DE102017219317A1 - Turbine, compressor, 3D printed and / or motor component and the use of prefabricated parts for surface coating - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft die Verwendung einer neuartigen Oberflächenbeschichtung bei Kraftwerkskomponenten und/oder mittels 3D-Druck hergestellter Bauteile. Die Erfindung offenbart dabei beschichtete Oberflächen und/oder Oberflächen-Teilbereiche, die verminderte abrasive Schäden der in Rede stehenden Bauteile der genannten Komponenten zeigen. Schließlich betrifft die Erfindung auch im 3-D-Druck hergestellte Komponenten mit - insbesondere in Druckrichtung - ansonsten unbefriedigendem Eigenschaftsprofil. Durch die Erfindung wird erstmals die Verwendung einer Diamantoberfläche in belasteten und/oder instabilen Bereichen von Bauteilen aus dem Bereich der Turbinen-, Motoren- und/oder Kraftwerkstechnik vorgeschlagen. Die Verwendung bezieht sich auch auf hochfeste Legierungen die mittels 3D-Druck verarbeitbar sind. Eine Diamantoberfläche in Bereichen der Bauteile, die besonders abrasiv belastet und/oder mittels 3D-Druck hergestellt sind, verleiht eine neue Dimension dieser Bauteile in punkto Belastbarkeit und abrasive Stabilität. Hier wird erstmals der großtechnische Einsatz von Diamantbeschichteten Oberflächen gezeigt, bei dem die einzigartige Materialkombination der Diamanten in Bezug auf Wärmeleitfähigkeit, elektrischer Isolationswirkung sowie Härte für die Kraftwerkssparte nutzbar gemacht werden.The invention relates to the use of a novel surface coating in power plant components and / or components produced by means of 3D printing. In this case, the invention discloses coated surfaces and / or surface subregions which show reduced abrasive damage of the components in question of said components. Finally, the invention also relates to components produced in 3-D printing with - otherwise in the printing direction - otherwise unsatisfactory property profile. The invention proposes for the first time the use of a diamond surface in loaded and / or unstable regions of components from the field of turbine, engine and / or power plant technology. The use also applies to high-strength alloys which can be processed by means of 3D printing. A diamond surface in parts of the parts subjected to particularly abrasive loads and / or produced by 3D printing lends a new dimension to these components in terms of load capacity and abrasive stability. Here, for the first time, the large-scale use of diamond-coated surfaces is shown, in which the unique combination of materials of the diamonds in terms of thermal conductivity, electrical insulation effect and hardness for the power plant division can be harnessed.

Description

Die Erfindung betrifft die Verwendung einer neuartigen Oberflächenbeschichtung bei Kraftwerkskomponenten und/oder mittels 3D-Druck hergestellter Bauteile. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Verbesserung für Turbinen-, Verdichter- und/oder Motorkomponenten, insbesondere deren belasteter Oberflächen, beispielsweise die Oberflächen von zwei aufeinander einwirkenden, in Relativbewegung befindlichen Bauteilen wie sie beispielsweise in großen Lagern bei Turbinen, im Bereich der Schaufelkanten bei Schaufeln und/oder Rotorblättern von Läufern und/oder Verdichtern und bei elektrisch rotierenden Maschinen wie Elektromotoren im Bereich der Läuferlagerung vorkommen.The invention relates to the use of a novel surface coating in power plant components and / or components produced by means of 3D printing. In particular, the invention relates to an improvement for turbine, compressor and / or engine components, in particular their loaded surfaces, such as the surfaces of two interacting, in relative motion components such as those in large bearings in turbines, in the blade edges at blades and / or rotor blades of rotors and / or compressors and electrically rotating machines such as electric motors in the rotor bearing occur.

Zudem betrifft die Erfindung Isolationssysteme, die eine verbesserte Kompaktheit zeigen. Die Erfindung offenbart dabei beschichtete Oberflächen und/oder Oberflächen-Teilbereiche, die verminderte abrasive Schäden der in Rede stehenden Bauteile der genannten Komponenten zeigen. Schließlich betrifft die Erfindung auch im 3-D-Druck hergestellte Komponenten mit - insbesondere in Druckrichtung - ansonsten unbefriedigendem Eigenschaftsprofil, das durch die hier vorgeschlagene Oberflächenbeschichtung verbessert wird.In addition, the invention relates to isolation systems that show improved compactness. In this case, the invention discloses coated surfaces and / or surface subregions which show reduced abrasive damage of the components in question of said components. Finally, the invention also relates to components produced in 3-D printing with - otherwise in the printing direction - otherwise unsatisfactory property profile, which is improved by the surface coating proposed here.

