DE102007050141A1

DE102007050141A1 - Verschleißschutzbeschichtung

Info

Publication number: DE102007050141A1
Application number: DE102007050141A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Eichmann; Falko Heutling; Thomas Dr. Uihlein
Original assignee: MTU Aero Engines GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines AG
Priority date: 2007-10-19
Filing date: 2007-10-19
Publication date: 2009-04-23
Also published as: EP2201151A2; CA2700899A1; WO2009049597A3; US20100239429A1; WO2009049597A2

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Verschleißschutzbeschichtung (10), insbesondere Erosionsschutzbeschichtung, die auf eine zu schützende Oberfläche (11) eines strömungsmechanisch beanspruchten Bauteils (12), insbesondere eines Gasturbinenbauteils, aufgebracht ist. Erfindungsgemäß ist eine äußere Schicht als Glättungsschicht (13) ausgebildet, welche Unebenheiten bzw. Rauhigkeiten und/oder Fehlstellen der Verschleißschutzbeschichtung ausgleicht.

Description

Die Erfindung betrifft eine Verschleißschutzbeschichtung, insbesondere eine Erosionsschutzbeschichtung, vorzugsweise für Gasturbinenbauteile, nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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 Oberzug für die Oberflächen von Substraten bekannt. Der dort offenbarte, erosionsresistente Überzug 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.
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.
Die Verschleißschutzbeschichtungen werden vorzugsweise auf die zu beschichtende und damit zu schützende Oberfläche eines Bauteils aufgedampft, wobei sich durch das Aufdampfen einer Verschleißschutzbeschichtung die Rauhigkeit an einer äußeren, strömungsrelevanten Oberfläche des Bauteils erhöhen kann. Die Erhöhung der Rauhigkeit ist aerodynamisch ungünstig, da sich Strömungsverluste ausbilden können. Weiterhin kann eine Erhöhung der Rauhigkeit zu einer schnelleren und stärkeren Verschmutzung führen, da sich Ablagerungen von Verunreinigungen auf rauen Oberflächen leichter anlagern können. Eine erhöhte Rauhigkeit bewirkt auch einen beschleunigten Angriff der Oberfläche des Bauteils bei Erosion durch harte Partikel. Es besteht daher ein Bedarf Verschleißschutzbeschichtungen zu verbessern.
Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung das Problem zu Grunde, eine neuartige 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 ist eine äußere Schicht als Glättungsschicht ausgebildet, welche Unebenheiten bzw. Rauhigkeiten und/oder Fehlstellen der Verschleißschutzbeschichtung ausgleicht.
Mit der hier vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, auf die eigentliche Verschleißschutzbeschichtung außen eine Glättungsschicht aufzutragen, welche Unebenheiten bzw. Rauhigkeiten oder auch Fehlstellen der Verschleißschutzbeschichtung ausgleicht. Hierdurch wird eine hochglatte Superfinish-Oberfläche bereitgestellt, die eine Reduktion von aerodynamischen Verlusten bewirkt und einer Verschmutzung des beschichteten Bauteils entgegenwirkt. Darüber hinaus kann die Erosionsbeständigkeit verbessert werden. Zusätzlich ist mit einer Verbesserung der Oxidations- und Korrosionsbeständigkeit zu rechnen.
Vorzugsweise ist die Glättungsschicht als Sol-Gel-Schicht ausgebildet, die eine Dicke in der Größenordnung der auszugleichenden Unebenheiten bzw. Rauhigkeiten und/oder Fehlstellen aufweist.
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 Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Die hier vorliegende Erfindung betrifft eine Verschleißschutzbeschichtung, insbesondere eine Erosionsschutzbeschichtung, für eine zu schützende Oberfläche eines strömungsmechanisch beanspruchten Bauteils, insbesondere eines Bauteils einer Gasturbine, wie z. B. eine Laufschaufel oder Leitschaufel einer Gasturbine.
1 zeigt einen stark schematisierten Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Verschleißschutzbeschichtung 10, die auf eine äußere Oberfläche 11 eines strömungstechnisch beanspruchten Bauteils 12, insbesondere einer Gasturbinenschaufel, aufgebracht ist.
Eine äußere Schicht der erfindungsgemäßen Verschleißschutzbeschichtung 10 ist als Glättungsschicht 13 ausgebildet, wobei die Glättungsschicht 13 Unebenheiten bzw. Rauhigkeiten und/oder Fehlstellen der eigentlichen Verschleißschutzbeschichtung ausgleicht.
Die Glättungsschicht 13 weist dabei eine Dicke auf, die in der Größenordnung der auszugleichenden Unebenheiten bzw. Rauhigkeiten und/oder Fehlstellen liegt. Die Glättungsschicht 13 weist vorzugsweise eine Dicke zwischen 1 μm und 10 μm auf. Vorzugsweise beträgt die Dicke der Glättungsschicht zwischen 5 μm und 10 μm. Alternativ kann die Dicke der Glättungsschicht 13 auch zwischen 1 μm und 5 μm betragen.
Wie bereits ausgeführt, bildet die Glättungsschicht 13 die äußere Schicht bzw. Lage der erfindungsgemäßen Verschleißschutzbeschichtung, wobei im gezeigten Ausführungsbeispiel der 1 zwei Mehrlagenschichtsysteme 14, 15 auf die zu beschichtende Oberfläche 11 des Bauteils 12 aufgebracht sind, und wobei jedes Mehrlagenschichtsystem 14, 15 eine relativ weiche, metallische Schicht 16 und eine relativ harte, keramische Schicht 17 umfasst. Die äußere Glättungsschicht 13 ist auf die äußere, relativ harte, keramische Schicht 17 des äußeren Mehrlagenschichtsystems 15 aufgebracht.
Die Glättungsschicht 13 der erfindungsgemäßen Verschleißschutzbeschichtung ist als Sol-Gel-Schicht ausgeführt. Hierzu wird eine flüssige Phase, ein sogenanntes Sol, z. B. durch Tauchen, Spritzen oder Pinseln auf die äußere Schicht 17 des äußeren Mehrlagenschichtsystems 15 aufgebracht und anschließend durch eine Temperierung getrocknet sowie ausgehärtet.
Bei der Trocknung sowie Aushärtung wandelt sich die flüssige Phase, nämlich das Sol, in ein feste Phase, in ein sogenanntes Gel, um. Das Trocknen und Aushärten kann mit einer Wärmebehandlung kombiniert werden.
Das Aufbringen der als Sol-Gel-Schicht ausgebildeten Glättungsschicht 13 auf die äußere harte Schicht 17 des Mehrlagenschichtsystems 15 verfügt über den Vorteil, dass die relativ harte Schicht 17 eine Stützwirkung für die relativ dünne Sol-Gel-Schicht und damit die Glättungsschicht 13 bereitstellt, was insbesondere die Anbindung der Glättungsschicht 13 bei mechanischer Belastung unterstützt.
Als Glättungsschicht 13 wird vorzugsweise eine Sol-Gel-Schicht auf Silikatbasis oder Kohlenstoffbasis oder Metalloxidbasis oder Polymerbasis bereitgestellt.
Es liegt demnach im Sinne der hier vorliegenden Erfindung als äußere Schicht einer Verschleißschutzbeschichtung eine Glättungsschicht 13 bereitzustellen, welche Unebenheiten bzw. Rauhigkeiten und/oder Fehlstellen der eigentlichen Verschleißschutzbeschichtung ausgleicht. Die Glättungsschicht 13 ist dabei vorzugsweise als Sol-Gel-Schicht ausgebildet, mit einer Dicke, die in der Größenordnung der auszugleichenden Unebenheiten bzw. Rauhigkeiten und/oder Fehlstellen liegt. Besonders bevorzugt findet die Glättungsschicht 13 dann Verwendung, wenn die Verschleißschutzbeschichtung aus mehreren Mehrlagenschichtsystemen gebildet ist, wobei dann die Glättungsschicht auf die äußere Schicht des äußeren Mehrlagenschichtsystems aufgebracht ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- EP 0674020 B1 [0003, 0003]
- EP 0366289 A1 [0004, 0004]
- EP 0562108 B1 [0005, 0005]

