DE102008019891A1

DE102008019891A1 - Erosionsschutzbeschichtung

Info

Publication number: DE102008019891A1
Application number: DE102008019891A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Eichmann; Falko Heutling; Thomas Dr. Uihlein
Original assignee: MTU Aero Engines GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines AG
Priority date: 2008-04-21
Filing date: 2008-04-21
Publication date: 2009-10-22
Also published as: US9951411B2; EP2271785B1; EP2271785A1; CA2722202A1; US20110045264A1; WO2009129790A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Erosionsschutzbeschichtung (11), insbesondere für Gasturbinenbauteile, mit einem horizontal segmentierten bzw. mehrschichtigen Aufbau, nämlich mit mindestens einer relativ harten Schicht (12) und mit mindestens einer relativ weichen Schicht (13), wobei die oder jede relativ harte Schicht sowie die oder jede relativ weiche Schicht wechselweise derart übereinander angeordnet sind, dass eine außenliegende Schicht, die eine äußere Oberfläche der Erosionsschutzbeschichtung bildet, als relativ harte Schicht (12) ausgebildet ist. Erfindungsgemäß ist die oder jede relativ harte Schicht (12) sowie die oder jede relativ weiche Schicht (13) jeweils als keramische Schicht ausgebildet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Erosionsschutzbeschichtung, insbesondere für Gasturbinenbauteile, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Gasturbinenbauteil mit einer Erosionsschutzbeschichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 5.
Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, Gasturbinenbauteile zum Schutz derselben gegenüber Erosion an Oberflächen mit einer als Erosionsschutzbeschichtung ausgebildeten Verschleißschutzbeschichtung zu versehen. So sind aus dem Stand der Technik Erosionsschutzbeschichtungen mit einem horizontal segmentierten bzw. einem mehrschichtigen oder mehrlagigen Aufbau bekannt, die mindestens eine relativ harte, keramische Schicht und mindestens eine relativ weiche, metallische Schicht umfassen. Die keramischen Schichten sowie die metallischen Schichten solcher mehrschichtigen bzw. horizontal segmentierten Erosionsschutzbeschichtungen sind wechselweise übereinander angeordnet, und zwar derart, dass eine außenliegende Schicht, die eine äußere Oberfläche der Erosionsschutzbeschichtung bildet, als keramische Schicht ausgebildet ist. Solche mehrschichtigen bzw. horizontal segmentierten Erosionsschutzbeschichtungen werden auch als Multilayer-Beschichtungen bezeichnet.
Derartige aus dem Stand der Technik bekannte Erosionsschutzbeschichtungen, die aus alternierenden metallischen und keramischen Lagen bzw. Schichten aufgebaut sind, verfügen insbesondere bei Betriebstemperaturen zwischen 500°C und 700°C, insbesondere bei in etwa 600°C und bei kleinen Einfallswinkeln der Erosionspartikel, über eine reduzierte Erosionsschutzwirkung. Es besteht daher ein Bedarf an Erosionsschutzbeschichtungen, die auch dann, wenn die Bauteile mit den Erosionsschutzbeschichtungen solchen Betriebsbedigungen ausgesetzt sind, wie dies insbesondere bei Gasturbinenbauteilen der Fall ist, eine gute Erosionsschutzwirkung gewährleisten.
Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung das Problem zu Grunde, eine neuartige Erosionsschutzbeschichtung zu schaffen.
Dieses Problem wird durch eine Erosionsschutzbeschichtung im Sinne von Anspruch 1 gelöst.
Erfindungsgemäß ist die oder jede relativ harte Schicht sowie die oder jede relativ weiche Schicht der Erosionsschutzbeschichtung jeweils als keramische Schicht ausgebildet.
Die hier vorliegende Erfindung schlägt eine Erosionsschutzbeschichtung vor, die aus alternierenden relativ weichen und relativ harten Lagen bzw. Schichten ausgebildet ist, wobei sowohl die oder jede relativ harte Schicht als auch die oder jede relativ weiche Schicht der Erosionsschutzbeschichtung als keramische Schicht ausgebildet ist. Die Erosionsschutzbeschichtung im Sinne der Erfindung ist demnach als rein keramische Multilayer-Erosionsschutzbeschichtung ausgebildet.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die bei aus dem Stand der Technik üblichen metallischen Schichten bzw. Lagen einer Erosionsschutzbeschichtung bei Betriebstemperaturen zwischen 500°C und 700°C, insbesondere bei in etwa 600°C, durch Interdiffusion und/oder Sprödphasenbildung eine negative Veränderung der physikalischen und mechanischen Eigenschaften der Erosionsschutzbeschichtung und damit einhergehend eine Reduzierung der Erosionsschutzwirkung verursachen.
