DE4238369A1 - Bauteil aus einem metallischen Grundsubstrat mit keramischer Beschichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Bauteil aus einem metallischen Grund­ substrat mit keramischer Beschichtung und ein Verfahren zu seiner Herstellung.

Metallische Bauteile mit keramischer Beschichtung sind in Triebwer­ ken im Einsatz. Die keramische Beschichtung dient dabei häufig als Wärmedämmschicht, wenn sie im wesentlichen aus Zirkoniumoxid be­ steht. Aluminium- oder Chromoxidschichten dienen als Oxidations- und Korrosionsschutzschichten.

Aufgrund der unterschiedlichen Wärmedehnung von keramischen Schich­ ten gegenüber dem metallischen Grundsubstrat ist die Rißbildung bis hin zur Ablösung der Schicht besonders bei thermisch belasteten Bauteilen mit konvex gekrümmten Oberflächen ein ständiges Problem. Dabei erfolgt die Rißbildung zeit- und thermozyklenabhängig in der Nähe und parallel zur Substratoberfläche. Ist der Riß weit genug fortgeschritten, kommt es zu großflächigen Ablösungen mit Versagen des Bauteils durch Überhitzung des Grundsubstrats oder zur Be­ schädigung anderer, benachbarter und bewegter Komponenten, was den Totalausfall eines Triebwerks zur Folge haben kann.

Bekannt ist, die Oberfläche des Grundsubstrats durch Strahlen, Ätzen oder Beschichten mittels einer Haftschicht aufzurauhen, um eine bessere mikromechanische Verklammerung der Schicht mit dem Substrat zu erreichen.

Ein weiteres Verfahren ist aus der Druckschrift "Thermal Strain Tolerant Abradable Thermal Barrier Coatings" von T.E. Strangman, veröffentlicht auf dem internationalen Kongreß zu Gasturbinen und Luftfahrtantrieben, in Orlando FL, USA, Seiten 1 bis 5, 1991 be­ kannt. Bei diesem Verfahren werden zur Mikrosegmentierung in die Substratoberfläche vor der Beschichtung Sägezahnstufen eingebracht. Beim Beschichten wird unter einem spitzen Winkel zur Substratober­ fläche eine Zirkoniumdioxidschicht derart aufgespritzt, daß sich an den Sägezahnstufen kein Material anlagern kann und dadurch ein relativ breiter Spalt entsteht. Über die entstandenen Spalten wer­ den Wärmedehnungsunterschiede ausgeglichen. Diese aufgespritzten breiten und offenen Spalten gewährleisten nicht, daß keinerlei Anrisse parallel zum Grundsubstrat beim Segmentieren auftreten, so daß die Ausfall- bzw. Ausschußrate hoch ist.

Darüber hinaus ist aus US-PS 3,068,016 bekannt, auf die Grundfläche eine vertikal ausgerichtete offene Metallstruktur wie Honigwaben aufzulöten oder zu Schweißen und dessen Zellen mit Keramik aufzu­ füllen. Das hat den Nachteil, daß die Metallstruktur der Oxidation und Korrosion ausgesetzt ist und die wärmedämmenden Eigenschaften der keramischen Schicht nicht voll genutzt werden kann, da wärme­ leitende Metallstege die Wärme direkt auf das Grundsubstrat über­ tragen. Ein weiterer Nachteil von Wabenstrukturen für dicke Be­ schichtungen ist, daß eine hohe Wabenstruktur keine opti­ male Keramikbeschichtung zuläßt, da rückprallende Gase oder Parti­ kel oder die Schattenwirkung der Zellwände einen optimalen Schicht­ aufbau behindern.

Aufgabe der Erfindung ist ein gattungsgemäßes Bauteil aus einem metallischen Grundsubstrat mit keramischer Beschichtung anzugeben, bei dem die Haftung besonders auf konvex gekrümmten Flächen ver­ bessert wird und eine senkrechte Segmentierung ohne aufgesprühte Spalten erreicht wird.

Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, daß die Substratoberfläche durch eine Vielzahl von aus einer Grundfläche herausragender Stege struk­ turiert ist, deren Höhe über der Grundfläche kleiner ist als die Dicke der Beschichtung.

Die erfindungsgemäße Strukturierung der Oberfläche des Grund­ substrats durch herausragende Stege vorzugsweise mit scharfen Kan­ ten hat den Vorteil, daß die Stege als Segmentierungsquellen zur Segmentierung der keramischen Beschichtung in senkrechter Richtung zur Grundfläche wirken. Damit überträgt sich die Strukturierung der Substratoberfläche in die darüberliegende keramische Beschichtung, deren Segmentierungsrisse in Größe Häufigkeit und Richtung den technischen Erfordernissen angepaßt werden können. Je nach thermi­ scher Belastung können sich die Risse öffnen oder schließen. Sie verhindern damit vorteilhaft Scherspannungen zwischen Grundsubstrat und keramischer Beschichtung, so daß die Gefahr von Rißbildungen parallel zur Substratoberfläche vermindert werden. Die Stege werden vorteilhaft in Bereichen der Substratoberfläche mit konvexer Krüm­ mung ein- oder aufgebracht, da diese einer erhöhten Gefahr des Abplatzens der Beschichtung bei thermischer Belastung ausgesetzt sind.

Die Haftung jedes Keramiksegmentes kann mit den bekannten Mitteln zusätzlich verbessert werden.

Bei einer bevorzugten Ausbildung der Erfindung weist die struktu­ rierte Substratoberfläche ein Streifenmuster aus Stegen auf. Ein derartiges Streifenmuster wird vorteilhaft bei Ringen oder Wellen oder anderen radial symmetrischen konvex gekrümmten Bauteilen einge­ setzt, deren radiale Wärmedehnung eine keramische Beschichtung gefährdet. Um auch die axiale Komponente der Scherspannungen abzu­ fangen, verlaufen die Streifen parallel verteilt über der Außen­ mantelfläche des Bauteils unter einem schrägen Winkel zur Achse des Bauteils.

Die strukturierte Substratoberfläche weist vorzugsweise ein Rauten­ muster aus Stegen auf, wenn die Oberfläche sphärische Krümmungen mit konvexen Bereichen wie auf der Sogseite von Schaufelblättern in Gasturbinentriebwerken besitzt.

Ein Polygon-, Waben-, Rauten- oder Kreismuster aus Stegen weist die strukturierte Substratoberfläche vorzugsweise dann auf, wenn das Bauteil extrem konvexen Krümmungen wie an Kanten mit kleinen Krüm­ mungsradien besitzt, weil diese Strukturen den Krümmungsradien vorteilhaft angepaßt werden können. Strukturen aus Polygon-, Waben-, Rauten- oder Kreismustern bilden auf der Oberfläche Zellen aus. Diese Zellen weisen vorzugsweise eine maximale Weite von 0.1 bis 10 mm auf. Die Stege bilden dabei Zellwände aus, deren Wand­ stärke vorzugsweise zwischen 0,01 mm und 0,5 mm liegt.

Die Substratoberflächenbereiche zwischen den senkrecht zur Grund­ fläche herausragenden Stegen werden vorzugsweise als konkave Mulden ausgebildet. Diese Mulden haben den Vorteil, daß sie keinen ebenen Beschichtungsboden ausbilden, so daß sich keine Pa­ rallelrisse zur Substratoberfläche, die ein Abplatzen eines Segmen­ tes verursachen würden, ausbilden können. Darüber hinaus weisen konkave Flächen eine günstigere Spannungsverteilung in der Schicht bei Wärmedehnung auf als konvexe Flächen, so daß ein Schichtab­ platzen vermieden wird.

