DE102014011552A1

DE102014011552A1 - Sensoren sowie Verfahren zur Herstellung von Sensoren

Info

Publication number: DE102014011552A1
Application number: DE102014011552.6A
Authority: DE
Inventors: Yanli Zhang; Robert Vassen; Dr. Mack Daniel Emil; Dr. Mauer Georg
Original assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Priority date: 2014-08-08
Filing date: 2014-08-08
Publication date: 2016-02-11
Also published as: JP2017524135A; EP3177900A1; DK3177900T3; PL3177900T3; US20170216917A1; TR201900658T4; WO2016019935A1; CN107073651B; EP3177900B1; JP6539335B2; CN107073651A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Sensors auf der Oberfläche einer Funktionsschicht, bei dem geeignetes Sensormaterial in Form von Pulver oder einem Draht mit Hilfe eines dem Laser-Auftragsschweißens ähnlichen Verfahrens in einem Laserstrahl aufgeschmolzen und im Anschluss auf die Oberfläche der Funktionsschicht aufgebracht wird. Die Erfindung stellt ein deutlich verbessertes Verfahren zur Herstellung von Sensoren, insbesondere auch von in-situ Sensoren bereit, wobei die Sensoren auch auf einer teilweise sehr groben Funktionsschicht abgeschieden werden können, ohne dass – wie bislang üblich – aufwändige Masken eingesetzt werden müssen. Durch die leichte Anpassung der Verfahrensparameter ist eine breite Anwendung sowohl in Bezug auf den herzustellenden Sensor, als auch auf die zu detektierende Funktionsschicht gegeben. Die so hergestellten Sensoren finden insbesondere Anwendung zur Detektion von hochtemperaturbelasteten Bauteilen oder deren Funktionsschichten. Zu den erfindungsgemäß herstellbaren Sensoren gehören insbesondere Temperatur, Druck- bzw. Spannungs- oder auch Beschleunigungssensoren.

Description

Die Erfindung betrifft Sensoren im Allgemeinen, und insbesondere eingebettete Sensoren, die auf bzw. innerhalb einer Funktionsschicht angeordnet sind. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung solcher Sensoren.
Stand der Technik
Sensoren sind dazu geeignet, spezifische Eigenschaften einer Umgebung zu messen. Dabei sind die Sensoren passiv im Gegensatz zu den Aktuatoren, welche die Umgebung verändern sollen.
Insbesondere bei Prozessen, bei denen hohe Temperaturen und große Wärmeströme auftreten, ist die Kontrolle und Überwachung von Prozessparametern von großer Wichtigkeit. Sofern kritische Prozessparameter in Echtzeit (in situ) aufgezeichnet werden können, können auftretende Störungen und Probleme sofort erkannt und entsprechende Lösungen möglicherweise noch direkt im Verarbeitungszyklus ergriffen werden.
Derzeit werden zum Zweck der in-situ Überwachung von im Betrieb befindlichen Turbinenschaufeln, bereits so genannte ”intelligente Beschichtungen” hergestellt und eingesetzt, die vorteilhaft in situ, das heißt in Echtzeit, den Belastungszustand erfassen können und somit eine Anpassung der Betriebsbedingungen ermöglichen.
Bei den intelligenten Beschichtungen sind die Sensoren häufig vorteilhaft direkt innerhalb einer Funktionsschicht angeordnet (eingebettet).
Die Herstellung von eingebetteten Hochtemperatur-Sensoren erfolgt bislang durch thermische Spritzverfahren, durch Zerstäubung durch Ionenbeschuss oder durch Lichtbogen-Ablagerung, wobei in der Regel Abdeckmasken mit speziellen Mustern verwendet werden, die sehr aufwändig herzustellen sind.
Aufgabe und Lösung
Die Aufgabe der Erfindung ist es, Sensoren für den Hochtemperatureinsatz bereit zu stellen, die auf oder auch vorteilhaft in einer auf einem Bauteil (Substrat) angeordneten Funktionsschicht eingebettet vorliegen können und zudem vorteilhaft auch direkt in-situ, d. h. in Echtzeit, ausgelesen werden können.
Ferner ist es die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung solcher Sensoren bereit zu stellen, welches deutlich einfacher und somit kostengünstiger ist, als die bislang bekannten Herstellungsverfahren von Sensoren für diesen Zweck.
Die Erfindung wird gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung von Sensoren gemäß Hauptanspruch, sowie durch Sensoren gemäß Nebenanspruch. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens und der Sensoren finden sich in den jeweils darauf rückbezogenen Ansprüchen wieder.
Gegenstand der Erfindung
Diese Erfindung betrifft im Allgemeinen die Bereitstellung von Sensoren für den Hochtemperatureinsatz, sowie eine Methode und ein Verfahren zur Herstellung derselben.
Insbesondere betrifft diese Erfindung ein neues Herstellungsverfahren, bei dem ein oder mehrere entsprechende Sensoren direkt auf eine Funktionsschicht aufgebracht oder auch innerhalb einer Funktionsschicht eingebettet werden, und wobei die Herstellung mittels eines dem Laser-Auftragsschweißen ähnlichen Verfahrens ohne den Einsatz von Masken erfolgt.
Im Rahmen dieser Erfindung ist unter einem Sensor ein Mittel zu verstehen, welches bestimmte physikalische oder chemische Eigenschaften, wie beispielsweise Temperatur, Druck, Beschleunigung oder Spannung in seiner direkten Umgebung qualitativ oder auch quantitativ erfassen kann. Ein Sensor wandelt diese gemessenen Größen in der Regel in ein elektrisches Signal, z. B. eine Spannung um, welches über Kabel leicht vom Sensor abgegriffen werden kann.
