DE19545025A1

DE19545025A1 - Verfahren zur Aufbringung einer metallischen Haftschicht für keramische Wärmedämmschichten auf metallische Bauteile

Info

Publication number: DE19545025A1
Application number: DE19545025A
Authority: DE
Inventors: Reinhard Fried
Original assignee: ABB Research Ltd Switzerland
Current assignee: Alstom SA
Priority date: 1995-12-02
Filing date: 1995-12-02
Publication date: 1997-06-05
Also published as: CZ290920B6; JP3983323B2; CZ346896A3; PL182552B1; CA2188614C; JPH09176818A; PL317298A1; US5894053A; PL181404B1; DE59608498D1; CN1161489C; UA42001C2; CN1160088A; EP0776985A1; CA2188614A1; RU2209256C2; ATE211185T1; EP0776985B1

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Werkstofftech nik. Sie betrifft ein Verfahren zur Aufbringung einer metal lischen Haftschicht für thermisch gespritzte keramische Wär medämmschichten (TBC) auf metallische Bauteile sowie eine nach diesem Verfahren hergestellte metallische Haftschicht.

Stand der Technik

Normalerweise lassen sich Metall und Keramik wegen der unter schiedlichen Wärmesausdehnungskoeffizienten nicht miteinander verbinden.

Bekannt ist, daß zur Lösung dieses Problemes eine duktile Zwischenschicht zwischen die zu verbindenden Teile gebracht wird, welche die Differenzdehnungen bei unterschiedlichen Temperaturen elastisch-plastisch ausgleicht (vgl. W. J. Brindley, R. A. Miller: "TBCs for better engine efficiency", Nasa Lewis Research Center Cleveland, Advanced Materials & Progress 8/1989, S.29-33). Diese als Haftschichten bezeichne te Zwischenschichten werden üblicherweise mittels bekannter Flammspritzverfahren, Plasmaspritzverfahren oder Detonations spritzverfahren aufgebracht. Sie ermöglichen eine metallur gisch-mechanische Bindung an das metallische Bauteil und eine rein mechanische Bindung der ebenfalls thermisch gespritzten Keramikschicht an die Haftschicht, wobei diese Verbindung ausgesprochen schlagempfindlich und thermoschockempfindlich ist.

Da die keramischen Wärmedämmschichten die beschichteten me tallischen Bauteile vor schädlichen Wärmespannungen schützen, ist deren lückenloses Vorhandensein wichtig für eine ausrei chende Lebensdauer der Bauteile. Derartig beschichtete Bau teile werden insbesondere im Gebiet der Verbrennungstechnik eingesetzt, beispielsweise für Brennkammerteile oder Gastur binenschaufeln.

Der Nachteil der bisher erzeugten metallischen Haftschichten für keramische Wärmedämmschichten besteht darin, daß sie eine ungenügende Rauhigkeit aufweisen und damit zu wenig Formschluß (Hinterschneidungen) bieten, so daß die Schicht dicke der TBC-Schichten begrenzt ist. Bekannt sind Schicht dicken von ca. 0,2 bis 0,4 mm, wobei Schichtdicken von etwa 0,3 mm am häufigsten anzutreffen sind. Sind sie dicker, so steigt die Gefahr des Abplatzens rapide an. Sind sie dünner, so läßt die Wärmedämmwirkung schnell nach. Neuere Entwick lungen gehen zwar dahin, gröbere Haftschichten (ca. 0,6 mm) zu spritzen, jedoch fehlt der nötige Formschluß.

Eine für bekannte metallische Haftschichten typische Rauhig keit (Unterschied Spitze-Tal) liegt bei etwa 30 µm. Rauher können die Schichten nicht gespritzt werden, da die Dimension der aufzuschmelzenden Pulverteilchen je nach Beschichtungs verfahren (unterschiedliche Spritztemperaturen und Spritzge schwindigkeiten) auf ca. 10 bis 50 µm begrenzt ist und die flüssigen Pulverteilchen beim Auftreffen auf das Substrat ab flachen (vgl. B. Heine: "Thermisch gespritzte Schichten", Me tall, 49. Jahrgang, 1/1995, S. 51-57).

Einer naheliegenden Abhilfe mittels gröberem Aufrauhen durch Sandstrahlen bzw. mittels Veränderung der Flammspritzparame ter sind aber Grenzen gesetzt. Beispielsweise kann durch Nie dergeschwindigkeitsflammenspritzen zwar die Schichtdicke der TBC-Keramikschicht erhöht werden, aber derartige Schichten halten keinen Thermoschock aus.