Die senkrechten Stege können einerseits aus dem Grundsubstrat her­ ausgearbeitet oder auf das Grundsubstrat aufgebracht werden. Bei aufgebrachten Stegen besteht die strukturierte Substratoberfläche vorzugsweise aus Blechmustern, die mit der Grundfläche verbunden sind. Diese Verbindung kann eine Löt- oder Schweißverbindung sein. Dabei kann vorteilhaft die Löt- oder Schweißnaht dazu beitragen, daß die strukturierte Substratoberfläche einen muldenförmigen Boden zwischen den Stegen ausbildet. Zusätzlich kann der Boden vorzugs­ weise eine Haftschicht aufweisen, die von der keramischen Beschich­ tung bedeckt wird.

Die keramische Schicht überragt die Stege vorzugsweise um 0,05 bis 5 mm und bildet eine ebene Oberfläche. Die keramische Beschichtung weist vorzugsweise senkrecht zur Grundfläche verlaufende Segmentie­ rungsrisse in senkrechter Verlängerung der Stege auf. Das hat den Vorteil, daß die vertikalen Segmentierungsrisse eine rißstoppende Wirkung für oberflächenparallele Risse im keramischen Material ausüben.

Die keramische Beschichtung kann, falls erforderlich eine metalli­ sche Deckschicht aufweisen, die als Korrosionsschutz wirkt oder Verbundbeschichtungen tragen, die abrasive Wirkungen zeigen.

Vorzugsweise ist die keramische Beschichtung eine Wärmedämmschicht, die das Bauteil vor thermischer Überlastung schützt.

Die erfindungsgemäße Strukturierung der Grundsubstratoberfläche wird vorzugsweise für Triebwerksgehäuseringe, Triebwerksschaufeln, Triebwerkslagergehäuse oder Mantelsegmente von Einlauf- oder An­ streifringen angewandt, die eine keramische Beschichtung tragen. Diese im Triebwerksbau hochbelasteten Bauteile erhalten mit dieser gezielt segmentierten keramischen Beschichtung einen dauerhaften thermischen Schutz.

Ein Verfahren zur Herstellung eines gattungsgemäßen Bauteils hat vorzugeweise folgende Verfahrensschritte:

• a) Strukturieren der Substratoberfläche durch Ein- oder Aufbringen offener Zellen einer Struktur mit senkrecht aus der Oberfläche herausragenden Zell­ wänden als Stege und vorzugsweise konkaven Mulden als Zellböden.
• b) Beschichten der Bauteiloberfläche mit einer ge­ schlossenen keramischen Schicht, die die Stege überragt,
• c) Segmentieren der geschlossenen keramischen Schicht durch Temperaturführung beim Beschichten oder durch Wärmebehandlung.

Dieses Verfahren hat den Vorteil, daß die Bildung von Segmentie­ rungszonen und -rissen in Richtung, Erstreckung, Zellengröße und Zellenform nicht dem Zufall überlassen wird, sondern unter technischen, festigkeitsmechanischen und thermomechanischen Gesichtspunkten konstruktiv in die keramische Schicht eingebracht wird. Dabei wird der Zellenboden vorzugsweise als konkave Mulde ausgebildet, so daß vorteilhaft bei betriebsbedingter thermischer Belastung ein gegen Ablösung der Beschichtung optimaler Spannungs­ zustand im Haftbereich der Beschichtung erreicht wird.

Wird die Struktur senkrecht auf die Substratoberfläche aufgebracht, so wird vorzugsweise eine senkrecht zur Oberfläche ausgerichtete Streifen, Polygon-, Waben-, Rauten- oder Kreisstruktur aus Blechen aufgelegt und angelötet oder angeschweißt. Dabei bildet sich ein mulderförmiger Boden aus. Die Bleche werden dazu so ausgeformt, daß sie Stege mit scharfen Kanten, die als Segmentierungsquellen dienen, ausbilden, so daß bei der abschließenden Wärmebehandlung oder der Temperaturführung während der Beschichtung eine ausreichende Kerbwirkung von den Stegen ausgeht und senkrechte Segmentierungsrisse in Verlängerung der Stege entstehen läßt.

