärmebehandlung unterworfen, bei der das Lösungsmittel verdampft und die Vorstufen der Keramik unter Einlagerung der Nanopartikel in die keramische Lage umgewandelt werden. Ein solches Verfahren ist in dem eingangs aufgeführten Stand der Technik beschrieben. Hierbei werden Schichten erzeugt, die durch verschiedene Hersteller auch als C3-Coatings bezeichnet werden.
Die Aufgabe der Erfindung liegt weiterhin darin, ein Herstellungsverfahren für Schichten mit Nanopartikeln anzugeben, mit dem sich Schichten herstellen lassen, welche erweiterte Aussagen über den Zustand der Schicht während des Betriebes ermöglichen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit dem genannten Verfahren dadurch gelöst, dass Nanopartikel eines Farbstoffes verwendet werden, wobei benachbarte Lagen der mit den Nanopartikeln versehenen Lage ohne diese Nanopartikel hergestellt werden. Hierdurch lassen sich Schichten erzeugen, die, wie bereits erwähnt, Nanopartikel eines bestimmten Werkstoffes in einem genau einzugrenzenden Tiefenbereich der Schicht aufweisen. Deswegen sind vergleichsweise genaue Aussagen über den Verschleißzustand der Schicht möglich, sobald der Farbstoff an der Oberfläche freigelegt wird.
Eine Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, dass die benachbarten Lagen ohne irgendwelche farbgebenden Nanopartikel hergestellt werden. Eine andere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die benachbarten Lagen mit Nanopartikeln eines anderen Farbstoffes hergestellt werden. Hierdurch wer den die bereits genannten Vorteile erzielt, dass sich bei fortschreitendem Verschleiß der Schicht Höhenprofile optisch darstellen lassen, die eine genaue optische Analyse des Verschleißzustandes ermöglichen.
Weitere Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung erläutert. Gleiche oder sich entsprechende Zeichnungselemente sind jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden nur insoweit mehrfach erläutert, wie sich Unterschiede zwischen den einzelnen Figuren ergeben. Es zeigen die 1 bis 4 unterschiedliche Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Schicht mit mehreren Lagen und unterschiedlichen Lagefolgen mit und ohne Nanopartikel eines oder mehrerer bestimmter Farbstoffe im Schnitt.
Alle mehrlagigen Schichten 11 sind auf einem angedeuteten Bauteil 12 hergestellt und bilden jeweils dessen Oberfläche 13. Gemäß 1 sind drei Lagen 14a ohne Nanopartikel eines bestimmten Farbstoffes hergestellt. Eine Lage 14b ist mit Nanopartikeln 15b eines bestimmten Farbstoffes dotiert, welche in die Gefügematrix dieser Lage eingebaut sind. Bei einem fortschreitenden Verschleiß der Oberfläche 13 wird die an die Oberfläche anschließende Lage 14a langsam verbraucht. Ist diese bis auf die Lage 14b abgetragen, kommt es zu einem Farbumschlag, wobei die Schichtdicke dann einen Grad erreicht, der einen Austausch des Bauteils bzw. eine Wiederaufbereitung der Schicht erforderlich macht. Bei der Schicht 11 könnte es sich beispielsweise um einen Temperaturschutz für einen Turbinenschaufel handeln.
In 2 ist eine Schicht 11 mit einer Lagenfolge dargestellt, bei der sich Lagen 14a ohne einen Farbstoff mit Lagen 14b mit Nanopartikeln 15b eines einzigen bestimmten Farbstoffes einander abwechseln. Nicht dargestellt, jedoch auch mög lich sind Lagenfolgen mit einem anderen Wechselmuster, also z. B. jeweils zwei Lagen 14a ohne einen Farbstoff und darauf folgend immer eine Lage 14b mit Nanopartikeln eines bestimmten Farbstoffes.
Anhand von 2 soll weiterhin dargestellt werden, wie eine verschleißbedingte Abtragung der einzelnen Lagen unproblematisch visualisiert wird. Wird die Oberfläche 13 in Richtung des angedeuteten Pfeiles 16 betrachtet, so erscheinen die Schnittflächen 17 einer strichpunktiert angedeuteten abrasiven Verschleißbeanspruchung 18 wie die Höhenlinien auf einer Landkarte. Ist die Verschleißbeanspruchung 18 beispielsweise grubenförmig, wie in 2 dargestellt, so bilden die Höhenlinien näherungsweise konzentrische Kreise aus, die im Übrigen eindeutig auf die Form der Beanspruchungsstelle hinweisen. Unter Auswertung eines solchen Verschleißprofils kann auch bestimmt werden, in welchen Bereichen eines verschleißbeanspruchten Bauteils der Aufbau einer größeren Schichtdicke notwendig ist.
Das Ausführungsbeispiel gemäß 3 ist dem von 2 sehr ähnlich. Anstelle der Lagen ohne einen Farbstoff sind hier jedoch im Wechsel mit den Lagen 14b mit Nanopartikeln eines bestimmten Werkstoffes Lagen 14c mit Nanopartikeln eines anderen bestimmten Farbstoffes vorgesehen.
In 4 ist ein anderes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schicht 11 dargestellt, in der jede der aufeinander folgenden Lagen 14b, 14c, 14d, 14e, 14f andere Nanopartikel eines bestimmten Farbstoffes 15b, 15c, 15d, 15e, 15f aufweist. Dies hat den Vorteil, dass je nach Farbgebung der aktuellen Schichtoberfläche direkt zu bestimmen ist, wieweit der Abtrag der Schicht bereits fortgeschritten ist. Hierzu ist lediglich die Kenntnis des Lagenaufbaus notwendig, damit die aktuelle Oberflächenfarbe der Schicht einer bestimmten Schichttiefe zugeordnet werden kann.
Mögliche Farbstoffe sind vorzugsweise keramische Verbindungen, wie sie in der eingangs bereits erwähnten DE 10 2005 047 739 B3 aufgeführt sind. Für die Durchführung des Verfahrens werden im Folgenden zwei Beispiele mit ausgewählten Farbstoffen genannt, wobei die Beschichtungsstoffe hier als Precursor bezeichnet werden. Die Angaben in Prozent verstehen sich als Masse-Prozent.
Beispiel 1:

