DE102008023591A1

DE102008023591A1 - Schutzschicht und Verfahren zum Aufbringen einer Schutzschicht

Info

Publication number: DE102008023591A1
Application number: DE102008023591A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Eichmann; Falko Heutling; Thomas Dr. Uihlein
Original assignee: MTU Aero Engines GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines AG
Priority date: 2008-05-14
Filing date: 2008-05-14
Publication date: 2009-11-19
Also published as: WO2009138062A2; WO2009138062A3

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufbringen einer Schutzschicht (100) auf einen vorbestimmten Bereich eines Bauteils (102) mittels einer physikalischen Gasabscheidung. Das Verfahren weist einen Schritt des Bereitstellens des Bauteils (102) und einen Schritt des Durchführens der physikalischen Gasabscheidung auf. Die physikalische Gasabscheidung wird so durchgeführt, dass der vorbestimmte Bereich während der physikalischen Gasabscheidung über einen längeren Zeitraum einem Target (104) gegenüberliegend angeordnet ist als ein weiterer Bereich des Bauteils (102).

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Aufbringen einer Schutzschicht sowie auf eine Schutzschicht, die ein Bauteil vor Erosion oder Korrosion schützen kann.
Strömungsmechanisch belastete Bauteile, beispielsweise einer Gasturbine, unterliegen einem Verschleiß infolge von Korrosion und Erosion. Um die Bauteile vor dem Verschleiß zu schützen können die Bauteile mit einer oder mehreren Schutzschichten überzogen werden.
Erosion in Verdichtern von Flugtriebwerken und zum Teil auch in stationären oder mobilen Gasturbinen erfolgt häufig nur in bestimmten Bereichen des Verdichters. Dadurch, dass die erosiven Partikel weitgehend der Luftströmung folgen, kommen nur die direkt beaufschlagten Partien der Beschaufelung mit diesen in Kontakt. Dies sind vor allem die konkaven Blattseiten der Lauf- und Leitschaufeln. Die konvexen Blattseiten sind wenn überhaupt nur im Bereich der Ein- und Austrittskanten durch Erosion belastet.
Die DE 10 2004 001 392 befasst sich mit einer Erosionsschutzbeschichtung, die bei einer Schaufel einer Gasturbine eingesetzt werden kann. Das Auftragen der Beschichtung erfolgt mittels eines PVD-Beschichtungsprozess (PVD = physikalische Gasabscheidung).
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein verbessertes Verfahren zum Aufbringen einer Schutzschicht sowie eine verbesserte Schutzschicht zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1, eine Schutzschicht gemäß Anspruch 9 sowie durch ein beschichtetes Bauteil gemäß Anspruch 10 gelöst.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass sich PVD-Erosionsschutzschichten in beanspruchungsgerechter Weise, d. h. vorwiegend in Bereichen mit höchster Erosionsbeanspruchung, aufbringen lassen.
Vorteilhafterweise lässt sich mit dem erfindungsgemäßen Ansatz eine Kostenersparnis sowie eine Reduzierung der Beschichtungszeiten erzielen.
Die vorliegende Erfindung schafft ein Verfahren zum Aufbringen einer Schutzschicht auf einen vorbestimmten Bereich eines Bauteils mittels einer physikalischen Gasabscheidung, das folgende Schritte aufweist:
Bereitstellen des Bauteils;
Durchführen der physikalischen Gasabscheidung, so dass der vorbestimmte Bereich, während der physikalischen Gasabscheidung, über einen längeren Zeitraum einem Target gegenüberliegend angeordnet ist, als ein weiterer Bereich des Bauteils.
Das Target ist ein Element, das ein Material aufweist, das mittels der physikalischen Gasabscheidung auf das Bauteil übertragen werden kann. Der vorbestimmte Bereich kann ein Bereich des Bauteils sein, der einer stärkeren Beanspruchung, beispielsweise aufgrund von Erosion ausgesetzt ist, als der weitere Bereich. Erfindungsgemäß kann die Schutzschicht vorwiegend auf dem vorbestimmten Bereich aufgebracht werden.
Die vorliegende Erfindung schafft ferner eine Schutzschicht für ein Bauteil das einen vorbestimmten Bereich hoher Erosionsbeanspruchung und einen weiteren Bereich niedriger Erosionsbeanspruchung aufweist, wobei die Schutzschicht folgende Merkmale aufweist:
eine erste Dicke der Schutzschicht in dem vorbestimmten Bereich; und
eine zweite Dicke in dem weiteren Bereich, wobei die zweite Dicke geringer als die erste Dicke ist.
Somit kann ein Verlauf der Dicke der Schutzschicht an eine Beanspruchung der Bereiche des Bauteils angepasst werden. Indem weniger beanspruchte Bereiche eine dünnere Schutzschicht erhalten, lässt sich die für das gesamte Bauteil erforderliche Beschichtungszeit verkürzen und es lässt sich eine Kostenersparnis erzielen.
Die vorliegende Erfindung schafft ferner ein beschichtetes Bauteil mit folgenden Merkmalen:
einem Bauteil das einen vorbestimmten Bereich hoher Erosionsbeanspruchung und einen weiteren Bereich niedriger Erosionsbeanspruchung aufweist; und
einer Schutzschicht gemäß der vorliegenden Erfindung.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
1 eine Darstellung eines Bauteils mit einer erfindungsgemäßen Schutzschicht; und
2 ein Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Aufbringen einer Schutzschicht.
In der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Zeichnungen dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente weggelassen wird.