Im Turbinenbereich für Antriebs- und Energieerzeugung sowie bei Elektromotoren besteht ein stark wachsender Bedarf an Zuverlässigkeits- und/oder Effizienzsteigerung. Bei Turbinen steht meist ein verringerter Einsatz an Brennstoff und eine Verlängerung von Wartungsintervallen im Vordergrund, während bei Elektromotoren eine Leistungssteigerung bei unveränderter oder sogar verringerter Bauraumgröße gefordert ist. Durch 3-D-Druck hergestellte Bauteile weisen oft Defizite in der mechanischen Belastbarkeit in Druckrichtung auf, die das Bauteil, insbesondere gegenüber Scherkräften, instabil machen.In the turbine sector for drive and power generation as well as in electric motors, there is a growing demand for reliability and / or efficiency. For turbines is usually a reduced use of fuel and an extension of maintenance intervals in the foreground, while electric motors performance is required with unchanged or even reduced space size. Components produced by 3-D printing often have shortcomings in the mechanical load capacity in the printing direction, which make the component unstable, in particular with respect to shear forces.

Diese Tendenzen gehen hier zulasten von abrasiv belasteten Oberflächen der jeweiligen Komponenten wie - beispielsweise - Oberflächen von Schaufeln, insbesondere Schaufelkanten, von Rotorblättern, von Laufschaufeln, bei der Läuferlagerung, bei Lagern allgemein und ähnlichen Bauteilen von Turbinen-, Verdichter- und/oder Motorkomponenten und sonstigen Bauteilen.These tendencies are at the expense of abrasive surfaces of the respective components such as - surfaces of blades, in particular blade edges, rotor blades, blades, in the rotor bearings, bearings in general and similar components of turbine, compressor and / or engine components and other components.

Ein Problem ist, dass bei den betroffenen Bauteilen, die zum Teil auch aus einer Chromhaltigen Legierung sind und bei Betrieb mit ÖL in Kontakt kommen, sich während des Betriebs sehr aggressiv abrasive Chromkarbide bilden, durch die Materialabtrag entsteht. Ein weiteres Problem ist beispielsweise im Bereich von Turbinenschaufeln, dass partikelbedingte Erosion der Oberflächen und/oder erosive Belastung durch kondensierenden Dampf auftritt.One problem is that the affected components, which are partly also made of a chromium-containing alloy and come in contact with oil during operation, form very aggressive abrasive chromium carbides during operation, resulting in material removal. Another problem, for example in the field of turbine blades, is that particle-induced erosion of the surfaces and / or erosive loading by condensing steam occurs.

Der dadurch bedingte Materialabtrag kann unter Umständen auch zu einer Beeinflussung der Strömungsgeometrien führen und dadurch eine Revision und/oder Betriebsunterbrechung zur Reparatur der betroffenen Komponenten erforderlich machen.The consequent removal of material can under certain circumstances also lead to an influence on the flow geometries and thereby make a revision and / or interruption in operation necessary for the repair of the affected components.

Andererseits ist die Anforderung an die Kompaktheit der Bauteile und insbesondere auch an die Dicke der Beschichtungen sehr hoch, so dass bei den in Rede stehenden Komponenten einerseits eine extrem stabile und andererseits eine extrem dünne Oberfläche gefordert werden.On the other hand, the requirement on the compactness of the components and in particular on the thickness of the coatings is very high, so that in the components in question on the one hand an extremely stable and on the other hand an extremely thin surface are required.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher die Schaffung von stabilen, hochbelastbaren, elektrisch isolierenden und/oder kompakten Oberflächen für einerseits abrasiv belastete und andererseits aufgrund ihres Herstellungsverfahrens in eine Richtung instabile Bauteile wie durch 3D-Druck hergestellte Bauteile, Turbinen-, Generatoren-, Motoren- und/oder Verdichter-Komponenten.It is therefore an object of the present invention to provide stable, highly loadable, electrically insulating and / or compact surfaces for on the one hand abrasive loaded components and on the other hand instable components due to their manufacturing process, such as components produced by 3D printing, turbine, generator, motor and / or compressor components.

Diese Aufgabe wird vorliegend durch den Gegenstand der Erfindung, wie er in den Ansprüchen und der Beschreibung offenbart wird, gelöst.This object is achieved in the present case by the subject matter of the invention, as disclosed in the claims and the description.

Dementsprechend ist Gegenstand der vorliegenden Erfindung ein Turbinen-, Verdichter- Motorenkomponenten-Bauteil und/oder ein durch 3D-Druck hergestelltes Bauteil, zumindest teilweise auf der Bauteil-Oberfläche, die das Substrat ist, eine Diamantoberfläche aufweisend. Außerdem ist Gegenstand der Erfindung die Verwendung einer Diamantlage zur Schutzbeschichtung von belasteten und/oder instabilen Oberflächen von Bauteilen, insbesondere von Turbinen-, Verdichter-, und/oder Motorenkomponenten und/oder im 3D-Druck hergestellten Bauteilen.Accordingly, the subject of the present invention is a turbine, compressor engine component, and / or a 3D printed component, at least partially on the component surface, which is the substrate, having a diamond surface. In addition, the invention relates to the use of a diamond layer for protective coating of loaded and / or unstable surfaces of components, in particular of turbine, compressor, and / or engine components and / or components produced in 3D printing.