Als Temperatursensoren, die die absolute und/oder relative Temperatur oder auch Temperaturdifferenzen in der direkten Umgebung erfassen können, eignen sich beispielsweise metallische Heiß- oder Kaltleiter, bei denen sich der innere Widerstand mit der Temperatur ändert, und die typischerweise Metalle, Metalloxide oder auch Halbleiter umfassen. Des Weiteren sind Thermoelemente als Sensoren zu nennen, bei denen zwei Materialien, typischerweise Metalle, mit unterschiedlichen Thermospannungen verbunden werden und eine mit der Temperatur korrelierende Spannung erzeugen.
Sensoren zur Erfassung von Druck, Spannungen oder Kräften innerhalb einer Schicht, umfassen typischerweise piezoelektrische Elemente, wie zum Beispiel keramische Materialien (z. B. Perowskite, wie BaTiO₃), welche Längenänderungen oder Scherkräfte innerhalb der Umgebung in ein elektrisches Signal umzuwandeln vermögen. Des Weiteren werden auch Heiß- oder Kaltleiter, bei denen sich der effektive Widerstand unter elastischer Verformung ändert, und die typischerweise Metalle, Metalloxide oder auch Halbleiter umfassen zur Erfassung von Druck und Spannungen verwendet.
Als ”in-situ” Sensor wird im Rahmen der Erfindung ein Sensor bezeichnet, der die zu messenden Größen, wie beispielsweise die Temperatur, den Druck oder auch Spannungen, in Echtzeit erfassen kann.
Unter Funktionsschichten, die auf einem Bauteil für einen Hochtemperatureinsatz eingesetzt werden, werden im Rahmen dieser Erfindung vorwiegend Schutzschichten und dabei insbesondere keramische Wärmedämmschichten mit geringer Wärmeleitfähigkeit, Isolationsschichten, Oxidations-(bzw. Korrosions-)Schutzschichten zur Verbesserung der Beständigkeit in sauerstoffhaltiger oder korrosiver Atmosphäre oder umgebungsstabile (Thermal-)Schutzschichten für Faserverbundwerkstoffe verstanden. Letzte sind auch unter dem Namen TBC (thermal barrier coating) oder EBC (environmental barrier coating) bekannt. Solche Funktionsschichten umfassen beispielsweise Isolationsschichten, die regelmäßig beim Fügen von SOFC-Batterien eingesetzt werden. Im Rahmen der Erfindung soll unter einer Funktionsschicht aber auch eine beliebige Zwischenschicht auf einem Bauteil verstanden werden, auf die ggfs. erst eine Funktionsschicht mit den vorgenannten Funktionen angeordnet werden kann.
Als für diese Funktionsschichten geeignete Materialien haben sich unter anderem MgAl₂O₄, Al₂O₃, TiO₂, Mullit, ZrO₂, CaO/MgO und ZrO₂, Y₂O₃-8YSZ, CeO₂ und YSZ, LaZrO₇, GdZrO₇ sowie Y-Si-O herausgestellt.
Die Erfindung beschreibt ferner ein Herstellungsverfahren, bei dem typischerweise ein oder mehrere sehr kleine Sensoren, insbesondere so genannte in-situ Sensoren in oder auf einer Hochtemperatur-Funktionsschicht hergestellt werden. Bei dem Verfahren wird ein dem Laser-Auftragsschweißen ähnliches Verfahren angewendet. Dabei wird der Sensor in Form von entsprechend geeignetem Sensormaterial auf die Oberfläche einer Funktionsschicht aufgebracht, wobei der Aufbringungsschritt mit Hilfe eines Lasers erfolgt. Die Funktionsschicht selbst ist in der Regel dabei bereits zuvor auf der Oberfläche eines Bauteils (Substrat) angeordnet worden, beispielsweise einer Turbinenschaufel.
Es ist wünschenswert, dass durch die Aufbringung des Sensormaterials (Beschichtung) mit Hilfe eines Lasers die Oberflächenbeschaffenheit des Substrates und insbesondere der darauf aufgebrachten Funktionsschicht vorteilhaft nicht verändert wird, oder zumindest nur minimal beeinflusst wird. Dazu können die Parameter des Verfahrens (z. B. durch die Wahl des Leistungseintrags und/oder die Menge an zugeführtem Sensormaterial) entsprechend angepasst werden. Das mit Hilfe eines Lasers aufgeschmolzene Sensormaterial wird auf der Oberfläche der Funktionsschicht abgeschieden, und kann dort vorteilhaft als Sensor, z. B. in Form von Leiterbahnen ausgestaltet werden. Durch eine zusätzliche elektrische Kontaktierung kann der Sensor anschließend als solcher verwendet werden. Typischerweise erfolgt dies in einem thermisch oder mechanisch weniger belasteten Bereich. Hier können dann auch durch andere Verfahren größere Kontaktpunkte erzeugt werden.
Im Fall eines Temperatursensors kann beispielsweise zunächst eine schmale Beschichtung (Leiterbahn), umfassend ein erstes metallisches Pulver, auf die Funktionsschicht aufgebracht werden, welches als ein erster Leiter fungiert. Im Anschluss wird eine zweite schmale Beschichtung, umfassend ein weiteres metallisches Pulver, derart auf die Funktionsschicht aufgebracht, dass beide Beschichtungen (Leiter) über einen Kontaktpunkt elektrisch leitend verbunden sind. Eine Konstruktion aus zwei Leitern aus unterschiedlichen Materialen, die einen gemeinsamen Kontaktpunkt aufweisen, kann bereits als Temperatursensor fungieren.