Rauhgewindedrehen oder Einfräsen von Nuten in die zu be schichtenden Oberflächen, wie von B. Heine in o.g. Artikel zur Haftungsförderung bei angestrebten Schichtdicken von größer 1 mm angegeben werden, sind aufwendig und lassen sich bei komplizierter geometrischer Werkstückform nur schwer rea lisieren.

Darstellung der Erfindung

Die Erfindung versucht, all diese Nachteile zu vermeiden. Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, eine metallische Haftschicht und ein Verfahren zur Aufbringung dieser Haftschicht für kerami sche Wärmedämmschichten auf einem metallischen Grundkörper zu entwickeln, mit dem es gegenüber dem bekannten Stand der Technik möglich ist, anschließend keramische Wärmedämm schichten größerer Dicke thermisch zu spritzen und zu befe stigen. Dabei sollen die Schichten stabil haften und unem pfindlich gegen Schlageinwirkung sein.

Erfindungsgemäß wird dies bei einem Verfahren zur Aufbrin gung einer metallischen Haftschicht für thermisch gespritzte keramische Wärmedämmschichten auf metallische Bauteile, wobei die zu beschichtende Oberfläche in einem ersten Verfahrens schritt gereinigt wird, so daß eine fett- und oxidfreie me tallische Oberfläche vorliegt, dadurch erreicht,

a) daß in einem zweiten Verfahrensschritt ein Binder auf die metallische Oberfläche aufgebracht wird,
b) daß in einem dritten Verfahrensschritt auf den Binder gleichmäßig metallisches Haftpulver aufgebracht wird,
c) daß in einem vierten Verfahrensschritt auf den Binder gleichmäßig Lotpulver, welches eine geringere Teilchengröße als das Haftpulver aufweist, aufgebracht wird, und
d) daß nach Trocknung des Binders eine Wärmebehandlung zwecks Lötung erfolgt.

Erfindungsgemäß wird dies bei einem Verfahren zur Aufbrin gung einer metallischen Haftschicht für thermisch gespritzte keramische Wärmedämmschichten auf metallische Bauteile, wobei die zu beschichtende Oberfläche in einem ersten Verfahrens schritt gereinigt wird, so daß eine fett- und oxidfreie me tallische Oberfläche vorliegt, und in einem zweiten Verfah rensschritt mittels Schutzgasplasmaspritzen eine oxidations- und korrosionsfeste Schicht auf der metallischen Oberfläche erzeugt wird, dadurch erreicht,

a) daß in einem dritten Verfahrensschritt ein Binder auf die oxidations- und korrosionsfeste Schicht aufgebracht wird,
b) daß auf den Binder gleichmäßig ein grobes Haftpulver der gleichen Zusammensetzung wie die oxidations- und korrosions feste Schicht aufgebracht wird, und
c) daß nach Trocknung des Binders eine Wärmebehandlung (Lö sungsglühen) zwecks Bildung einer Sinterverbindung zwischen dem metallischen Bauteil und der Schicht bzw. zwischen der Schicht und dem Haftpulver erfolgt.

Die Vorteile der Erfindung bestehen u. a. darin, daß mit die sen Verfahren Haftschichten erzeugt werden, die gegenüber dem Stand der Technik sehr rauh sind. Die aufgelöteten bzw. ange sinterten Metallpulverteilchen stellen dabei sehr stabile und formschlüssige Verankerungen für die auf zuspritzende TBC- Schicht dar, so daß vergleichsweise dicke, stabil haftende keramische Wärmedämmschichten erzeugt werden können.

Es ist besonders zweckmäßig, wenn anstelle des zeitlich nacheinander erfolgenden Aufbringens des metallischen Haft pulvers und des Lotpulvers beide Pulver zunächst intensiv ge mischt werden und danach dieses Gemisch auf die metallische Oberfläche des Grundmaterials aufgebracht wird. Dadurch wird eine gleichmäßigere Verteilung der Pulverteilchen erreicht und außerdem die Verfahrenszeit verkürzt.

Ferner ist es vorteilhaft, wenn nach erfolgter Lötung zusätz lich auf die Haftschicht eine dünne Schicht des Haftpulvers mittels Spritzverfahren, beispielsweise Schutzgasplasmasprit zen, aufgetragen wird. Das ergibt zwischen der groben Veran kerungsmöglichkeit zusätzlich die Möglichkeit einer feinen Verzahnung, was die Haftfestigkeit von dicken TBC-Schichten unter Thermoschockbedingungen weiter steigert.