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 schematisierten Querschnitt durch ein erfindungsgemäßes Gasturbinenbauteil mit einer erfindungsgemäßen Erosionsschutzbeschichtung;
2: ein Detail der Erosionsschutzbeschichtung gemäß 1; und
3: ein alternatives Detail der Erosionsschutzbeschichtung gemäß 1.
Die hier vorliegende Erfindung betrifft eine Erosionsschutzbeschichtung, insbesondere eine Erosionsschutzbeschichtung für Gasturbinenbauteile. Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf 1 im Detail beschrieben.
So zeigt 1 stark schematisiert einen Querschnitt durch ein Gasturbinenbauteil 10, wobei auf das Gasturbinenbauteil 10 eine erfindungsgemäße Erosionsschutzbeschichtung 11 aufgebracht ist. Die erfindungsgemäße Erosionsschutzbeschichtung 11 verfügt über einen horizontal segmentierten bzw. mehrschichtigen Aufbau, nämlich derart, dass alternierend relativ harte Schichten 12 und relativ weiche Schichten 13 auf das Gasturbinenbauteil 10 aufgebracht sind.
Die relativ harten Schichten 12 und die relativ weichen Schichten 13 sind dabei derart wechselweise übereinander angeordnet, dass eine außenliegende Schicht, die eine äußere Oberfläche der Erosionsschutzbeschichtung 11 bildet, als relativ harte Schicht 12 ausgebildet ist.
Die aus mehreren alternierend aufgebrachten relativ harten Schichten 12 und relativ weichen Schichten 13 zusammengesetzte Erosionsschutzbeschichtung 11 ist als Multilager-Erosionsschutzbeschichtung ausgeführt.
Im Sinne der hier vorliegenden Erfindung sind sowohl die relativ harten Schichten 12 als auch die relativ weichen Schichten 13 der Erosionsschutzbeschichtung 11 als keramische Schichten ausgebildet.
Die relativ harten Schichten 12 sind dabei vorzugsweise als CrAlN-Schichten und die relativ weichen Schichten 13 vorzugsweise als CrN-Schichten ausgebildet.
Die Schichtdicke der relativ harten, keramischen Schichten 12 liegt dabei in einer Größenordnung zwischen 0,5 µm und 10 µm, vorzugsweise bei 3 µm. Die Schichtdicke der relativ weichen, keramischen Schichten 13 liegt in einer Größenordnung zwischen 0,5 µm und 5 µm, vorzugsweise bei 1 µm. Die Schichten 12, 13 der Erosionsschutzbeschichtung 11 werden vorzugsweise mit Hilfe eines PVD-Verfahrens auf das Gasturbinenbauteil 10 aufgebracht.
2 und 3 zeigen bevorzugte Ausgestaltungen der relativ harten Schichten 12, die gemäß 2 und 3 ihrerseits als Multilayer-Schichten aus den Schichten 15 und 16 aufgebaut sind, wobei es sich bei den Schichten 15 um CrAlN-Schichten und bei den Schichten 16 um CrN-Schichten handelt.
Die Schichtdicke der einzelnen Schichten 15, 16 der relativ harten Schichten 12 liegt dabei in einer Größenordnung zwischen 10 nm und 200 nm, vorzugsweise in einer Größenordnung zwischen 40 nm und 200 nm.
Die relativ harten Schichten 12 sind demnach gemäß 2 und 3 als nanostrukturierte Multilayer-Schichten ausgeführt. Die nanostrukturierten Schichten 15, 16 der relativ harten Schichten 12 werden vorzugsweise mit Hilfe eines PVD-Verfahrens aufgebracht.
Wie 2 und 3 entnommen werden kann, ist die Reihenfolge der Schichten 15, 16 innerhalb der relativ harten Schichten 12 frei wählbar.
Auch ist die Anzahl und damit Periodizität der Schichten 15, 16 innerhalb der relativ harten Schichten 12 frei wählbar.
Im bevorzugten Ausführungsbeispiel der 1 ist die erfindungsgemäße Erosionsschutzbeschichtung 11 unter Zwischenanordnung einer Haftvermittlungsschicht 14 auf die Oberfläche des Gasturbinenbauteils 10 aufgebracht. Die Haftvermittlungsschicht 14 ist vorzugsweise ebenfalls keramisch ausgebildet, nämlich aus einem relativ duktilen keramischen Werkstoff mit einer geringen Eigenspannung, vorzugsweise aus gradierten CrN.
Die als gradierten CrN-Schicht ausgebildete Haftvermittlungsschicht 14 ist dabei weicher und duktiler als die oder jede als CrN-Schicht ausgebildete, relativ weiche Schicht 13 der Erosionsschutzbeschichtung 11.
Vorzugsweise beträgt die Dicke der Haftvermittlungsschicht 14 zwischen 0,01 µm und 0,5 µm, insbesondere 0,1 µm.