Die elektrische Kontaktierung des auf der Oberfläche einer Funktionsschicht aufgebauten Sensors erfolgt im einfachsten Fall über elektrisch leitende Kabel. Im Fall eines Temperatursensors können dazu sogenannte Kompensationsdrähte (Ausgleichsdrähte) eingesetzt werden, die in Abhängigkeit von dem jeweils kontaktierten Leiter in einem zulässigen Temperaturbereich die gleichen elektrischen Eigenschaften besitzen. Im Betrieb eines Sensors ist dieser dann über elektrisch leitende Kabel, bzw. über Kompensationsdrähte mit einem externen Mess- und Aufnahmegerät verbunden.
Optional aber nicht zwingend ist vorgesehen, dass im Anschluss an die Herstellung eines oder mehrerer Sensoren auf einer ersten Funktionsschicht, weiteres Material flächig auf diese Funktionsschicht und zumindest auf einen Teil des darauf abgeschiedenen Sensors aufgetragen wird. Dabei können vorteilhaft die Bereiche, an denen die elektrische Kontaktierung des Sensors, bzw. die Kontaktierung von Leiterbahnen und Kompensationsdrähten erfolgt, ausgespart werden.
Auf diese Weise kann der erfindungsgemäß hergestellte Sensor vorteilhaft ganz oder teilweise in einer weiteren Schicht eingebettet werden.
Diese weitere Schicht kann ebenfalls eine Funktionsschicht aus ähnlichen Materialien sein, wie sie bereits für die erste Funktionsschicht angegeben wurden. Als Aufbringungsmethode für das flächige Aufbringen dieser weiteren Schicht eignet sich beispielsweise das atmosphärische Plasmaspritzen.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass auch mehrere Sensoren derselben oder unterschiedlicher Art auf einer ersten Funktionsschicht erfindungsgemäß aufgebracht werden. So könnte beispielsweise sowohl ein Temperatur- als auch ein Spannungssensor erfindungsgemäß auf einer Funktionsschicht hergestellt werden.
Durch das sich anschließende Aufbringen einer weiteren Funktionsschicht könnten insofern die Sensoren auf der ersten Funktionsschicht gleichzeitig eingebettet werden.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass mehrere Sensoren derselben oder unterschiedlicher Art nicht nur auf einer ersten Funktionsschicht aufgebracht und in einer weiteren Funktionsschicht eingebettet werden, sondern dass auf dieser optionalen zweiten Funktionsschicht ebenfalls weitere Sensoren derselben oder unterschiedlicher Art erfindungsgemäß aufgebracht werden können.
Auf diese Weise würden Sensoren vorteilhaft in unterschiedlichen Ebenen – bezogen auf das Bauteil – hergestellt werden können. Die Sensoren können dabei – bezogen auf das Bauteil – sowohl direkt übereinander, als auch versetzt angeordnet sein.
Durch die Anordnung von Sensoren in unterschiedlichen Ebenen innerhalb eines auf einem Bauteil angeordneten Funktionsschichtsystems können somit vorteilhaft Aussagen zu einer Eigenschaft innerhalb einer Funktionsschicht, in Abhängigkeit vom Abstand zum Bauteil, gemacht werden, z. B. einem Temperaturverlauf senkrecht zum Bauteil.
Für die Ausbildung eines Temperatur-Sensors auf der Oberfläche des Substrates werden in der Regel wenigstens zwei unterschiedliche Sensormaterialien benötigt. Beispielsweise können als Sensormaterial Alumel^® oder Chromel^® für die beiden Leiterbahnen eingesetzt werden, oder auch Platin und Platin-Rhodium-Legierungen, oder auch NiCr und Ni. Das eingesetzte Sensormaterial kann von einem Fachmann in der Regel entsprechend der zu erwartenden Temperatur ausgewählt werden.
Für die Ausbildung eines piezoelektrischen Druck-, Spannungs- oder Kraft-Sensors können im Wesentlichen piezoelektrische Keramiken (z. B. Blei-Zirkonat-Titanat-Keramiken (PZT)) eingesetzt werden, die in der Regel als polykristalline Materialien durch Sinterprozesse verarbeitet werden und eine vergleichsweise niedrige Schmelz- bzw. Sintertemperatur besitzen. Gegenüber einkristallinen Materialien, wie beispielsweise Quarz, Turmalin und Galliumphosphat, weisen sie zudem eine piezoelektrische Konstante auf, die in der Regel zwei Größenordnungen größer ist. Außerdem können als Spannungs- oder Dehnungs-Sensoren metallische Legierungen (z. B. Ni-20Cr, Cu-45Ni, Pd-13Cr oder Cu-12Mn-2Ni in Gewichtsprozent) verwendet werden, deren innerer Widerstand sich unter Druck oder Zug wesentlich ändert.
Das Sensormaterial kann dem Laserstrahl sowohl als Pulver mit einer Partikelgröße zwischen 1 μm und 200 μm zugeführt werden, welches vorteilhaft nach dem Aufbringen in Form von elektrisch leitenden Verbindungen, z. B. Leitern, vorliegt als auch als Draht. Ein solcher Draht weist regelmäßig einen Durchmesser von 50 bis 2000 μm, insbesondere einen Durchmesser zwischen 50 und 200 μm, auf.