Bei einer weiteren bevorzugten Durchführung des Verfahrens wird in die Substratoberfläche ein Streifen-, Polygon-, Waben-, Rauten- oder Kreis­ muster aus Stegen eingearbeitet. Dieses kann durch mechanisches Prägen, Schleifen oder Fräsen oder auf elektrochemischem oder funkenerosivem Wege eingebracht werden. Vorzugsweise wird dabei das Grundsubstrat mit konkaven Mulden versehen und die Ränder der Mulden zu senkrechten Ste­ gen gestaltet.

Beim Beschichten der Substratoberfläche mit einer geschlossenen keramischen Schicht werden vorzugsweise senkrecht über den Stegen sich ausbildende Zonen verminderter Festigkeit eingebracht. Damit kann vorteilhaft die abschließend erwünschte Rißbildung un­ terstützt werden. Dazu müssen die Beschichtungsparameter wie Spritzwinkel, Düsenabstand oder Düsenart beispielsweise beim Spritzbeschichten oder Niederdruckplasmaspritzen entsprechend ge­ wählt werden, so daß die Beschichtung über den senkrechten Stegen erhöhte Störungen wie erhöhte Porosität oder erhöhte Laminarität aufweist.

Zum Segmentieren der geschlossenen keramischen Schicht wird das Bauteil vorzugsweise auf 200 bis 1000°C erhitzt und mit 120 bis 600°C/h auf Raumtemperatur abgekühlt. Die Heiztemperatur hängt von der Bauteiltemperatur beim Beschichten ab. Die Heiztemperatur liegt vorzugsweise um mindestens 100°C höher als die Temperatur des Grundsubstrats beim Beschichten. Beim Erhitzen dehnt sich das Grundsubstrat stärker aus als die keramische Beschichtung, wodurch Thermospannungen in der Beschichtung induziert werden, die ausge­ hend von den senkrechten Stegen als Sementierungsrißquellen durch Segmentierungsrißbildungen in senkrechter Verlängerung der Stege abgebaut werden.

Ein weiteres bevorzugtes Verfahren sieht vor, daß zur Segmentierung der Beschichtung das Bauteil während des Beschichtens auf 100 bis 800°C gehalten wird und gleichzeitig die Temperatur der aufge­ brachten Beschichtung um mindestens 100°C höher liegt. Anschließend wird die Beschichtung mit 180 bis 600°C/h schneller abgekühlt als das Grundsubstrat mit 60 bis 120°C/h. Durch die höhere Abkühlrate der Beschichtung wird vorteilhaft erreicht, daß hohe Thermo­ spannungen in der Beschichtung induziert werden, die eine Segmen­ tierungsrißbildung ausgehend von den scharfen Kanten auf dem Grundsubstrat verursachen.

Die folgenden Figuren sind Ausbildungsbeispiele der Erfin­ dung.

Fig. 1 zeigt ein metallisches Grundsubstrat mit eingear­ beiteten Mulden und senkrechten Stegen.

Fig. 2 zeigt ein Grundsubstrat mit aufgebrachten senk­ rechten Stegen und keramischer Beschichtung.

Fig. 3 zeigt eine Schaufeleintrittskante mit struktu­ rierter Oberfläche des Grundsubstrats und segmen­ tierter keramischer Beschichtung.

Fig. 1 zeigt ein metallisches Grundsubstrat 1 mit eingearbeiteten Mulden 2 und senkrechten Stegen 3 an den Rändern der Mulden 2. Die Oberfläche ist mit einer Vielzahl von senkrechten Stegen 3 in einem Rautenmuster strukturiert, wobei die maximale Diagonale einer Raute 3 mm mißt. Die Stege 3 ragen in einer Höhe h von 200 µm über die Grundfläche 4 hinaus. Der gezeigte Abschnitt eines Grundsubstrats 1 ist ein Teil eines Bauteils mit keramischer Beschichtung (nicht gezeigt), die die Mulden vollständig ausfüllt und eine Dicke auf­ weist, die wesentlich größer als die Höhe h der Stege 3 ist. Die rautenförmige Strukturierung der Oberfläche des Grundsubstrats wurde mit einem Schmiedewerkzeug eingeprägt.