1 zeigt eine Schutzschicht 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Schutzschicht 100 ist in einem vorbestimmten Bereich eines Bauteils 102 angeordnet. Die Schutzschicht 100 kann auf dem Bauteil 102 mittels physikalischer Gasabscheidung aufgebracht werden. Dabei kann ein, in einem Target 104 enthaltenes Ausgangsmaterial auf der Oberfläche des Bauteils 102 abgeschieden werden. Insbesondere kann das die Schutzschicht 100 bildende Material während der Gasabscheidung auf einer, dem Target 104 gegenüberliegenden Oberfläche des Bauteils 102 abgeschieden werden.
Bei dem Bauteil 102 kann es sich um ein durch Verschleiß, beispielsweise aufgrund von Erosion oder Korrosion beanspruchtes Bauteil handeln. Die Schutzschicht 100 ist ausgebildet, um das Bauteil 102 gegen Verschleiß zu schützen. Beispielsweise kann das Bauteil 102 ein Teil eines Verdichters von Flugtriebwerken oder ein Teil von stationären oder mobilen Gasturbinen sein. Gemäß dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist das Bauteil 102 als Lauf- oder Leitschaufel einer Gasturbine ausgeformt. Das Bauteil 102 weist eine konkave Seite und eine konvexe Seite auf. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist die konkave Seite stärker durch Erosion gefährdet als die konvexe Seite. Erfindungsgemäß wird die Schutzschicht 100 daher vorwiegend auf einer Oberfläche der konkaven Seite des Bauteils 102 angeordnet. Auf der konvexen Seite des Bauteils 102 kann eine Schutzschicht geringerer Dicke oder keine Schutzschicht angeordnet werden. Beispielsweise kann auf der konvexen Blattseite im Bereich der Ein- und Austrittskanten eine weitere Schutzschicht gemäß der vorliegenden Erfindung angeordnet werden, da dieser Bereich ebenfalls durch Erosion belastet sein kann. Die Schutzschicht an den Ein- und Austrittskanten auf der kon vexen Seite kann eine geringere Dicke aufweisen als die Schutzschicht 100 auf der konkaven Seite.
Gemäß dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist die konkave Seite des Bauteils 102 dem Target 104 gegenüberliegend angeordnet. Erfindungsgemäß wird der vorbestimmte Bereich des Bauteils 102, während der Gasabscheidung, im Verhältnis zu den weiteren Bereichen über einen längeren Zeitraum dem Target 104 gegenüberliegend angeordnet. Insbesondere ist ein Flächenelement des vorbestimmten Bereichs über einen längeren Zeitraum dem Target gegenüberliegend angeordnet, als ein gleichgroßes Flächenelement eines weiteren Bereichs. Somit kann in dem Flächenelement des vorbestimmten Bereichs mehr Materie des Targets 104 abgeschieden werden als in dem Flächenelement des weiteren Bereichs. Wird das Bauteil 102 während dem Beschichtungsvorganges gedreht, so wird erfindungsgemäß die Drehung des Bauteils 102 so ausgeführt, dass der vorbestimmte Bereich über einen längeren Zeitraum dem Target 104 gegenüberliegend angeordnet ist als der weitere Bereich. Auf diese Weise kann gewährleistet werden, dass das Ausgangsmaterial des Targets 104 zu einem größeren Teil zur Beschichtung des vorbestimmten Bereichs eingesetzt wird, als zur Beschichtung des weiteren Bereichs.
2 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Aufbringen einer Schutzschicht auf einen vorbestimmten Bereich eines Bauteils. In einem ersten Schritt 210 erfolgt ein Bereitstellen des Bauteils. In einem zweiten Schritt 220 erfolgt ein Durchführen einer physikalischen Gasabscheidung. Mittels der physikalischen Gasabscheidung kann die Schutzschicht ausgehend von einem in einem Target enthaltenen Grundmaterial auf dem Bauteil abgeschieden werden. Die physikalische Gasabscheidung kann dabei so ausgeführt werden, dass der vorbestimmte Bereich über einen längeren Zeitraum einem Target gegenüberliegend angeordnet ist, als ein weiterer Bereich des Bauteils.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht eine beanspruchungsgerechte Erosionsschutzschichtbeschichtung. Insbesondere kann eine Herstellung von PVD-Erosionsschutzschichten in einer beanspruchungsgerechten Weise erfolgen. Durch vorwiegende Beschichtung nur der Druckseite eines Bauteils kann die Beschichtung effizienter gestaltet werden. Bei der in 1 gezeigten zu beschichtenden Schaufel stellt die konkave Seite die Druckseite dar. Die beanspruchungsgerechte Beschichtung kann im stationären Fall durch eine entsprechende Anstellung der Schaufeln zum Target oder im drehenden Fall durch eine geeignete Bewegung des Bauteils während des Beschichtungsvorgangs zum Target derart erfolgen, dass die Druckseite die meiste Zeit dem Target gegenüberliegt. Durch diese Maßnahmen können die gewünschten Schichtdicken schneller erzielt werden und es ergibt sich eine reduzierte Beschichtungszeit.
Somit kann das Targetmaterial vor allem für die Beschichtung nur der erosionsbelasteten Bereiche genutzt werden. Dies führt zu einer besseren Ausnutzung des Targets und einer Kosteneinsparung. Darüber hinaus können auch die Beschichtungszeiten reduziert werden, da eine Konzentration auf die Druckseitenbeschichtung erfolgen kann.
Die beschriebenen Ausführungsbeispiele sind lediglich beispielhaft gewählt und können miteinander kombiniert werden. Anstelle der physikalischen Gasabscheidung kann die Schutzschicht auch mit anderen geeigneten Verfahren aufgebracht werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 102004001392 [0004]