Im Unterschied zu den bisherigen Aufbringungsverfahren für ähnliche Sensoren, wie beispielsweise das thermische Spritzverfahren, die Zerstäubung durch Ionenbeschuss (Sputtern) oder die Lichtbogen-Ablagerung, bei denen regelmäßig eine Abdeckmaske eingesetzt werden muss, ist das erfindungsgemäße Verfahren, allein auf Grund der Zeitersparnis und weil keine aufwändige Abdeckmaske eingesetzt werden muss, eine sehr viel komfortablere Aufbringungsmethode, um einen kleinen Sensor aus Pulver oder Draht auf eine Funktionsschicht aufzubringen.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich, sehr haltbare, ggfs. auch in Echtzeit arbeitende Sensoren in nächster Nähe zu oder in einer Schicht bereit zu stellen, die selbst keine oder zumindest nur in sehr geringen Ausmaß nachteilige Auswirkungen auf diese Schicht ausüben, die durch sie überwacht werden soll.
Die Lösung der gestellten Aufgabe wird dadurch erreicht, dass mit dem erfindungsgemäßen Verfahren durch das Aufbringen oder Einbetten von Sensoren auf bzw. in Funktionsschichten, wie beispielsweise Wärmedämmschichten oder anderen Schutzschichten, ohne den Einsatz von Masken, so genannte Intelligente Beschichtungen hergestellt werden können.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung erfolgt die Aufbringung des Sensors auf der Oberfläche einer Funktionsschicht mit Hilfe eines Lasers, und kann beispielsweise mit einer kommerziellen Laser-Auftragsschweißvorrichtung durchgeführt werden.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird einem fokussierten Laserstrahl entsprechendes Sensormaterial in Form von Pulver oder einem Draht zugeführt. Das im Laserstrahl aufgeschmolzene Sensormaterial wird anschließend auf die Oberfläche einer Funktionsschicht aufgebracht. Welches Sensormaterial eingesetzt wird, ist abhängig davon, welche Art von Sensor hergestellt werden soll.
In einer Ausgestaltung der Erfindung kann alternativ beispielsweise auch ein Draht aus dem entsprechenden Sensormaterial bereits direkt auf der Oberfläche einer Funktionsschicht angeordnet werden, der im Anschluss mit Hilfe des Laserstrahls auf der Oberfläche der Funktionsschicht aufgeschmolzen wird. Auch diese Verfahrensvariante ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren mit eingeschlossen.
Das im Laserstrahl aufgeschmolzene Pulver bzw. der aufgeschmolzene Draht können nach der Auftragung auf die Funktionsschicht dort auf der Oberfläche wieder abkühlen und so eine dichte Beschichtung, beispielsweise in Form von Leiterbahnen, ausbilden. Diese Beschichtung ist in der Regel punkt- oder linienförmig, je nach relativer Bewegung zwischen dem Laser und der Oberfläche der Funktionsschicht.
Da die Aufbringung des Sensormaterials auf die Funktionsschicht aus der Schmelze erfolgt, zeigt die Beschichtung in der Regel eine porenfreies und dichtes Gefüge, bei dem keine Korn- oder Phasengrenzen auftreten, wie sie beispielsweise bei einer gesinterten Beschichtung nach dem Stand der Technik auftreten würden.
In einer speziellen Ausgestaltung des Verfahrens kann die Aufbringung des Sensormaterials zudem unter Schutzgas erfolgen. Das Aufbringen unter Schutzgas hat den Vorteil, dass Oxidationsprozesse weitgehend vermieden werden können. Insbesondere können so dem Laser zugeführte kleine Partikel, vor einer Oxidation bei hohen Temperaturen, geschützt werden.
Als Schutzgas kann insbesondere Argon oder auch N₂ verwendet werden.
Als Pulver bzw. als Draht können, je nach Wahl des Sensors, sowohl metallische als auch keramische Materialien oder auch Mischungen aus metallischen und keramischen Materialien aufgebracht werden. Die verwendete Pulvergröße liegt vorteilhaft zwischen 1 μm und 200 μm, insbesondere zwischen 2 μm und 50 μm. Bei Verwendung eines Drahtes liegen die bevorzugten Drahtdurchmesser im Bereich von 50 bis 1000 μm, insbesondere zwischen 50 und 150 μm.
In einer speziellen Ausgestaltung des Verfahren zur Herstellung eines Sensors wird nach der Aufbringung des Sensormaterials auf der Funktionsschicht und gegebenenfalls der entsprechenden Kontaktierung zum Auslesen des Sensors, eine weitere Schicht auf die Funktionsschicht und zumindest teilweise auf einen, auf dieser angeordneten, Sensor aufgebracht. Dadurch kann der Sensor zum großen Teil eingeschlossen und somit vorteilhaft geschützt werden. Insbesondere bei Temperatursensoren kann eine äußere Beeinflussung der Materialien zu einem signifikanten Einfluss auf die generierte Thermospannung führen, und sollte daher weitgehend vermieden werden.
Als Material für diese weitere Schicht eignet sich insbesondere dasselbe Material, wie es bereits auch für die Funktionsschicht verwendet wurde, also MgAl₂O₄, Al₂O₃, TiO₂, Mullit, ZrO₂, CaO/MgO und ZrO₂, Y₂O₃-8YSZ, CeO₂ und YSZ, Y₃Al₅O₁₂, LaZrO₇, GdZrO₇ sowie Y-Si-O. Es können aber auch andere Materialien auf die eigentliche Funktionsschicht und den oder die Sensoren aufgebracht werden, die lediglich als Schutzschicht dienen.
Als Aufbringungsmethode für diese weitere Schicht ist unter anderem das atmosphärische Plasmaspritzen geeignet. Weitere geeignete Verfahren zum Aufbringen dieser zweiten Funktionsschicht sind das Abscheiden aus der Gasphase, wie beispielsweise das EB-PVD-Verfahren (Electron-Beam Physical Vapor Deposition), oder auch nasschemische Prozesse, wie das Foliengießen, mit einem nachfolgenden Sinterschritt.