Claims

Verschleißschutzbeschichtung, insbesondere Erosionsschutzbeschichtung, die auf eine zu schützende Oberfläche eines strömungsmechanisch beanspruchten Bauteils, insbesondere eines Gasturbinenbauteils, aufgebracht ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine äußere Schicht als Glättungsschicht (13) ausgebildet ist, welche Unebenheiten bzw. Rauhigkeiten und/oder Fehlstellen der Verschleißschutzbeschichtung ausgleicht.
Verschleißschutzbeschichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Glättungsschicht (13) eine Dicke in der Größenordnung der auszugleichenden Unebenheiten bzw. Rauhigkeiten und/oder Fehlstellen aufweist.
Verschleißschutzbeschichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Glättungsschicht (13) eine Dicke zwischen 1 μm und 10 μm aufweist.
Verschleißschutzbeschichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Glättungsschicht (13) eine Dicke zwischen 1 μm und 5 μm aufweist.
Verschleißschutzbeschichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Glättungsschicht (13) eine Dicke zwischen 5 μm und 10 μm aufweist.
Verschleißschutzbeschichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Glättungsschicht (13) als Sol-Gel-Schicht ausgebildet ist.
Verschleißschutzbeschichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Sol-Gel-Schicht auf einer Silikatbasis oder Metalloxidbasis oder Kohlenstoffbasis oder Polymerbasis ausgebildet ist.
Verschleißschutzbeschichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass dieselbe aus einem oder mehreren, in Wiederholung auf die zu schützende Oberfläche aufgebrachten Mehrlagenschichtsystem gebildet ist, wobei das oder jedes Mehrlagenschichtsystem mindestens eine relativ weiche, metallische Schicht und mindestens eine relativ harte, keramische Schicht umfasst, wobei die äußere Glättungsschicht auf eine äußere, relativ harte, keramische Schicht des äußeren Mehrlagenschichtsystems aufgebracht ist.