Claims

Verfahren zum Aufbringen einer Schutzschicht (100) auf einen vorbestimmten Bereich eines Bauteils (102) mittels einer physikalischen Gasabscheidung, das folgende Schritte aufweist: Bereitstellen des Bauteils; Durchführen der physikalischen Gasabscheidung, so dass der vorbestimmte Bereich, während der physikalischen Gasabscheidung, über einen längeren Zeitraum einem Target (104) gegenüberliegend angeordnet ist, als ein weiterer Bereich des Bauteils.
Verfahren gemäß Anspruch 1, mit einem Schritt des Ausrichtens des Bauteils (102), so dass der vorbestimmte Bereich dem Target (104) gegenüberliegend angeordnet ist.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, bei dem der Schritt des Durchführens der physikalischen Gasabscheidung ein Bewegen des Bauteils (102) umfasst, wobei das Bewegen derart ausgeführt wird, dass der vorbestimmte Bereich über einen längeren Zeitraum dem Target (104) gegenüberliegend angeordnet ist als der weitere Bereich des Bauteils.
Verfahren gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei der vorbestimmte Bereich ein Bereich hoher Erosionsbeanspruchung und der weitere Bereich ein Bereich niedriger Erosionsbeanspruchung des Bauteils (102) ist.
Verfahren gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei das Bauteil (102) eine Schaufel einer Turbine ist und bei dem der vorbestimmte Bereich auf einer Druckseite der Schaufel angeordnet ist.
Verfahren gemäß Anspruch 3, wobei die Schaufel eine konkave und eine konvexe Seite aufweist, und bei dem der vorbestimmte Bereich auf der konkaven Seite angeordnet ist.
Verfahren gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem ein Material des Targets (104) zu einem größeren Teil zur Beschichtung des vorbestimmten Bereichs als zur Beschichtung des weiteren Bereichs genutzt wird.
Verfahren gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem die aufzubringende Schutzschicht (100) in dem vorbestimmten Bereich eine größere Dicke als in dem weiteren Bereich aufweist.
Schutzschicht (100) für ein Bauteil (102) das einen vorbestimmten Bereich hoher Erosionsbeanspruchung und einen weiteren Bereich niedriger Erosionsbeanspruchung aufweist, wobei die Schutzschicht folgende Merkmale aufweist: eine erste Dicke der Schutzschicht in dem vorbestimmten Bereich; und eine zweite Dicke in dem weiteren Bereich, wobei die zweite Dicke geringer als die erste Dicke ist.
Beschichtetes Bauteil mit folgenden Merkmalen: einem Bauteil (102) das einen vorbestimmten Bereich hoher Erosionsbeanspruchung und einen weiteren Bereich niedriger Erosionsbeanspruchung aufweist; und einer Schutzschicht (100) gemäß Anspruch 9.