Die Schichtdicke der optional zusätzlich aufzubringenden Schicht kann zwischen 10 μm und mehr als 10 mm betragen. Insbesondere kann die Schichtdicke im Bereich zwischen 100 μm und 1000 μm liegen.
Mit dem vorgestellten erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich auf einfache Weise und ohne die Verwendung von aufwändigen Masken insbesondere Temperatursensoren, Dehnungsmessungssensoren, Flusssensoren, Beschleunigungssensoren oder ähnliche Sensoren auf der Oberfläche von Funktionsschichten, wie beispielsweise Wärmedämmschichten, Isolationsschichten oder sonstigen Schutzschichten herstellen. Dadurch können die chemischen und physikalischen Eigenschaften solcher Schichten teilweise sogar in Echtzeit erfasst und ausgewertet werden.
Als Einsatzgebiete für die vorgenannten Sensoren sind vorzugsweise hochtemperaturbelastete Bauteile, wie Turbinenschaufeln oder sonstigen Rotorblätter, aber auch andere Maschinenbauteile zu nennen, bei denen eine Überwachung von chemischen oder physikalischen Eigenschaften wünschenswert ist. Ebenso ist die Verwendung der erfindungsgemäßen Sensoren aber auch auf elektrisch schlecht leitenden Bauteilen, wie beispielsweise Hochleistungselektronik-Bauteilen, porösen Membranträger oder Batteriesubstraten denkbar. Die Nutzung von Elektroden, die ebenfalls über das hier beschriebene, erfindungsgemäße Verfahren herstellbar sind, in leitfähigen Schichten zur Widerstandsmessung als Maß für eine Veränderung bzw. eine Degradation ist ebenfalls als vorteilhaftes Anwendungsgebiet der Erfindung zu nennen.
Es hat sich gezeigt, dass eine erfindungsgemäß hergestellte Leiterbahn eines Sensor leicht von einer solchen unterschieden werden kann, die über die bislang üblichen Aufbringungsmethoden, wie Plasmaspritzen unter Anwendung von Masken erhalten wird.
Einerseits erfolgt die Abscheidung auf der Funktionsschicht nach einem vorherigen Aufschmelzen des Sensormaterials. Beim Abkühlen bildet sich somit eine sehr dichte und porenfreie Leiterbahn aus. Als porenfrei im Sinne der Erfindung wird ein Material mit einer Porosität von weniger als 1 Vol.-%, insbesondere von weniger als 0,5 Vol.-% verstanden. Ein Schnittbild würde insofern keine Korn- oder Phasengrenzen zeigen. Damit ist eine Unterscheidung zu solchen Leiterbahnen möglich, die beispielsweise über einen Sinterschritt gebildet werden, bei dem Partikel oder Agglomerate zusammensintern und in der Regel eine größere Porosität als vorgenannt zeigen.
Zudem werden durch den Einsatz von Masken bei den bislang bekannten Herstellungsverfahren von Sensoren, wie beispielsweise dem Plasmaspritzen, regelmäßig Leiterbahnen erzeugt, die herstellungsbedingt jeweils sehr steile Flanken aufweisen. Demgegenüber zeigen die erfindungsgemäß aufgebrachten Leiterbahnen einen Querschnitt, mit einer Umhüllenden, die eher flach ausgestaltete Flanken zeigt.
Im Allgemeinen zeigt der charakteristische Querschnitt einer Leiterbahn, die erfindungsgemäß aufgebracht wird, einen insgesamt mehr bogenförmigen Verlauf, während eine Leiterbahn, die gemäß dem Stand der Technik hergestellt wurde, im Vergleich dazu, im zentralen Bereich einen nahezu parallel zur Oberfläche der Funktionsschicht verlaufenden abgeflachten Querschnitt zeigt und zudem deutlich steilere Flanken aufweist. Dies liegt darin begründet, dass das Plasmaspritzen im Prinzip eine Methode zum flächigen, parallelen Aufbringen von Material ist, während das erfindungsgemäße Verfahren vorteilhaft zur Aufbringung von Linien oder Punkten geeignet ist.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Erfindung ein deutlich verbessertes Verfahren zur Herstellung von Sensoren, insbesondere auch von in-situ Sensoren bereit stellt, wobei die Sensoren auch auf einer teilweise sehr groben Funktionsschicht abgeschieden werden können, ohne dass wie bislang üblich, aufwändige Masken eingesetzt werden müssen. Durch die leichte Anpassung der Verfahrensparameter ist eine breite Anwendung sowohl in Bezug auf den herzustellenden Sensor, als auch auf die zu detektierende Funktionsschicht gegeben. Vorteilhaft kann durch das erfindungsgemäße Verfahren erreicht werden, dass während der Aufbringung des Sensors die Oberflächentemperatur der Funktionsschicht nicht über die Schmelztemperatur ansteigt und eine Beeinflussung durch die Sensorherstellung so weitgehend vermieden werden kann.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren sind vorteilhaft auch in-situ Sensoren, das heißt in Echtzeit messende Sensoren, herstellbar, die den Belastungszustand der Umgebung erfassen und somit eine zeitnahe Anpassung der Betriebsbedingungen ermöglichen können.