Schließlich werden mit Vorteil als Lotmaterial artgleiches Material wie das Grundmaterial und borfreie bzw. borarme Lote verwendet. Dadurch wird eine mögliche Sprödphasenbildung ver ringert.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann sowohl örtlich für Repe raturzwecke als auch zur Beschichtung von Neuteilen verwendet werden.

Die erfindungsgemäß hergestellte metallische Haftschicht be steht je nach angewandter Verfahrensvariante aus einer die Oberfläche des metallischen Bauteiles benetzenden Lotschicht mit darin fest verlöteten sphärisch oder spratzig ausgebilde ten Haftpulverteilchen oder zusätzlich aus einer dünnen ge spritzen, insbesondere schutzgasplasmagespritzten Schicht aus artgleichem Material wie die Haftpulverteilchen oder aus einer auf die Oberfläche des metallischen Bauteiles schutz gasplasmagespritzten Schutzschicht mit an deren Oberfläche angesinterten Haftpulverteilchen. Diese metallische Haft schicht garantiert ein stabiles Haften der thermisch ge spritzten keramischen Wärmedämmschichten, erlaubt größere Schichtdicken und führt zu guten Notlaufeigenschaften.

Es ist außerdem vorteilhaft, wenn die Höhe der Haftpulver teilchen etwa so groß ist wie die Schichtdicke der thermisch aufzuspritzenden keramischen Wärmedämmschicht. Dadurch wird die Schicht nahezu schlagunempfindlich, weil Schläge im We sentlichen metallisch aufgefangen werden.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

In der Zeichnung sind mehrere Ausführungsbeispiele der Erfin dung dargestellt.

Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung einer zu be schichtenden Leitschaufel;

Fig. 2 einen schematischen Querschnitt durch die verschie denen Schichten nach dem Applizieren;

Fig. 3 einen schematischen Querschnitt durch die verschie denen Schichten nach dem Löten;

Fig. 4 einen schematischen Querschnitt durch die verschie denen Schichten nach dem Flammspritzen der kerami schen Wärmedämmschicht;

Fig. 5 einen schematischen Querschnitt durch die verschie denen Schichten nach TBC-Beschichtung und seitli cher Druckbeanspruchung;

Fig. 6 eine perspektivische Darstellung einer zu be schichtenden Wärmedämmplatte;

Fig. 7 einen schematischen Querschnitt durch die verschie denen Schichten nach dem Löten und Flammspritzen der Haftschicht;

Fig. 8 einen schematischen Querschnitt durch die verschie denen Schichten eines weiteren Ausführungsbeispie les (angesintertes Haftpulver);

Fig. 9 ein Schliffbild einer metallischen Probe mit aufgelöteter Haftschicht.

Es sind nur die für das Verständnis der Erfindung wesentli chen Elemente gezeigt.

Weg zur Ausführung der Erfindung

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von mehreren Ausfüh rungsbeispielen und der Fig. 1 bis 9 näher erläutert.

In Fig. 1 ist eine Leitschaufel einer Gasturbine als Beispiel für ein zu beschichtendes metallisches Bauteil 1 dargestellt. Sie besteht aus dem metallischen Grundmaterial (Substrat) 2, in diesem Falle aus der Legierung IN 939 der folgenden chemi schen Zusammensetzung: Bal. Ni; 22,5% Cr; 19,0% Co; 2,0% W; 1,0% Nb; 1,4% Ta; 3,7% Ti; 1,9% Al; 0,1 Zr; 0,01 B; 0,15 C. Die Schaufel ist auf den gasführenden Flächen mit einer Kor rosions- und Oxidationsschicht versehen (MCrAlY, z. B. SV201473: Bal. Ni; 25% Cr; 5% Al; 2,5% Si; 0,5% Y; 1% Ta). Außerdem ist diese Schaufel auf der Eintrittskante, der Druckseite des Blattes und auf den Kanalwänden mit einer ca. 0,3 mm dicken keramischen Wärmedämmschicht aus Yttrium-stabi lisiertem Zirkonoxid folgender Zusammensetzung beschichtet: Bal. ZrO₂ incl. 2,5% HfO₂; 7-9% Y₂O₃; <3% andere.