Allgemeine Erkenntnis der Erfindung ist es, durch den Einsatz von nano- und/oder mikrokristallinen Diamantoberflächen zu einer signifikanten Steigerung der Stabilität von Oberflächen zu kommen. Dabei werden instabile Oberflächen stabilisiert und/oder besonders abrasiv belastete Oberflächen belastbarer gemacht. Überraschend hat sich gezeigt, dass durch spezielle Techniken, insbesondere die Vorbehandlung der zu beschichteten Oberfläche, die Abscheidung der Diamanten und/oder die Verbindungstechnik der Diamanten untereinander und mit der zu beschichteten Oberfläche sich ein wirtschaftlich sinnvoller Einsatz von Diamanten auf Oberflächen ergibt.General knowledge of the invention is to come through the use of nano- and / or microcrystalline diamond surfaces to a significant increase in the stability of surfaces. In this process, unstable surfaces are stabilized and / or surfaces that are particularly abrasive are made more resilient. Surprisingly, it has been found that by special techniques, in particular the pretreatment of the surface to be coated, the deposition of the diamonds and / or the bonding technique of the diamonds with each other and with the surface to be coated results in an economically sensible use of diamonds on surfaces.

Insbesondere die Wirkungsgrade und Lebensdauer von - beispielsweise - Turbinenkomponenten für industrielle Antriebe und Energieerzeugung sowie Elektromotoren können dadurch gesteigert werden. Durch den Einsatz des Hochleistungswerkstoffs Diamant werden gleichzeitig die Effizienz der Systeme gesteigert und der Energieverbrauch/Schadstoffausstoß gesenkt. Insbesondere bei Turbinen im verschleißkritischen Teillastbetrieb wird durch die Diamantoberflächen eine signifikante Verbesserung erreicht. Bei Elektromotorenanwendungen, die einen zunehmenden Anteil am Stromverbrauch in der industriellen Fertigung wie auch im Bereich der Mobilität verzeichnen, sollen durch Einsatz der mechanisch wie auch elektrisch hochbelastbaren Diamantoberflächen Motorenklassen mit gesteigerter Leistung und Effizienz bei reduzierter Baugröße machbar sein. Andererseits ist die Diamantoberfläche resistent gegenüber verschiedenen Medien wie Öl und Wasser und einer Tropfenschlag- und/oder Partikelerosion.In particular, the efficiencies and life of - for example - turbine components for industrial drives and Energy production and electric motors can be increased. By using the high-performance material diamond, the efficiency of the systems is increased at the same time and energy consumption / pollutant emissions are reduced. Especially in turbines in wear-critical part-load operation, a significant improvement is achieved by the diamond surfaces. For electric motor applications, which account for an increasing proportion of power consumption in industrial manufacturing as well as in the area of mobility, the use of mechanically and electrically highly stressable diamond surfaces should make it possible to achieve engine classes with increased performance and efficiency at a reduced size. On the other hand, the diamond surface is resistant to various media such as oil and water and a drop impact and / or particle erosion.

So wurde erkannt, dass der Einsatz von nano- und/oder mikrokristallinen Diamantschichten und/oder Diamantlagen in abrasions-beanspruchten und/oder sonst wie chemisch oder physikalisch beanspruchten Bereichen von Turbinen-, Verdichter- und/oder Motorenkomponenten den normalerweise auftretenden Schaden in diesen Bereichen der Komponenten verringern kann. Damit kann höhere Leistungsdichte, sicherer Betrieb und schnellerer Service bereit gestellt werden. Im Bereich der Elektromotoren eröffnet eine Diamantoberfläche die Möglichkeit, beispielsweise als Hauptisolationsmaterial, aufgrund ihrer einzigartigen Materialeigenschaft, dass sie höchste Wärmeleitfähigkeit bei gleichzeitig höchster Elektroisolation verbindet, die Leistungsklasse bei gleichbleibender Baugröße stark zu erhöhen.Thus, it has been recognized that the use of nano- and / or microcrystalline diamond layers and / or diamond layers in abrasions-stressed and / or otherwise chemically or physically stressed areas of turbine, compressor and / or engine components normally occurring damage in these areas reduce the components. This can provide higher power density, safer operation and faster service. In the field of electric motors, a diamond surface offers the possibility, for example as a main insulation material, of greatly increasing the power class while maintaining the same size due to its unique material property that combines maximum thermal conductivity with maximum electrical insulation.

Die Diamantoberfläche kann in Form einer selbsttragenden Lage oder Folie, die beispielsweise durch Applikation wie Aufkleben, Löten und/oder Aufschmelzen auf die Oberfläche aufgebracht wird erzeugt werden. Dies kann auch in Form einer Nachrüstung erfolgen.The diamond surface can be produced in the form of a self-supporting layer or film which is applied to the surface, for example by application, such as sticking, soldering and / or melting. This can also be done in the form of retrofitting.