Spezieller Beschreibungsteil
Nachfolgend wird die Erfindung, deren besondere Vorteile und neue Anwendungen anhand von konkreten Ausführungsbeispielen und mehreren Figuren näher erläutert, ohne dass dadurch eine Einschränkung des Schutzbereiches erfolgen soll. Ein Fachmann ist ohne weiteres in der Lage, je nach Aufgabenstellung, verschiedene Abwandlungen und Alternativen des hier dargestellten Verfahrens zu wählen, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen oder selbst erfinderisch tätig werden zu müssen.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von Sensoren ist auch auf anderen Schaufelblättern, anderen Turbinenteilen oder sonstigen Maschinenteilen anwendbar, wobei die Vorzüge der Erfindung insbesondere bei Dampf- und Gasturbinenschaufeln oder anderen Flügelrädern gegeben sind, die in der Regel einer hohen Temperaturbelastung ausgesetzt sind.
Es zeigen die
1: Schematische Darstellung der Materialzuführung bei einer Vorrichtung zum Laser-Auftragsscheilien.
2: Schematische Schnittzeichnung (a) und Draufsicht (b) einer Funktionsschicht mit einem erfindungsgemäß aufgebrachten Temperatursensor sowie einer optional darauf aufgebrachten weiteren Schicht.
3: Schematische Draufsicht einer Funktionsschicht mit einem erfindungsgemäß aufgebrachten Dehnungssensor sowie einer darauf aufgebrachten weiteren Schicht.
4: Draufsicht auf eine Funktionsschicht mit einem erfindungsgemäß darauf angeordneten K-Typ-Temperatursensor.
5: Diagramm der durch die Temperatursensoren ermittelten Temperaturen in Anhängigkeit von der Aufheizzeit; Vergleich eines erfindungsgemäßen Sensors gegenüber einem Referenzsensor.
6: Schematische Querschnitte von auf einer Funktionsschicht aufgebrachten Leiterbahnen, Vergleich einer erfindungsgemäß aufgebrachten Leiterbahn gegenüber einer über konventionelle Methoden aufgebrachten Leiterbahn.
In der 1 wird schematisch die Aufbringung des Sensormaterials verdeutlicht, so wie sie auch bei der vorliegenden Erfindung angewendet werden kann. Das Sensormaterial wird einem Laserstrahl zugeführt, ähnlich wie es bei einer Vorrichtung zum Laser-Auftragsschweißen vorgesehen ist.
Das aufzubringende Pulver (Sensormaterial) (2), welches später den Sensor bildet, kann dabei typischerweise über eine seitlich (lateral) angeordnete Pulverdüse, über mehrere seitlich (radial) angeordnete Pulverdüsen oder auch über eine konzentrisch (koaxial) angeordnete Pulverdüse erfolgen.
Als typischer Abstand zwischen der Funktionsschicht und dem Laser können einige Millimeter, beispielsweise 7 mm, gewählt werden.
Das zugeführte und im Laserstrahl (1) zunächst aufgeschmolzene pulverförmige Material (2), scheidet sich auf der Oberfläche der Funktionsschicht (4), z. B. einer keramischen Isolationsschicht, nach der Verfestigung als Beschichtung (3), z. B. ein metallischer linearer Leiter ab. Die Funktionsschicht (4) ist – gegebenenfalls über eine weitere Zwischenschicht (5) (Bondcoat) – auf dem metallischen Bauteil (Substrat) (6), z. B. einer Turbinenschaufel, angeordnet.
Alternativ zu der Aufbringung über ein Pulver, kann dem Laserstrahl auch direkt ein vorgefertigter Draht aus dem Sensormaterial zugeführt werden, oder alternativ bereits auf der Oberfläche der Funktionsschicht angeordnet werden, der mit Hilfe eines Lasers zu einer entsprechenden Beschichtung/Leiterbahn aufgeschmolzen wird (in 1 aber nicht dargestellt).
In der 2a ist ein schematischer Querschnitt durch die Funktionsschicht (4) sowie den erfindungsgemäß darauf aufgebrachten Sensor (3) dargestellt. Das Bauteil sowie eine optionale zusätzliche Zwischenschicht sind in dieser Figur nicht dargestellt. Ferner ist als eine Ausgestaltung der Erfindung eine weitere (zweite) Funktionsschicht (7) eingezeichnet, die beispielsweise Teile des Sensors und der ersten Funktionsschicht abdeckt, den Bereich der Kontaktierung des Sensors (9) jedoch freilässt.
Die 2b zeigt schematisch die entsprechende Draufsicht zu dem in 2a dargestellten Querschnitt. Der Temperatur-Sensor, umfassend die beiden Leiterbahnen (3a, 3b), wird in Form von zwei dünnen Sensorbeschichtungen/Leiterbahnen aus unterschiedlichem Material erfindungsgemäß auf der Funktionsschicht (4) aufgebracht. Die beiden Leiterbahnen sind an einer Kontaktstelle (8) miteinander elektrisch leitend verbunden. Der Bereich (9), der für die äußere Kontaktierung mit den Ausgleichsleitungen vorgesehen ist, also die Enden der beiden Leiter des Sensors, wird von der weiteren Funktionsschicht (7) nicht mit abgedeckt. Er bleibt daher frei zugänglich.
Die 3 zeigt schematisch die Draufsicht eines erfindungsgemäß hergestellten Dehnungs-Sensors. Der Dehnungs-Sensor, umfassend die mäanderförmig angeordnete dehnungsempfindliche Leiterbahn (3c) sowie die elektrischen Anschlussleitungen (3d, 3e), wird in Form von dünnen Sensorbeschichtungen/Leiterbahnen aus geeignetem Material erfindungsgemäß auf der Funktionsschicht (4) aufgebracht. Die Leiterbahnen sind an den Kontaktstellen (8) miteinander elektrisch leitend verbunden. Der Bereich (9), der für die äußere Kontaktierung vorgesehen ist, also die Enden der beiden Anschlussleitungen des Sensors, wird von der weiteren Funktionsschicht (7) nicht mit abgedeckt. Er bleibt daher frei zugänglich.