Nach einer Betriebszeit von 25 000 Stunden kommt die Gastur binenleitschaufel zur Rekonditionierung. Dabei wird festge stellt, daß durch thermische Überbeanspruchung und Erosion an der Eintrittskante des Blattes und auf der Kanalwand die Wärmedämmschicht nicht mehr vorhanden ist (vgl. schraffierte Bereiche in Fig. 1). Da die Schaufel keine weiteren Schäden aufweist, wird aus Kostengründen keine totale Neubeschich tung, sondern eine partielle Reparatur der Wärmedämmschicht angestrebt. Auf Grund dessen, daß an den oben beschriebenen Stellen systematisch ein besonders starker Angriff der TBC erfolgt, sollte die TBC-Schicht nicht nur in gleicher Stärke, sondern möglichst dicker ausgeführt werden.

Das gelingt mit dem erfindungsgemäßen Verfahren, bei dem die keramische Schicht flexibler an das metallische Substrat 2 gebunden wird durch Gradieren des Übergangs Metall-Keramik unter Verwendung einer speziellen Haftschicht.

Zunächst wird die Schaufel 1 im Wasserdampfstrahl von grobem Schmutz (Verbrennungsrückstände) gereinigt. Danach werden noch anhaftende Ablagerungen mittels weichem Sandstrahlen, (z. B. feines Aluminiumpulver, 2 bar Strahldruck, 20 cm Ab stand) entfernt. Dabei darf die noch intakte keramische Wär medämmschicht nicht abgetragen werden.

Nun werden die nicht zu beschichtenden Schaufelteile abge deckt, beispielsweise mit einer Blechschablone, und die zu beschichtenden Flächen werden blankgestrahlt (z. B. feines Si liziumcarbid, Strahldruck 4 bar, Abstand 40 mm), so daß jeg liche TBC-Reste und eventuelle Oxide entfernt werden.

Die so gereinigten, metallischen, sauberen, fett- und oxid freien Oberflächen werden nun mit Hilfe eines Pinsels, Tup fers oder Sprayers dünn mit einem für die Lotpastenherstel lung üblichen organischen Binder 3, sogenanntem Zement, be schichtet. Danach wird Haftpulver 4 des Typs NiAl95/5 mit einer Teilchengröße im Bereich von 100 bis 200 µm über die mit dem Binder 3 befeuchteten Stellen gestreut, bis etwa alle 0,5 mm solche Haftpulverteilchen 4 zu liegen kommen. Danach wird in gleicher Weise das viel feinere Lotpulver 5 (Teil chendurchmesser ca. 10-30 µm) gestreut. Als Lotmaterial wird die Legierung NB 150 (Bal. Ni; 15% Cr; 3,5% B; 0,1% C) mit einem Schmelzpunkt von 1055°C und einem Lötbereich von 1065 bis 1200°C verwendet. Vorteilhaft sind dabei etwa gewichts mäßig gleichgroße Mengen von Haftpulver 4 und Lotpulver 5. Aber selbstverständlich können auch andere Mengenverhältnisse gewählt werden. Dabei ist die Packungsdichte der Teilchen nicht von ausschlaggebender Bedeutung, denn es sind dichte Packungen geeignet, aber auch weniger dichte Packungen sind schon ausreichend.

Der Binder 3 trocknet nach kurzer Zeit (ca. 15 min) und hält das Haftpulver 4 und das Lot 5 fest auf dem Substrat 2. Fig. 2 zeigt schematisch einen Querschnitt der verschiedenen Schichten nach dem Applizieren.

Die so beschichtete Fläche kann nun horizontal, senkrecht oder über Kopf in den Lötofen gebracht werden. Das Lot 5 und das Haftpulver 4 bleiben an ihrem applizierten Platz, bis das Lot aufgeschmolzen ist und die Substratoberfläche und die Oberfläche der Haftpulverteilchen benetzt und verlötet hat. Die Lötung erfolgt in einem Hochvakuumofen bei 5×10^-6 mbar, 1080°C und einer Haltezeit von 15 min.

Fig. 3 zeigt schematisch einen Querschnitt der verschiedenen Schichten nach dem Lötvorgang. Das Lot 5 hat die zu reparie rende Fläche gänzlich benetzt und die Haftpulverteilchen 4 sind fest verlötet. Die Oberfläche sieht metallisch matt silbrig glänzend aus. Die Diffusionszoneist wegen der kurzen Lötzeit und der relativ niedrigen Löttemperatur nur sehr klein.