Als „Diamantoberfläche“ wird vorliegend der auf dem Bauteil fixierte und betriebsbereite Bereich, auf den die Diamanten aufgebracht sind, bezeichnet. Die Dicke dieser Diamantoberfläche kann beispielsweise im Bereich von 1-200µm, insbesondere im Bereich von 30-100 µm liegen, insbesondere bei einem Aufbau, der einen Verbund aus einer Diamantlage mit der Substratoberfläche, beispielsweise durch Kleben, umfasst.In the present case, the "diamond surface" refers to the area which is fixed on the component and ready for use, to which the diamonds are applied. The thickness of this diamond surface may be, for example, in the range of 1-200 μm, in particular in the range of 30-100 μm, in particular in a structure comprising a composite of a diamond layer with the substrate surface, for example by gluing.

Bevorzugt ist die Dicke natürlich so gering wie möglich, kritisch dabei ist nur, dass Diamantlagen eine gewisse Stärke aufweisen müssen, damit sie nicht brechen, bevor sie angebracht, beispielsweise eben verklebt, werden. Insbesondere bevorzugt ist daher die Dicke der „Diamantoberfläche“ um die 100µm, insbesondere um die 50µm.Of course, the thickness is of course as low as possible, the only critical aspect here is that diamond layers must have a certain thickness so that they do not break before they are attached, for example glued, to be. Therefore, the thickness of the "diamond surface" is especially preferred around 100 .mu.m, in particular around 50 .mu.m.

Als „Diamantlage“ wird vorliegend ein vorgefertigter Aufbauaus Diamanten, beispielsweise aus mehreren Schichten von Diamanten umfassend, bezeichnet, die entweder selbsttragend oder auf einem Träger aufgebaut ist. Eine Diamantlage bildet beispielsweise eine „Kachel“, aus der eine Diamantoberfläche durch Aufbringen auf die Oberfläche des Bauteils, die das Substrat bildet, zusammengesetzt werden kann.In the present case, a "diamond layer" is a prefabricated structure made of diamonds, for example composed of several layers of diamonds, which is either self-supporting or built on a support. For example, a diamond ply forms a "tile" from which a diamond surface can be assembled by application to the surface of the component forming the substrate.

Eine Diamantlage umfasst zumindest eine Schicht mit Diamanten. Als Diamant-Schicht wird eine flächige Anordnung von Diamanten verstanden. Die Schicht hat deshalb in der Regel eine Dicke, die mit der Korngröße der Diamanten korreliert.A diamond layer comprises at least one layer of diamonds. A diamond layer is understood to mean a two-dimensional arrangement of diamonds. The layer therefore usually has a thickness that correlates with the grain size of the diamonds.

Bevorzugt liegt die Dimension einer Diamantschicht dabei im Bereich kleiner 5 µm.The dimension of a diamond layer is preferably in the range of less than 5 μm.

Nach einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Dicke einer Diamantschicht kleiner 2µm, insbesondere kleiner 1µm.According to an advantageous embodiment, the thickness of a diamond layer is less than 2 μm, in particular less than 1 μm.

Dazu werden bevorzugt Verbindungstechniken aus dem Bereich der hochtemperaturfesten Verbindungstechnik eingesetzt, die eine Dauereinsatztemperatur von beispielsweise 250°C und mehr aushalten. Zudem sollte der Klebeverbund eine beispielsweise metallische oder keramische Oberfläche einerseits und eine Substratoberfläche wie eine Diamantlage andererseits belastbar verbinden.For this purpose, joining techniques from the field of high-temperature resistant connection technology are preferably used, which withstand a continuous use temperature of for example 250 ° C and more. In addition, the adhesive bond should connect a metallic or ceramic surface on the one hand and a substrate surface such as a diamond layer on the other hand resiliently.

Die Diamantoberfläche kann aber zusätzlich oder alternativ dazu auf einer Oberflächen direkt abgeschieden und erzeugt werden, so dass die Nano- oder Mikrodiamanten, nicht nur in Form einer - beispielsweise - selbsttragenden Diamantlage oder eine Diamantschicht auf einem Trägermaterial, sondern auf der belasteten oder zu stabilisierenden Oberfläche selbst vorgesehen sind.The diamond surface may additionally or alternatively be deposited and produced directly on a surface so that the nano- or micro-diamonds, not only in the form of a - for example - self-supporting diamond layer or a diamond layer on a substrate, but on the loaded or surface to be stabilized themselves are provided.

Nach einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist eine Beschichtung einer abrasiv und/oder elektrisch belasteten Oberfläche einer Turbinen-, Verdichter- und/oder Motorenkomponente, insbesondere auch einer Schaufelkante, vorgesehen.According to an advantageous embodiment of the invention, a coating of an abrasive and / or electrically loaded surface of a turbine, compressor and / or engine component, in particular also a blade edge, is provided.

Diamantschichten eigenen sich auf Grund ihrer hohen Härte und Wärmeleitfähigkeit, ihrer extremen Verschleißfestigkeit und ihrer geringen Adhäsionsneigung hervorragend zum Einsatz in abrasiv belasteten Bauteilen wie Turbinen, Verdichter- und/oder Motorenkomponenten. Eine Diamantoberfläche umfasst beispielsweise mehrere Schichten aus Diamanten aufeinander in Stapelform. Dabei können Dichte, Korngröße und/oder Ausrichtung der Diamanten von Schicht zu Schicht und innerhalb einer Schicht variieren.Due to their high hardness and heat conductivity, their extreme wear resistance and their low adhesion tendency, diamond coatings are excellently suited for use in abrasive loaded components such as turbines, compressor and / or engine components. For example, a diamond surface includes multiple layers of diamonds stacked one on top of the other. Density, grain size and / or orientation of the diamonds can vary from layer to layer and within one layer.