Fig. 2 zeigt ein Grundsubstrat 1 mit aufgebrachten Stegen 3 und keramischer Beschichtung 5. Zur Herstellung dieses Bauteils 6 aus einem metallischen Grundsubstrat 1 mit keramischer Beschichtung 5 wird zunächst die Substratoberfläche 7 durch Aufbringen von Stegen 3 strukturiert. Dazu werden Bleche 8 einer Höhe h von 1,5 mm in einem Abstand von 5 mm auf die Substratoberfläche 7 in einem Strei­ fenmuster aufgelötet. Das Lot 9 bildet am Fuß eines jeden Bleches 8 eine Raupe, die den Boden eines jeden Streifens muldenartig aus­ formt. Die Oberkanten der Bleche 8 werden nach dem Anlöten ge­ schliffen, so daß sie scharfe Grate bilden.

Anschließend wird die Oberfläche des strukturierten Grundsubstrats 1 mit einer geschlossenen keramischen Schicht 5 aus Yttrium­ stabilisiertem Zirkoniumdioxid plasmagespritzt. Das strukturierte Grundsubstrat 1 wird beim Beschichten auf 350°C gehalten. Die senk­ rechten Stege 3 werden dabei von der keramischen Schicht 5, die eine Schichtdicke d von 3 mm erreicht, überragt. Bereits beim Spritzprozeß bilden sich über den Stegen 3 der Bleche 8 Zonen 10 geringerer Festigkeit durch erhöhte Porenbildung aus.

Abschließend wird die geschlossene keramische Schicht 5 durch Wär­ mebehandlung segmentiert. Dazu wird das Bauteil 6 auf 600°C erhitzt und mit 180°C/h auf Raumtemperatur abgekühlt. Schon beim Aufheizen entstehen in Verlängerung der senkrechten Stege 3 Segmentierungs­ risse, die sich bis an die Beschichtungsoberfläche 11 fortsetzen.

Das Bauteil 6 ist in diesem Fall ein geschlossener Mantelring einer Turbinenstufe aus einer Titanbasislegierung.

Fig. 3 zeigt eine Schaufeleintrittskante 12 im Querschnitt, die extrem konvex gekrümmt ist und deshalb für keramische Beschichtun­ gen ein erhöhtes Haftungsrisiko aufweist. Diese konvex gekrümmte Substratoberfläche mit ungünstiger Spannungsverteilung bei thermi­ scher Belastung zwischen Grundsubstrat 1 und Beschichtung wird mit der Strukturierung der Oberfläche 7 des Grundsubstrats 1 in eine in Mikrobereichen konkav gekrümmte Oberfläche überführt und mitsegmen­ tierter keramischer Beschichtung 5 versehen. Die gezielt einge­ brachten Segmentierungsrisse 13 der Beschichtung 5 über den senk­ rechten Stegen 3 verbreitern sich bei Betriebstemperaturen und schließen sich bei Raumtemperatur, ohne daß sich Risse parallel zur Substratoberfläche ausbilden.

Ein Versagen der Keramikschicht 5 ist nur noch möglich, wenn sich im Betrieb Schmelztröpfchen oder Partikel auf die Seg­ mentierungsrisse 13 setzen und ein Schließen der Segmentie­ rungsrisse 13 beim Abkühlen auf Raumtemperatur behindern. Des­ halb kann zum Schutz eine dünne metallische Deckschicht auf die Keramikschicht 5 aufgebracht werden, die bei Betriebstem­ peratur ausreichend duktil oder elastisch ist und das Öff­ nen und Schließen der Segmentierungsrisse 13 nicht behindert, aber ein Eindringen von Fremdstoffen verhindert.