Nach dem Aufbringen der erfindungsgemäßen metallischen Haft schicht wird die Schaufel wiederum mit einer Schablone abge deckt und mit einer 0,5 mm dicken keramischen Wärmedämm schicht 6, hier aus Calzium-stabilisierten Zirkonoxid (Meta- Ceram 28085), wobei das Zirkonoxid mittels bekanntem Flamm spritzverfahren aufgebracht wird, versehen.

Fig. 4 zeigt schematisch den Schichtaufbau nach dem Flamm spritzverfahren.

Die Befestigung des Zirkonoxides läßt sich in etwa mit einer Druckknopftechnik vergleichen. Das Zirkonoxid weist einen starken Formschluß und viele Hinterschneidungen auf im Ge gensatz zu bisher üblichen Haftgeometrien, welche bestenfalls nur einen kleinen Formschluß aufweisen. Damit ist die Veran kerung der Zirkonoxid(TBC)-Schicht auf dem Bauteil sehr sta bil. Für das Aufspritzen der TBC-Schichten auf die erfin dungsgemäßen Haftschichten ist somit neben dem Plasmasprit zen und dem Detonationsflammspritzen wie oben beschrieben auch das Flammspritzen geeignet. Letzteres hat den Vorteil, daß dafür transportable Beschichtungsgeräte eingesetzt wer den können.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht in der hohen Ther moschockunempfindlichkeit der Schichten. Das gemäß o.b. Ver fahren beschichtete metallische Bauteil 1 wurde anschließend in einem Heißgasstrom thermozykliert (Aufheizen mit etwa 50 Grad/min Gastemperatur, 2 min Halten bei 1000°C, Abkühlen mit 100 Grad/s Gastemperatur auf 500°C). Selbst nach 70 Zyklen ist noch keine Ablösung der Schicht aufgetreten.

Ein anderer Vorteil besteht in den hervorragenden Notlaufei genschaften der auf die erfindungsgemäße Haftschicht ther misch gespritzen TBC-Schichten. Bei Schlag- bzw. seitlicher Druckbeanspruchung platzt die keramische Schicht 6, also in diesem Falle das Zirkonoxid, nur oberhalb des Haftpulvers 4 ab. Zwischen den Haftpulverteilchen 4 fällt die TBC-Schicht 6 aufgrund des großen Formschlusses nicht heraus, so daß die keramische Wärmedämmschicht 6 mindestens in der Dicke der Haftpulverteilchen 4 (ca. 200 µm) erhalten bleibt. Dies ist schematisch in Fig. 5 dargestellt. Dieses Ergebnis berechtigt zu der Annahme, daß sowohl die Eintrittskante als auch die Kanalwand der reparierten Leitschaufel dem Abtrag der Wärme dämmschicht länger widerstehen kann als die dünnere und weni ger verankerte originale Wärmedämmschicht. Mit diesem Ausfüh rungsbeispiel ist die prinzipielle Eignung der grob gelöteten Haftschichten für die Aufbringung thermisch gespritzter Wär medämmschichten nachgewiesen. Bei der Verwendung der mitein ander kombinierten Materialien ist darauf zu achten, daß die Oxidations- und Korrosionsfestigkeit von Haftpulver, Lot und Haftschicht möglichst größer sind als die entsprechenden Werte des Grundmaterials.

In den Fig. 6 und 7 ist ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Fig. 6 zeigt in einer perspektivischen Darstellung eine Wärmedämmplatte zur Heißgasführung, die im Neuzustand mit einer möglichst dicken thermisch gespritzen Wärmedämmschicht versehen werden soll. Die Wärmedämmplatte besteht aus der Legierung MAR M 247, die folgende chemische Zusammensetzung aufweist: Bal. Ni; 8,2-8,6% Cr; 9,7-10,3% Co; 0,6-0,8% Mo; 9,8-10,2% W; 2,9-3,1% Ta; 5,4-5,6% Al; 0,8-1,2% Ti; 1,0-1,6% Hf; 0,14-0,16% C).