Beispielsweise in Form einer Diamantlage kann die Diamantoberfläche jederzeit in bestehenden Anlagen nachgerüstet werden. Dabei können Klebe-, Schmelz-, Löt- und Schweißtechniken zur Verbindung der Diamantlage mit der zu schützenden Oberfläche vorgesehen sein. For example, in the form of a diamond layer, the diamond surface can be retrofitted at any time in existing systems. This adhesive, melting, soldering and welding techniques for connecting the diamond layer may be provided with the surface to be protected.

Dabei ist es insbesondere vorteilhaft, wenn die Diamantoberfläche durch kachelartige Beschichtung aus einzelnen Teilstücken, die eine oder mehrere Diamantlagen umfassen, herstellbar ist.It is particularly advantageous if the diamond surface can be produced by a tiling-like coating of individual sections which comprise one or more diamond layers.

Es ist beispielsweise vorteilhaft, vorgefertigte Diamantlagen als Teilstücke auf dem Substrat, also der Bauteil-Oberflächeanzubringen.For example, it is advantageous to apply prefabricated diamond layers as sections on the substrate, that is to say the component surface.

Durch eine kachelartige Anordnung kleiner Teilstücke kann die Diamantoberfläche jedem Anforderungsprofil angepasst werden, beispielsweise durch Teilstücke mit dichterer oder loserer Diamantenpackung und/oder durch Teilstücke mit mehreren oder nur einer Diamantschicht(en).By a tiling-like arrangement of small sections, the diamond surface can be adapted to any requirement profile, for example through sections with denser or looser diamond packing and / or through sections with several or only one diamond layer (s).

Im jeweiligen Teilstück können durch Variation der Größe und/oder Staffelung der Diamanten innerhalb der Diamantschicht und/oder innerhalb der Diamantlage noch verschiedene Gradienten innerhalb der Diamantlage erzeugt werden.In the respective section, by varying the size and / or staggering of the diamonds within the diamond layer and / or within the diamond layer, different gradients can be generated within the diamond layer.

Nach einer vorteilhaften Ausführungsform wird die Diamantoberfläche durch Aneinanderreihen verschiedener und/oder gleicher, insbesondere vorgefertigter, Diamantlagen hergestellt.According to an advantageous embodiment, the diamond surface is produced by juxtaposing different and / or the same, in particular prefabricated, diamond layers.

Die Diamantoberfläche kann in der Größe der Diamanten, der Dichte der Diamanten pro Flächeneinheit, der Aufbringung der Diamanten, Stellung und/oder Ausrichtung der Diamanten, also beispielsweise einer Textur, der Größe der Diamanten und schließlich in der Anzahl an Diamantlagen pro Flächeneinheit zur Erzeugung der Diamantoberfläche, variieren. Damit kann für die jeweils zu beschichtende Oberfläche ein passgenaues Eigenschaftsprofil der Diamantoberfläche erzeugt werden.The diamond surface may be in the size of the diamonds, the density of the diamonds per unit area, the application of the diamonds, position and / or orientation of the diamonds, eg a texture, the size of the diamonds and finally the number of diamond layers per unit area to produce the diamond Diamond surface, vary. In this way, a precisely fitting property profile of the diamond surface can be generated for the respective surface to be coated.

Dabei ist es nur eine vorteilhafte Ausführungsform, wenn innerhalb einer Diamantschicht der Diamantlage die Diamanten in ungefähr gleicher mittlerer Korngröße vorliegen.It is only an advantageous embodiment, if within a diamond layer of the diamond layer, the diamonds are present in approximately the same average grain size.

Nach einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird die Oberfläche des Substrats vor der Aufbringung oder Abscheidung der Diamanten, beispielsweise im CVD-Verfahren, vorbehandelt, insbesondere beispielsweise durch einen elektrolytischen Plasmaprozess, vorbehandelt. Diese Vorbehandlung ist auch sinnvoll, wenn die Diamanten beispielsweise in Form einer Diamantlage mit Träger aufgebracht werden. Eine Art einer hier sinnvollerweise einsetzbaren Diamantlage ist die aus der EP 2403974 bekannte Diamantfolie.According to an advantageous embodiment of the invention, the surface of the substrate before the deposition or deposition of the diamond, for example by CVD method, pretreated, in particular, for example, by an electrolytic plasma process pretreated. This pretreatment is also useful if the diamonds are applied, for example in the form of a diamond layer with a carrier. A kind of a useful here useful diamond layer is the from the EP 2403974 known diamond foil.