1. Schritt: Herstellung eines Basisprecursors 1 bestehend aus 70% Zirkon(IV)-2-ethylhexanoat, 3% Yttrium(III)-2-ethylhexanoat und 27% Propionsäure
2. Schritt: Herstellung eines Basisprecursors 2 bestehend aus dem Bindemittel (58% Zirkon(IV)-2-ethyl-hexanoat, 3% Yttrium(III)-2-ethylhexanoat und 39% Hexansäure) und 1% Eisen-(III)-oxid zur Erzeugung eine Rotfärbung
3. Schritt: Herstellung eines Deckprecursors bestehend aus dem Bindemittel (58% Zirkon(IV)-2-ethyl-hexanoat, 3% Yttrium(III)-2-ethylhexanoat und 39% Hexansäure) und 2% Nano-Aluminiumoxid, sowie 1% CrAlCo-Oxid zur petrol-grünen Färbung der Deckschicht
4. Schritt: Auftragen des Basisprecursors 1 und 2 auf die gereinigte Werkstückoberfläche
5. Schritt: Erhitzen und Abkühlen
6. Schritt: Auftragen des Deckprecursors
7. Schritt: Erhitzen und Abkühlen

Beispiel 2:

1. Schritt: Herstellung eines Basisprecursors 1 bestehend aus 58% Zirkon(IV)-2-ethylhexanoat, 3% Yttrium(III)-2-ethylhexanoat und 39% Essigsäure sowie 1% CrAlCo-Oxid zur petrol-grünen Färbung
2. Schritt: Herstellung eines Deckprecursors bestehend aus dem Bindemittel (58% Zirkon(IV)-2-ethyl-hexanoat, 3% Yttrium(III)-2-ethylhexanoat und 39% Hexansäure) und mit 2% Nano-Aluminiumoxid sowie 2% mit Palladium gedoptem Silber als Nano- oder Mikroteilchen.
4. Schritt: Auftragen des Basisprecursors 1 auf die gereinigte Werkstückoberfläche
5. Schritt: Erhitzen und Abkühlen
6. Schritt: Auftragen des Deckprecursors
7. Schritt: Erhitzen und Abkühlen

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 102005047739 B3 [0002, 0019]
- US 2002/0086111 A1 [0005]
- WO 2004/013378 A1 [0005]
- US 2002/0041928 A1 [0005]
- WO 03/021004 A1 [0005]
- WO 2004/104261 A1 [0005]

Claims

Bauteil mit einer die Oberfläche bildenden keramischen Schicht (11), wobei die Schicht (11) aus einer Vielzahl von Lagen (14a bis 14f) aufgebaut ist und in der Gefügematrix der Schicht Nanopartikel (15b) eines bestimmten Farbstoffes eingebaut sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Nanopartikel (15b) in die Gefügematrix einer Lage (14b) eingebaut sind, an die Lagen (14a) angrenzen, die eine identische Gefügematrix ohne diesen Farbstoff aufweisen.
Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in zumindest einer der angrenzenden Lagen Nanopartikel (15c) eines anderen Farbstoffes eingebaut sind.
Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in den aufeinanderfolgenden Lagen (14a bis 14f) mehrere unterschiedliche Farbstoffe in Form von Nanopartikeln (15a bis 15f) einander abwechseln.
Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Lagen (14a bis 14f) mit und ohne Nanopartikel (15b) eines bestimmten Farbstoffes einander abwechselnd vorgesehen sind.
Verfahren zum Herstellen einer Schicht (11) auf einem Bauteil (12), bei dem eine Lage (14b) der Schicht erzeugt wird, indem – auf das Bauteil (12) ein Beschichtungsstoff, bestehend aus einem Lösungsmittel, den gelösten Vorstufen einer Keramik und dispergierten Nanopartikeln, aufgetragen wird und – das mit dem Beschichtungsstoff versehene Bauteil (15a bis 15f) einer Wärmebehandlung unterworfen wird, bei der das Lösungsmittel verdampft und die Vorstufen der Keramik unter Einlagerung der Nanopartikel (14a bis 14f) in die keramische Lage (14b) umgewandelt werden, dadurch gekennzeichnet, dass Nanopartikel (14a bis 14f) eines Farbstoffes verwendet werden, wobei benachbarte Lagen (14a) der mit den Nanopartikeln (14a bis 14f) versehenen Lage (14b) ohne diese Nanopartikel (14a bis 14f) hergestellt werden.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die benachbarten Lagen (14a) ohne irgendwelche farbgebenden Nanopartikel hergestellt werden.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die benachbarten Lagen (14a) mit Nanopartikeln (15c) eines anderen Farbstoffes hergestellt werden.