Zunächst wird das zu beschichtende metallische Bauteil 1 mit relativ groben Siliziumcarbid (Partikeldurchmesser <200 µm) oxidfrei und rauh gestrahlt (10 bis 30 µm). Danach wird die zu beschichtende Oberfläche beispielsweise mit einem Pinsel dünn mit organischem Binder 3 bestrichen. Unter einer Riesel vorrichtung für grobes sphärisches Haftpulver 4 (SV 20 14 73 mit folgender chemischer Zusammensetzung: Bal. Ni; 25% Cr; 5% Al; 2,5% Si; 0,5% Y; 1% Ta) mit einem Korndurchmesser von 150 bis 300 µm wird die zu beschichtende Platte 1 hin- und herbe wegt, bis auf der Klebeschicht eine gleichmäßige Verteilung des hoch korrosionsfesten Haftpulvers 4 stattgefunden hat. Im Mittel sollten die einzelnen Pulverteilchen 0,3 bis 0,6 mm Abstand voneinander haben. Durch elektrostatische Aufladung ist es möglich, daß mehrere der Haftpulverteilchen 4 anein ander zu liegen kommen, was aber für ihre Funktion keinen Nachteil hat. Als Lot wird Amdry Alloy DF 5, welches zusätz lich zum hohen Cr-Gehalt einen hohen Al-Gehalt bei etwas re duziertem B-Gehalt aufweist, gewählt. Die genaue Zusammenset zung ist folgende: Bal. Ni; 13% Cr; 3% Ta; 4% Al; 2,7% B; 0,02% Y. Das Lot 5 wird ebenfalls mittels einer geeigneten Rieselvorrichtung gleichmäßig auf die zu lötende Fläche auf gebracht. Es ist auch möglich, Haftpulver 4 und Lot 5 zu mi schen und dann das Gemisch in einem Verfahrensschritt auf die mit dem Zement-Binder 3 eingestrichene Fläche aufzustreuen.

Die Lötung erfolgt im Hochvakuumofen bei 1100°C und 15 min Haltezeit. Vor dem anschließenden Luftplasmaspritzen der Wärmedämmschicht 6 wird mittels Schutzgasplasmaspritzen eine dünne Schicht 7 (ca. 50 µm) SV 20 14 73 aufgetragen. Das er gibt neben der groben Verankerungsmöglichkeit (wie im Ausfüh rungsbeispiel 1) noch zusätzlich eine feine Verzahnung, was die Haftfestigkeit von dicken TBC-Schichten im Thermoschock weiter steigert.

Fig. 7 zeigt schematisch die Ausbildung dieser Schichten.

Anschließend wird mittels bekanntem Luftplasmaspritzverfah ren eine 1,5 mm dicke Yttrium-stabilisierte Zirkonoxidschicht als TBC-Schicht 6 gespritzt.

Das so beschichtete Bauteil erwies sich bei einem Thermo schocktest im Sandbett (1000°C auf Raumtemperatur) als ther moschockfest.

Nach längerer Betriebszeit ist zwar die Lotschicht zwischen den großen Haftpulverkörnern etwas wegkorrodiert, aber der Korrosionsangriff kann den tragenden Teil des Lothalses nicht nennenswert reduzieren.

In einem dritten Ausführungsbeispiel soll eine gekühlte Leit schaufel, die aus dem Material CM 247 LC DS (chemische Zusam mensetzung: Ba. Ni; 8,1% Cr; 9,2% Co; 0,5% Mo; 9,5% W; 3,2% Ta; 0,7% Ti; 5,6% Al; 0,01% Zr; 0,01% B; 0,07% C; 1,4% Hf) besteht, im Neuzustand mit einer 0,7 bis 0,8 mm dicken TBC- Schicht versehen werden.

Dazu wird die Schaufel im ganzen Kanalbereich mittels Schutz gasplasmaspritzen mit dem Pulver ProXon 21031 (Legierung auf Nickelbasis) etwa 0,2 mm dick beschichtet (sauerstoffarm ge spritzt). Dieses Pulver weist wegen seines hohen Aluminiumge haltes und Chromgehaltes eine hervorragende Oxidations- und Korrosionsfestigkeit auf. Danach wird auf dieser rauh ge spritzen Oxidations- und Korrosionsschutzschicht 8 eine dünne Schicht Binder 3 aufgetragen. Darauf wird ein grobes Haftpul ver 4 mit einem Teilchendurchmesser von etwa 100 bis 200 µm der gleichen Zusammensetzung gestreut. Die Beschichtung er folgt dann im Hochvakuumofen bei Lösungsglühbedingungen für CM 247 LS DS (mehrere Stunden bei 1220 bis 1250°C). Dabei entsteht eine definierte metallurgische Bindung (Sinterver bindung 9) der Oxidations- und Korrosionsschutzschicht 8 am Grundmaterial 1. Die Schicht 8 verdichtet sich weiter und die groben Haftpulverteilchen 4 werden durch eine stabile Sinter bildung 9 auf der Schicht 8, die nunmehr gleichzeitig eine Schutz- und Haftschicht ist, gebunden.