Bei einer beispielsweise nasschemischen Vorbehandlung durch einen elektrolytischen Plasmaprozess befindet sich das zu behandelnde Bauteil in einem Elektrolytbad und wird mit einer gepulsten Frequenz beaufschlagt, so dass sich substratnah durch Elektrolyse Gasblasen bilden, in denen ein Plasma gezündet wird. Auf diese Weise können herstellungsbedingte Oberflächenrauigkeiten bedarfsgerecht reduziert werden, die Oberflächen gereinigt und/oder zur Verbesserung der chemischen Anbindung einer Diamantlage oder der Abscheidung von Diamanten funktionalisiert und damit optimal für eine Aufbringung der Diamantlage und/oder Erzeugung einer Diamantoberfläche vorbereitet werden. Diese Vorbehandlung umfasst beispielsweise auch eine unterwanderungsbeständige Ausrüstung des mit einer Diamantoberfläche versehenen Bereichs der Bauteil-Oberfläche, die das Substrat für die Diamantoberfläche ist.In an example, wet-chemical pretreatment by an electrolytic plasma process, the component to be treated is in an electrolyte bath and is subjected to a pulsed frequency, so that close to the substrate by electrolysis gas bubbles form, in which a plasma is ignited. In this way, production-related surface roughness can be reduced as required, the surfaces cleaned and / or functionalized to improve the chemical bonding of a diamond layer or the deposition of diamonds and thus optimally prepared for application of the diamond layer and / or generation of a diamond surface. This pretreatment also includes, for example, resist-resistant equipment of the diamond surface area of the device surface which is the substrate for the diamond surface.

Ziel der Vorbehandlung ist neben der Bauteilreinigung die Aufrauhung, so dass eine mechanische Verklammerung zwischen Klebstoff, Lötstoff... und Bauteiloberfläche möglich wird.The aim of the pre-treatment is in addition to the component cleaning the roughening, so that a mechanical interlocking between adhesive, Solder ... and component surface is possible.

Auch ein Träger oder die Unterseite einer selbsttragenden Diamantlage wird vorteilhafterweise für die Verklebung vorbereitet. Beispielsweise können durch Plasmaaktivierung die auf der Diamantoberfläche sitzenden C-H-Bindungen aufgebrochen werden, was eine deutliche Erhöhung der Benetzungsfähigkeit der Diamantlage bewirkt. Auf die so aktivierte Oberfläche der Diamanten können auch Verbindungsschichten, beispielsweise Metallschichten, insbesondere sehr dünne Metallschichten im Bereich von einigen Nanometern Schichtdicke, aufgebracht werden.Also, a carrier or the underside of a self-supporting diamond layer is advantageously prepared for bonding. For example, by plasma activation, the C-H bonds seated on the diamond surface can be broken, which causes a significant increase in the wettability of the diamond layer. Bonding layers, for example metal layers, in particular very thin metal layers in the range of a few nanometer layer thickness, can also be applied to the thus activated surface of the diamonds.

Diese erleichtern dann ein Verlöten, Verkleben, Verschweißen usw. mit dem Bauteil. Eine Verbindungsschicht ermöglicht so beispielsweise eine Adhäsion einer selbsttragenden CVD-Diamantlage mittels Schweißen, insbesondere Elektronenstrahlschweißen, Laserschweißen und/oder dergleichen.These then facilitate soldering, gluing, welding, etc. with the component. A bonding layer thus makes it possible, for example, to adhere a self-supporting CVD diamond layer by means of welding, in particular electron beam welding, laser welding and / or the like.

So wird ein Bauteil mit einer Diamantoberfläche, bei dem die Diamanten im Grenzbereich zwischen Substrat und Diamantlage-Unterseite eine Beschichtung aufweisen, hergestellt.Thus, a component having a diamond surface in which the diamonds have a coating in the boundary region between the substrate and the diamond layer underside is produced.

Zur Anbringung auf der Oberfläche kann eine weitere Verbindungsschicht vorgesehen sein. Insbesondere können dadurch thermisch induzierte Spannungen zwischen dem Bauteil der Komponente, wie der Laufschaufelkante und einer Diamantlage, die je nach Material der Laufschaufel sehr unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten haben können, kompensiert werden.For attachment to the surface, a further connection layer may be provided. In particular, thermally induced stresses between the component of the component, such as the blade edge and a diamond layer, depending on the material of the blade very have different thermal expansion coefficients can be compensated.

Alternativ dazu kann auch eine direkte Abscheidung von mikrokristallinen und/oder nanokristallinen Diamanten auf einem metallischen Substrat, wie beispielsweise auf Metall oder Keramik, erfolgen. Dies ist insbesondere für thermisch höchstbeanspruchte Anwendungsbereiche, also beispielsweise bei Betriebstemperaturen von größer 500°C, vorgesehen.Alternatively, a direct deposition of microcrystalline and / or nanocrystalline diamonds on a metallic substrate, such as on metal or ceramic, take place. This is especially for thermally highly stressed areas of application, that is, for example, at operating temperatures of greater than 500 ° C, provided.