In einer Ausgestaltung der Erfindung wurde als Sensor ein Typ-K-Thermoelement erfindungsgemäß hergestellt (siehe dazu 4). Dazu wurden zwei Leiterbahnen aus unterschiedlichen Materialien, in diesem Fall aus Alumel^® (12) und aus Chromel^® (13), im rechten Winkel zueinander auf der Funktionsschicht (11) eines metallischen Substrates über ein dem Laser-Auftragsschweißen ähnlichen Verfahren aufgebracht. Die beiden Leiterbahnen sind über einen Verbindungspunkt (Kontaktstelle) (19) elektrisch miteinander verbunden. Für die Leiter wurden entsprechende Pulver mit einem Partikeldurchmesser von 2,6 bis 20 μm (d₅₀ = 7,4 μm) für Alumel^® und von 3,5 bis 35 μm (d₅₀ = 12,1 μm) für Chromel^® verwendet.
Die Aufbringung des Sensors auf die Funktionsschicht (11) erfolgte mit Hilfe eines Lasers, wobei die vorgenannten Pulver jeweils über eine koaxiale Zuführung dem Laserstrahl zugeführt wurden. Als Laser wurde ein Nd:YaG (Neodym-dotierter Yttrium-Aluminium-Granat-Laser) im unteren Leistungsbereich verwendet.
Zur Überprüfung der Funktionsfähigkeit des Temperatursensors und zur Ermittlung des Seebeck-Koeffizienten wurden die thermischen und elektrischen Daten des erfindungsgemäß hergestellten Thermoelementes bei Temperaturen zwischen Raumtemperatur und 500°C gemessen. Dazu wurde der negative Leiter aus Alumel^® (12) mit einer NiAl-Ausgleichsleitung (14) und der positive Leiter aus Chromel^® (13) mit einer NiCr-Ausgleichsleitung (15) kontaktiert. Zur Kontaktierung wurden in einigem Abstand zum Kontaktpunkt die Ausgleichsleitungen (Kompensationsdrähte) jeweils auf den positiven und den negativen Leiter gedrückt (Kontaktstellen 16, 17) und jeweils mit einer kleinen Glasplatte und Metallklammern fixiert. Die anderen Enden der Kompensationsdrähte wurden mit dem Mess- und Aufzeichnungsgerät (Temperaturmessgerät) (18) verbunden, welches über einen Mess- wertwandler/Messwertumformer verfügt. Der Kontaktpunkt (19) bildet die Messstelle mit der Messtemperatur, während das Messgerät (18) die Vergleichsstelle mit der Referenztemperatur, typischerweise Raumtemperatur, integriert.
Zusätzlich wurde ein kommerziell erhältliches K-Typ-Thermoelement benachbart zur der Kontaktstelle (19) des erfindungsgemäß hergestellten Thermoelementes angeordnet, und ebenfalls mit dem Mess- und Aufzeichnungsgerät (18) verbunden.
Die Probe, umfassend wenigstens die Funktionsschicht sowie die zwei darauf angeordneten und mit dem Messgerät (18) verbundenen Thermoelemente, wurde in einem Ofen unter einer Argon Schutzgasatmosphäre mit einer Aufheizrate von 5 K/min aufgeheizt. Während des Versuchs wurden laufend die von den beiden Thermoelementen erzeugten Spannungen durch das Messgerät erfasst und ausgewertet.
In 5 sind die während des Versuchs durch das Messgerät erfassten Temperaturwerte über die Versuchszeit aufgezeigt. Die mit geschlossenen Symbolen markierte Linie stellt die Ergebnisse des erfindungsgemäß hergestellten Thermoelementes und die mit offenen Symbolen markierte Linie die Ergebnisse des Referenz-Thermoelementes dar. Vorübergehende Unterbrechungen der Messwertfolge, insbesondere für das erfindungsgemäß hergestellte Thermoelement, sind auf den schwankenden Kontaktwiderstand, der in diesem Versuch nur mittels metallischer Klammern angepressten Ausgleichsleitungen, hervorgerufen.
Durch Auswertung der ermittelten Spannungen konnte bestätigt werden, dass der erfindungsgemäß hergestellte Sensor im untersuchten Temperaturbereich eine nahezu lineare Abhängigkeit der erzeugten Spannung von der Temperatur aufweist. Aus den erfassten Thermospannungen konnte mit Hilfe einer linearen Anpassung ein Seebeck-Koeffizient als Maß für die thermoelektrische Empfindlichkeit von 41,2 μV/K bei einem Regressionsfaktor von 0,9999 ermittelt werden. Demgegenüber weisen kommerziell erhältliche Thermoelemente einen nominalen Seebeck-Koeffizient von 41,1 μV/K auf. Der Vergleich zeigt, dass die über das erfindungsgemäß herstellte Thermoelement erzeugten Spannungen als sehr vertrauenswürdig eingestuft werden können. Dieser Versuch belegt eindrucksvoll, dass der erfindungsgemäße Sensor bereits jetzt hervorragend als Temperatursensor eingesetzt werden kann.
Nach dieser Versuchsreihe wurde eine weitere Schicht, die in diesem Fall einer keramischen Funktionsschicht entsprach, mit Hilfe des atmosphärischen Plasmaspritzens aufgebracht. Dadurch konnte der auf der ersten Funktionsschicht (4) angeordnete Sensor (3) vollständig eingebettet werden.