10: Gasturbinenbauteil
11: Erosionsschutzbeschichtung
12: relativ harte Schicht
13: relativ weiche Schicht
14: Haftvermittlungsschicht

Claims

Erosionsschutzbeschichtung, insbesondere für Gasturbinenbauteile, mit einem horizontal segmentierten bzw. mehrschichtigen Aufbau, nämlich mit mindestens einer relativ harten Schicht (12) und mit mindestens einer relativ weichen Schicht (13), wobei die oder jede relativ harte Schicht sowie die oder jede relativ weiche Schicht wechselweise derart übereinander angeordnet sind, dass eine außenliegende Schicht, die eine äußere Oberfläche der Erosionsschutzbeschichtung bildet, als relativ harte Schicht (12) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die oder jede relativ harte Schicht (12) sowie die oder jede relativ weiche Schicht (13) jeweils als keramische Schichten ausgebildet sind.
Erosionsschutzbeschichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die oder jede relativ harte Schicht (12) eine CrAlN-Schicht ist.
Erosionsschutzbeschichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die oder jede relativ harte Schicht (12) wechselweise übereinander angeordnete CrAlN-Schichten (15) und CrN-Schichten (16) aufweist, die jeweils eine Dicke zwischen 10 nm und 200 nm aufweisen, derart, dass die oder jede relativ harte Schicht (12) nanostrukturiert ist.
Erosionsschutzbeschichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die oder jede relativ harte Schicht (12) eine Dicke zwischen 0,5 µm und 10 µm aufweist.
Erosionsschutzbeschichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die oder jede relativ weiche Schicht (13) eine CrN-Schicht ist.
Erosionsschutzbeschichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die oder jede relativ weiche Schicht (13) eine Dicke zwischen 0,5 µm und 5 µm aufweist.
Gasturbinenbauteil mit einer auf eine Oberfläche desselben aufgebrachten Erosionsschutzbeschichtung, dadurch gekennzeichnet, dass die Erosionsschutzbeschichtung (11) nach einem der Ansprüche 1 bis 6 ausgebildet ist.
Gasturbinenbauteil nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Erosionsschutzbeschichtung (11) unter Zwischenanordnung einer Haftvermittlungsschicht (14) auf die Oberfläche des Gasturbinenbauteils aufgebracht ist.
Gasturbinenbauteil nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Haftvermittlungsschicht (14) eine Dicke zwischen 0,01 µm und 0,5 µm aufweist.
Gasturbinenbauteil nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Haftvermittlungsschicht (14) relativ duktil mit einer geringen Eigenspannung ausgebildet ist.
Gasturbinenbauteil nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Haftvermittlungsschicht (14) eine gradierte CrN-Schicht ist, die weicher und duktiler ist als die oder jede als CrN-Schicht ausgebildete, relativ weiche Schicht (13) der Erosionsschutzbeschichtung (11).