Nach einer Ausführungsform der Erfindung handelt es sich bei der Diamantlage um eine Diamantlage auf beispielsweise einem metallischen Träger wie Nickel, Chrom, Kupfer, Molybdän, Wolfram und/oder einer beliebigen Legierung und/oder beispielsweise einem Silizium-Wafer. Eine Diamantlage, wie sie vorliegend einsetzbar ist, kann aus Kristallen/Kristalliten mit verschiedenen Kristallgrößen im Nano- und/oder Mikrometerbereich und/oder aus einem Diamantbelag, dessen mittlere Kristallgröße innerhalb der Diamantschicht gleich bleibt, respektive ohne eindeutig zuordenbare Tendenz variiert und/oder von der Unterseite hin zu einer Oberseite ab- oder zunimmt, beschaffen sein.According to one embodiment of the invention, the diamond layer is a diamond layer on, for example, a metallic carrier such as nickel, chromium, copper, molybdenum, tungsten and / or any alloy and / or, for example, a silicon wafer. A diamond layer, as used herein, can be varied from crystals / crystallites with different crystal sizes in the nanometer and / or micrometer range and / or from a diamond coating, the average crystal size within the diamond layer remains the same, or varies without clearly attributable tendency and / or of the underside towards a top decreases or increases, be designed.

Nach einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung umfasst die Beschichtung mehrere Lagen von Diamanten ohne Zwischenschichten übereinander.According to an advantageous embodiment of the invention, the coating comprises several layers of diamonds without intermediate layers one above the other.

Nach einer anderen Ausführungsform handelt es sich um eine selbsttragende Diamantlage, wobei mehrere Lagen von Diamanten unterschiedlicher mittlerer Korngröße so miteinander kombiniert werden, dass eine selbsttragende Schicht entsteht. According to another embodiment, it is a self-supporting diamond layer, wherein several layers of diamonds of different mean grain size are combined so that a self-supporting layer is formed.

Nach einer Ausführungsform variiert die durchschnittliche Korngröße der Diamanten innerhalb einer Lage.In one embodiment, the average grain size of the diamonds varies within a layer.

Nach einer anderen vorteilhaften Ausführungsform umfasst die Diamantoberfläche mehrere Diamantschichten jeweils unterschiedlicher Dicke.According to another advantageous embodiment, the diamond surface comprises a plurality of diamond layers each of different thickness.

Nach vorläufigen Tests eröffnet der Einsatz einer Diamantoberfläche in den unterschiedlichen Bereichen der Turbomaschinenanwendungen, wie beispielsweise bei Generatoren, eine Einsparung im Wartungsaufwand von 2 bis 7 Tagen. Insbesondere bei dem durch den wachsenden Anteil an mit Teillastbetrieb betriebenen Anlagen ist von einer Steigerung der Betriebssicherheit auszugehen, da beispielsweise durch den Schutz der Schaufelhinterkante sowie der Zwischenbereiche die Bildung und kritische Ausbreitung von Rissen im Schaufelfuß vermieden werden kann.According to preliminary tests, the use of a diamond surface in the various areas of turbomachinery applications, such as generators, provides a maintenance cost savings of 2 to 7 days. In particular, in the case of plants which are operated by the increasing proportion of systems operated with partial load operation, an increase in operational safety can be assumed, since the formation and critical propagation of cracks in the blade root can be avoided, for example, by protecting the blade trailing edge and the intermediate regions.

Die mittlere Korngröße der Diamanten kann im Bereich von 0,01 nm bis 10 µm beliebig variieren.The mean grain size of the diamonds can vary in the range from 0.01 nm to 10 μm.

Test:Test:

Eine Diamantoberfläche 50 µm wurde auf eine Stahlplatte aufgeklebt und mittels Taber-Abraser-Test, ein Test zur Prüfung der Partikelerosionsbeständigkeit, bei dem Korundrollen auf die Stahlkante einwirken, geprüft. Nach 1000 Umdrehungen konnte auf der Diamantseite keine Beschädigung festgestellt werden, der Vergleichskörper aus Stahl zeigte eine deutliche Beschädigung durch die Korundrollen.A 50 μm diamond surface was adhered to a steel plate and tested by the Taber Abraser test, a particle erosion resistance test in which corundum rolls act on the steel edge. After 1000 revolutions no damage could be detected on the diamond side, the comparison steel body showed a significant damage by the corundum rollers.