Fig. 8 verdeutlicht dies in einer schematischen Darstellung der einzelnen Schichten.

Danach werden die Profilsaugseite und die Bereiche der Kühl luftbohrungen der Leitschaufel abgedeckt. Die Druckseite und die Kanalwände, die mit Haftschichtpulver 4 belegt sind, wer den nun mittels bekanntem Flammspritzsystem CastoDyn DS 8000 mit MetaCeram 28085 (Zirkonoxid/Calzium-stabilisiert) ca. 0,8 bis 0,7 mm dick beschichtet.

Selbst nach 1000 Thermozyklen im Fließbett (Bedingungen: 1000°C/RT/1000°C, Zykluszeit: 6 min) konnte keine Beschädigung der Beschichtung festgestellt werden.

In einem vierten Ausführungsbeispiel soll ebenfalls eine ge kühlte Leitschaufel aus CM 247 LC DS mit einer Wärmedämm schicht versehen werden. Als Lot 5 für die Befestigung der groben Haftpulverteilchen 4 aus ProXon 21031 wird ein art gleiches Pulver CM 247 mit einem Zusatz von 6% Cr; 3% Si; 2% Al und 0,5% B verwendet. Der Auftrag erfolgt wie bereits oben beschrieben, d. h. auf die dünne Zement-Binder-Schicht 3 wird das etwa 150 bis 200 µm große Haftpulver 4 gestreut und dar auf in reichlicher Menge das Lotpulver 5. Anschließend wird die Schaufel einer Wärmebehandlung unterzogen, bei der das Grundmaterial 2 lösungsgeglüht und das Lot 5 teilweise aufge schmolzen wird. Dabei geht sowohl die γ′-Lösung im Grundmate rial 2 vor sich als auch die feine γ′-Bildung in der Löt schicht, die in diesem Ausführungsbeispiel dicker aufgetragen wird und eine etwa 65 µm dicke Korrosions- und Oxidations schicht bildet. Auf diese so vorbereitete Schaufeloberfläche an der Profildruckseite und den Kanalwänden wird nun mittels bekanntem Luftplasmaspritzverfahren eine ca. 0,5 bis 0,6 mm dicke Y-stabilisierte Zirkonoxid-Wärmedämmschicht aufge bracht.

Thermoschocktests ergaben, daß die so befestigte Wärmedämm schicht einer konventionell hergestellten Schicht überlegen ist. Selbst wenn aus unterschiedlichen Gründen ein Stück der TBC-Schicht wegplatzt, bleibt zwischen den Haftpulverteilchen diese Schicht erhalten und garantiert somit gute Notlaufei genschaften. Platzt dagegen bei konventionell beschichteten Schaufeln die TBC-Schicht ab, so verbleiben auf dem Substrat nur minimale Reste, die auf keinen Fall eine wärmedämmende Eigenschaft aufweisen. Außerdem hat sich in diesem Beispiel gezeigt, daß es günstig ist, borfreie bzw. fast borfreie Lote zu verwenden, da die Sprödphasenbildung mit W-Boriden kaum möglich ist.

Fig. 9 zeigt abschließend ein Schliffbild eines mit der er findungsgemäßen Haftschicht beschichteten Plättchens. Das Grundmaterial 2 ist MAR M 247, als Lot 5 wurde NB 150 verwen det und die Haftpulverteilchen 4 bestehen aus NiAl95/5.

Bezugszeichenliste

1 zu beschichtendes metallisches Bauteil
2 metallisches Grundmaterial (Substrat)
3 organischer Binder
4 Haftpulver
5 Lot
6 keramische Schicht (TBC)
7 schutzgasplasmagespritze Haftpulverschicht
8 Oxidations- und Korrosionsschutzschicht
9 Sinterbildung

Claims

1. Verfahren zur Aufbringung einer metallischen Haftschicht für thermisch gespritzte keramische Wärmedämmschichten (6) auf metallische Bauteile (1), wobei die zu beschich tende Oberfläche in einem ersten Verfahrensschritt ge reinigt wird, so daß eine fett- und oxidfreie metalli sche Oberfläche vorliegt, dadurch gekennzeichnet,

a) daß in einem zweiten Verfahrensschritt ein Binder (3) auf die metallische Oberfläche des Grundmaterials (2) aufgebracht wird,
b) daß in einem dritten Verfahrensschritt auf den Bin der (3) gleichmäßig metallisches Haftpulver (4) aufge bracht wird,
c) daß in einem vierten Verfahrensschritt auf den Bin der (3) gleichmäßig Lotpulver (5), welches eine gerin gere Teilchengröße als das Haftpulver (4) aufweist, aufgebracht wird, und
d) daß nach Trocknung des Binders (3) eine Wärmebehand lung zwecks Lötung erfolgt.