Der Sensor liegt in diesem Fall eingebettet in den beiden Funktionsschichten vor. Die freien Leitungsenden des erfindungsgemäß hergestellten Sensors waren dabei über entsprechende Ausgleichsleitungen mit einem Mess- und Aufzeichnungsgerät verbunden, welches die während des Versuchs erzeugten elektrischen Signale erfassen konnte.
Die Schichtdicke der zweiten aufgebrachten Funktionsschicht lag bei ca. 200 μm. Beide Funktionsschichten wurden über Plasmaspritzen hergestellt und wiesen eine Oberflächenrauigkeit von ca. 40 μm auf. Versuche und leistungsfähige optische Messverfahren (Weißlichtinterferometrie) zur Ermittlung von Höhenprofilen eines eingebetteten Sensors zeigten anschaulich, dass bei einer Sensorhöhe (Höhe der aufgebrachten Leiterbahn) von ca. 90 μm und einer Schichtdicke der zweiten Funktionsschicht von ebenfalls ca. 200 μm, an der Stelle der Leiterbahnen nur noch eine Überhöhung der zweiten Funktionsschicht von ca. 40 μm zu erkennen ist. Dies belegt die gute Einbettung des Sensors in einer relativ dünnen zweiten Funktionsschicht.
Es hat sich herausgestellt, dass es einem Fachmann leicht möglich ist, einen ber das erfindungsgemäße Verfahren auf einer Funktionsschicht aufgebrachten bzw. abgeschiedenen Sensor von einem solchen zu unterscheiden, der über die bislang üblichen Aufbringungsmethoden, wie Plasmaspritzen unter Anwendung von Masken erhalten werden. Ein Vergleich der unterschiedlichen Querschnitte am Beispiel einer Leiterbahn ist schemenhaft in 6 dargestellt.
Der charakteristische Querschnitt einer Leiterbahn (3), die erfindungsgemäß aufgebracht wird, zeiget einen insgesamt bogenförmigen Verlauf, während eine Leiterbahn, die mit Hilfe einer Maske und mittels herkömmlichen Plasmaspritzen aufgebracht wurde, im Vergleich dazu im zentralen Bereich einen nahezu parallel zur Oberfläche der Funktionsschicht verlaufenden abgeflachten Querschnitt (3_SdT) zeigt und deutlich steilere Flanken aufweist. Dies liegt darin begründet, dass das Plasmaspritzen im Prinzip eine Methode zum flächigen, parallelen Aufbringen von Material ist, während das erfindungsgemäße Verfahren vorteilhaft zur Aufbringung von Linien oder Punkten geeignet ist.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Erfindung ein deutlich verbessertes Verfahren zur Herstellung von Sensoren, insbesondere auch von in-situ Sensoren bereit stellt, wobei die Sensoren auch auf einer teilweise sehr groben Funktionsschicht abgeschieden werden können, ohne dass wie bislang üblich aufwändige Masken eingesetzt werden müssen. Durch die leichte Anpassung der Verfahrensparameter ist eine breite Anwendung sowohl in Bezug auf den herzustellenden Sensor, als auch auf die zu detektierende Funktionsschicht gegeben.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Sensors auf der Oberfläche einer Funktionsschicht dadurch gekennzeichnet, dass das Sensormaterial mit Hilfe eines dem Laser-Auftragsschweißen ähnlichen Verfahren in einem Laserstrahl aufgeschmolzen und im Anschluss auf die Oberfläche der Funktionsschicht aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem als Funktionsschicht eine keramische Wärmedämmschicht, eine Isolationsschicht, eine Oxidations- (bzw. Korrosions-)Schutzschicht oder eine umgebungsstabile (Thermal-)Schutzschicht eingesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das Sensormaterial unter einer Schutzgasatmosphäre aufgebracht wird.
Verfahren nach vorhergehendem Anspruch, bei dem Argon als Schutzgas eingesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, bei dem als Sensormaterial Pulver mit einem mittleren Partikeldurchmesser zwischen 1 und 200 μm, insbesondere zwischen 2 und 50 μm eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem als Sensormaterial Alumel^®, Chromel^®, Platin, Eisen, Kupfer-Nickel-Legierungen, Platin-Rhodium-Legierungen, Nickel-Chrom-Legierungen, Wolfram-Rhenium-Legierungen, CrNi-Stahl, Nickel, Ni-20Cr, Cu-45Ni, Pd-13Cr, Cu-12Mn-2Ni, Barium-Titanat- oder Blei-Zirkonat-Titanat-Keramiken (PZT) eingesetzt werden.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 6, bei dem ein Temperatur-, Druck-, Spannungs- oder Beschleunigungssensor hergestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 7, bei dem der auf die Oberfläche der Funktionsschicht aufgebachte Sensor durch Aufbringung einer weiteren Schicht zumindest teilweise eingebettet wird.
Verfahren nach vorhergehendem Anspruch, bei dem als weitere Schicht eine weitere Funktionsschicht aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 9, bei dem während der Aufbringung des Sensors die Oberflächentemperatur der Funktionsschicht derart eingestellt wird, dass sie höher ist als die Schmelztemperatur des zugeführten Sensormaterials, aber niedriger als die Schmelztemperatur der Funktionsschicht.
Sensor, dadurch gekennzeichnet, dass er auf der Oberfläche einer Funktionsschicht angeordnet ist und durch ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9 hergestellt wurde.
Sensor nach Anspruch 11, wobei es sich um einen Temperatur-, Druck-, Spannungs- oder Beschleunigungssensor handelt.
Sensor nach einem der Ansprüche 11 bis 12, bei dem das aufgebrachte Sensormaterial porenfrei ausgestaltet sind.