Durch die Erfindung wird erstmals die Verwendung einer Diamantoberfläche in belasteten und/oder instabilen Bereichen von Bauteilen aus dem Bereich der Turbinen-, Motoren- und/oder Kraftwerkstechnik vorgeschlagen. Die Verwendung bezieht sich auch auf hochfeste Legierungen, wie beispielsweise Nickel- und Titanlegierungen, die mittels 3D-Druck verarbeitbar sind. Eine Diamantoberfläche in Bereichen der Bauteile, die besonders abrasiv belastet und/oder mittels 3D-Druck hergestellt sind, verleiht eine neue Dimension dieser Bauteile in punkto Belastbarkeit und/oder abrasive Stabilität. Hier wird erstmals der großtechnische Einsatz von Diamantbeschichteten Oberflächen gezeigt, bei dem die einzigartige Materialkombination der Diamanten in Bezug auf Wärmeleitfähigkeit, elektrischer Isolationswirkung sowie Härte für die Kraftwerkssparte nutzbar gemacht werden.The invention proposes for the first time the use of a diamond surface in loaded and / or unstable regions of components from the field of turbine, engine and / or power plant technology. The use also relates to high strength alloys, such as nickel and titanium alloys, which are processable by 3D printing. A diamond surface in parts of the parts subjected to particularly abrasive loads and / or produced by means of 3D printing lends a new dimension to these components in terms of load capacity and / or abrasive stability. Here, for the first time, the large-scale use of diamond-coated surfaces is shown, in which the unique combination of materials of the diamonds in terms of thermal conductivity, electrical insulation effect and hardness for the power plant division can be harnessed.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • EP 2403974 [0033]EP 2403974 [0033]

Claims (15)

Turbinen-, Verdichter- Motorenkomponenten-Bauteil und/oder ein durch 3D-Druck hergestelltes Bauteil, zumindest teilweise auf der Bauteil-Oberfläche, die das Substrat ist, eine Diamantoberfläche aufweisend.Turbine, compressor engine component component and / or a 3D-printed component, at least partially on the component surface, which is the substrate having a diamond surface. Bauteil nach Anspruch 1, wobei die Diamantoberfläche Diamanten mit einer mittleren Korngröße im Nano- und/oder im Mikrometerbereich umfasst.Component after Claim 1 wherein the diamond surface comprises diamonds having a mean grain size in the nanometer and / or micrometer range. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die Diamantoberfläche mehrere Schichten Diamanten aufeinander umfasst.Component according to one of Claims 1 or 2 wherein the diamond surface comprises multiple layers of diamonds on each other. Bauteil nach Anspruch 3, wobei die Dichte, Korngröße und/oder Ausrichtung der Diamanten aufeinanderfolgender Schichten gleich oder ungleich ist.Component after Claim 3 wherein the density, grain size and / or orientation of the diamonds of successive layers are the same or different. Bauteil nach einem der Ansprüche 3 oder 4, wobei Dichte, Korngröße und/oder Ausrichtung der Diamanten innerhalb des Schichtstapels gleich oder ungleich ist.Component according to one of Claims 3 or 4 , wherein density, grain size and / or orientation of the diamonds within the layer stack is equal or unequal. Bauteil nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Dichte, Korngröße und/oder Ausrichtung der Diamanten innerhalb einer Diamantschicht gleich oder ungleich ist.Component according to one of the preceding claims, wherein the density, grain size and / or orientation of the diamonds within a diamond layer are the same or different. Bauteil nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Dicke der Diamantoberfläche kleiner 200 µm, insbesondere kleiner 100 µm ist.Component according to one of the preceding claims, wherein the thickness of the diamond surface is less than 200 microns, in particular less than 100 microns. Bauteil nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei zumindest eine Diamantschicht eine Diamantlage bildet, die mit der Oberfläche des Bauteils durch Kleben, Aufschmelzen, Schweißen und/oder Löten verbunden ist.Component according to one of the preceding claims, wherein at least one diamond layer forms a diamond layer, which is connected to the surface of the component by gluing, melting, welding and / or soldering. Bauteil nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Diamanten im Grenzbereich zwischen Substrat und Diamantlagen-Unterseite eine Beschichtung aufweisen.Component according to one of the preceding claims, wherein the diamonds have a coating in the boundary region between the substrate and the diamond layer underside. Bauteil nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Substrat-Oberfläche vorbehandelt ist.Component according to one of the preceding claims, wherein the substrate surface is pretreated. Bauteil nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Diamantoberfläche eine Diamantlage mit einem Träger, der mit der Substratoberfläche des Bauteils einen Verbund bildet, umfasst.A component according to any one of the preceding claims, wherein the diamond surface comprises a diamond layer having a backing which bonds to the substrate surface of the component. Bauteil nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 oder 2, wobei die Diamantoberfläche aus Teilstücken, die gleich oder ungleich sind, zusammengesetzt ist.Component according to one of the preceding Claims 1 or 2 wherein the diamond surface is composed of sections that are equal or different. Bauteil nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Diamantoberfläche eine kachelartige Zusammensetzung von Teilstücken umfasst.A component according to any one of the preceding claims, wherein the diamond surface comprises a tiling-like composition of sections. Bauteil nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Diamantoberfläche zumindest ein Teilstück in Form einer selbsttragenden Diamantlage umfasst.Component according to one of the preceding claims, wherein the diamond surface comprises at least one section in the form of a self-supporting diamond layer. Verwendung zumindest einer Diamantlage zur Schutzbeschichtung von belasteten und/oder instabilen Oberflächen von Bauteilen, insbesondere von Turbinen-, Verdichter-, und/oder Motorenkomponenten und/oder im 3D-Druck hergestellten Bauteilen.Use of at least one diamond layer for protective coating of loaded and / or unstable surfaces of components, in particular of turbine, compressor, and / or engine components and / or components produced in 3D printing.
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