Claims (17)

1. Bauteil aus einem metallischen Grundsubstrat mit keramischer Beschichtung, dadurch gekennzeichnet, daß die Substratoberfläche (7) durch eine Vielzahl von aus einer Grundfläche (4) senkrecht herausragender Stege (3) strukturiert ist, deren Höhe über der Grundfläche (4) kleiner ist als die Dicke der Beschichtung (5).

2. Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die struk­ turierte Substratoberfläche (7) ein Streifenmuster aus Stegen (3) aufweist.

3. Bauteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die strukturierte Substratoberfläche (7) ein Rautenmuster aus Stegen (3) aufweist.

4. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die strukturierte Substratoberfläche (7) ein Polygon-, Waben- oder Kreismuster aus Stegen (3) aufweist.

5. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die strukturierte Substratoberfläche (7) aus kon­ kaven Mulden (2) besteht, deren Ränder senkrecht aus der Substrato­ berfläche (7) herausragende Stege (3) aufweisen.

6. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die strukturierte Substratoberfläche aus Blechmu­ stern besteht, die mit der Grundfläche (4) verbunden sind.

7. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Grundsubstrat (1) eine Haftschicht aufweist, die von der keramischen Beschichtung (5) bedeckt wird.

8. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die keramische Beschichtung (5) senkrecht zur Grundfläche (4) verlaufende Segmentierungsrisse in senkrechter Verlängerung der Stege (3) aufweist.

9. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die keramische Beschichtung (5) eine Wärme­ dämmschicht ist.

10. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Bauteil (6) ein Triebwerksgehäusering, eine Triebwerksschaufel, ein Triebwerkslagergehäuse oder ein Mantelseg­ ment eines Einlauf- oder Anstreifringes ist.

11. Verfahren zur Herstellung eines Bauteils nach einem der Ansprüche 1 bis 10, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

• a) Strukturieren der Substratoberfläche (7) durch Ein- oder Aufbringen offener Zellen einer Struktur mit senkrecht aus der Oberfläche herausragenden Zellwänden als Stege (3) und vor­ zugsweise konkaven Mulden (2) als Zellböden.
• b) Beschichten der Bauteiloberfläche mit einer geschlossenen keramischen Schicht (5) die die Stege (3) überragt,
• c) Segmentieren der geschlossenen keramischen Schicht (5) durch Temperaturführung beim Beschichten oder durch Wärmebehandlung.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß auf die Substratoberfläche (7) eine senkrecht zur Oberfläche ausgerichteten Streifen-, Polygon-, Waben-, Rauten- oder Kreisstruktur aus Stegen (3) aufgebracht wird.

13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß in die Substratoberfläche (7) ein Streifen, Polygon-, Waben-, Rauten- oder Kreismuster aus Stegen (3) eingearbeitet wird.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die strukturierte Substratoberfläche (7) mit konkaven Mulden (2) durch Einarbeiten in die Substratoberfläche (7) oder durch Aufbringen auf die Substratoberfläche (7) ausgestaltet wird.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch ge­ kennzeichnet, daß beim Beschichten der Substratoberfläche (7) mit einer geschlossenen keramischen Schicht (5) Zonen (10) senkrecht über den Stegen (3) ausgebildet werden, die eine verminderte Fe­ stigkeit aufweisen.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zum Segmentieren der geschlossenen keramischen Schicht (5) das Bauteil (6) auf 200 bis 1000°C erhitzt und mit 120 bis 600°C/h auf Raumtemperatur abgekühlt wird.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 16, dadurch gekennzeich­ net, daß zur Segmentierung das Bauteil während des Beschichtens auf 100 bis 800°C gehalten wird während die Temperatur der aufgebrach­ ten Beschichtung (5) um mindestens 100°C höher liegt und anschlie­ ßend die Beschichtung mit 180 bis 300°C/h schneller abgekühlt wird als das Grundsubstrat (1) mit 60 bis 120°C/h.