2. Verfahren zur Aufbringung einer metallischen Haftschicht für thermisch gespritzte keramische Wärmedämmschichten (6) auf metallische Bauteile (1), wobei die zu beschich tende Oberfläche in einem ersten Verfahrensschritt ge reinigt wird, so daß eine fett- und oxidfreie metalli sche Oberfläche vorliegt, und in einem zweiten Verfah rensschritt mittels Schutzgasplasmaspritzen eine oxida tions- und korrosionsfeste Schicht (8) auf der metalli schen Oberfläche erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet,

a) daß in einem dritten Verfahrensschritt ein Binder (3) auf die oxidations- und korrosionsfeste Schicht (8) aufgebracht wird,
b) daß auf den Binder (3) gleichmäßig ein grobes Haft pulver (4) der gleichen Zusammensetzung wie die oxida tions- und korrosionsfeste Schicht (8) aufgebracht wird,
c) daß nach Trocknung des Binders (3) eine Wärmebehand lung (Lösungsglühen) zwecks Bildung einer Sinterverbin dung (9) zwischen dem metallischen Bauteil (1) und der Schicht (8) bzw. zwischen der Schicht (8) und dem Haft pulver (4) erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das metallische Haftpulver (4) und das Lotpulver (5) in tensiv gemischt und danach dieses Gemisch auf die metal lische Oberfläche des Grundmaterials (2) aufgebracht wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeich net, daß gewichtsmäßig ein Mengenverhältnis von Haft pulver (4) zu Lotpulver (5) von 1 : 1 verwendet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nach erfolgter Lötung auf die Haftschicht eine dünne Schicht (7) des Haftpulvers (4) mittels Spritzverfahren, vorzugsweise Schutzgasplasmaspritzen, aufgetragen wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Lotmaterial (5) artgleiches Material wie das Grund material (2) verwendet wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß borfreie bzw. borarme Lote (5) verwendet werden.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch ge kennzeichnet, daß das Verfahren für örtlich begrenzte Reparaturzwecke angewendet wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch ge kennzeichnet, daß das Verfahren für die Beschichtung von Neuteilen angewendet wird.

10. Metallische Haftschicht für thermisch gespritzte kerami sche Wärmedämmschichten (6) auf metallischen Bauteilen (1), welche mit einem Verfahren nach Anspruch 1 herge stellt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Haft schicht aus einer die Oberfläche des metallischen Bau teiles (1) benetzenden Lotschicht (5) mit darin fest verlöteten sphärisch oder spratzig ausgebildeten Haft pulverteilchen (4) besteht.

11. Metallische Haftschicht für thermisch gespritzte kerami sche Wärmedämmschichten (6) auf metallischen Bauteilen (1), welche mit einem Verfahren nach Anspruch 5 herge stellt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Haft schicht aus einer die Oberfläche des metallischen Bau teiles (1) benetzenden Lotschicht (5) mit darin fest verlöteten sphärisch oder spratzig ausgebildeten Haft pulverteilchen (4) sowie einer dünnen gespritzten, vor zugsweise schutzgasplasmagespritzten Schicht (7) aus artgleichem Material wie die Haftpulverteilchen (4) be steht.

12. Metallische Haftschicht für thermisch gespritzte kerami sche Wärmedämmschichten (6) auf metallischen Bauteilen (1), welche mit einem Verfahren nach Anspruch 2 herge stellt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Haft schicht aus einer auf die Oberfläche des metallischen Bauteiles (1) schutzgasplasmagespritzten Schutzschicht (8) mit an deren Oberfläche angesinterten Haftpulver teilchen (4) besteht.

13. Metallische Haftschicht nach Anspruch 10 oder 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe der Haftpul verteilchen (4) der Schichtdicke der thermisch aufzu spritzenden keramischen Wärmedämmschicht (6) entspricht.