DE4238369A1 - Component made of a metallic base substrate with a ceramic coating - Google Patents

Component made of a metallic base substrate with a ceramic coating

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Description

Die Erfindung betrifft ein Bauteil aus einem metallischen Grund­ substrat mit keramischer Beschichtung und ein Verfahren zu seiner Herstellung.The invention relates to a component made of a metallic base Substrate with a ceramic coating and a process for its Manufacturing.

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.Metallic components with a ceramic coating are in use ken in use. The ceramic coating often serves as Thermal insulation layer, if it consists essentially of zirconium oxide stands. Aluminum or chrome oxide layers serve as oxidation and anti-corrosion layers.

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. Due to the different thermal expansion of ceramic layers compared to the metallic base substrate, the crack formation is up to towards the detachment of the layer, especially in the case of thermally stressed Components with convex curved surfaces are a constant problem. The cracking takes place in the time and thermal cycle Proximity and parallel to the substrate surface. The crack is wide enough advanced, there are large-scale detachments with failure of the component by overheating the base substrate or for loading damage to other, neighboring and moving components, which Total failure of an engine can result.  

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.It is known the surface of the base substrate by blasting, Etch or coat using an adhesive layer to roughen better micromechanical clamping of the layer with the To reach substrate.

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.Another method is from the publication "Thermal Strain Tolerant Abradable Thermal Barrier Coatings "by T.E. Strangman, published at the international congress on gas turbines and Luftfahrtantrtrieb, in Orlando FL, USA, pages 1 to 5, 1991 be knows. This method uses micro-segmentation in the Saw tooth steps introduced before the coating of the substrate. When coating, the substrate top is at an acute angle A zirconia layer sprayed on in such a way that no saw material can accumulate in the saw tooth steps and thereby relatively wide gap arises. About the resulting columns who compensated for the differences in thermal expansion. These sprayed on wide and open columns do not guarantee that none Cracks occur parallel to the base substrate during segmentation, see above that the failure rate is high.

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.In addition, it is known from US-PS 3,068,016 on the base a vertically oriented open metal structure like honeycombs solder or weld and open up its cells with ceramics to fill. This has the disadvantage that the metal structure of the oxidation and is exposed to corrosion and thermal insulation properties the ceramic layer cannot be fully used because of the heat conductive metal bars transfer the heat directly to the base substrate wear. Another disadvantage of honeycomb structures for thick Be layers is that a high honeycomb structure does not opti  male ceramic coating allows, since rebounding gases or Parti or the shadow effect of the cell walls create an optimal layer hinder construction.

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.The object of the invention is a generic component from a specify metallic base substrate with ceramic coating, where the adhesion ver. especially on convex curved surfaces is improved and a vertical segmentation without sprayed Columns is reached.

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.This problem is solved in that the substrate surface by a multitude of webs protruding from a base area is tured, the height of which is smaller than the base area Coating thickness.

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. The structuring of the surface of the bottom according to the invention by means of protruding webs, preferably with sharp channels ten has the advantage that the webs serve as segmentation sources Segmentation of the ceramic coating in the vertical direction to the base area. This transfers the structuring of the Substrate surface in the overlying ceramic coating, whose segmentation cracks in size frequency and direction technical requirements can be adapted. Depending on the thermi The cracks can open or close under high loads. they thus advantageously prevent shear stresses between the base substrate and ceramic coating, so there is a risk of cracking can be reduced parallel to the substrate surface. The bridges will advantageous in areas of the substrate surface with convex curvature tion applied or applied, as this increases the risk of Chipping of the coating exposed to thermal stress are.  

Die Haftung jedes Keramiksegmentes kann mit den bekannten Mitteln zusätzlich verbessert werden.The adhesion of each ceramic segment can be done with the known means can also be improved.

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.In a preferred embodiment of the invention, the struktu striated substrate surface a stripe pattern of webs. A such a stripe pattern is advantageous for rings or waves or other radially symmetrical convex curved components sets, whose radial thermal expansion is a ceramic coating at risk. To also reduce the axial component of the shear stresses catch, the stripes are distributed in parallel across the outside surface of the component at an oblique angle to the axis of the Component.

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.The structured substrate surface preferably has a diamond Patterns from webs if the surface has spherical curvatures with convex areas like on the suction side of blades in Owns gas turbine engines.

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.A polygon, honeycomb, diamond or circular pattern made of webs shows that structured substrate surface preferably when the Component of extremely convex curvatures as on edges with small bends mung radii because these structures have the radii of curvature can be adapted advantageously. Structures from polygon, Honeycomb, diamond or circular patterns form cells on the surface out. These cells preferably have a maximum width of 0.1 up to 10 mm. The webs form cell walls, the wall of which thickness is preferably between 0.01 mm and 0.5 mm.

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.The substrate surface areas between those perpendicular to the bottom Outstanding webs are preferably called concave  Hollows formed. These troughs have the advantage that they do not form a flat coating floor, so that no Pa parallel cracks to the substrate surface, which is a flaking of a segment tes would be able to train. In addition point concave surfaces a more favorable stress distribution in the layer with thermal expansion on as convex surfaces, so that a layer ab bursting is avoided.

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.The vertical webs can be made from the base substrate elaborated or applied to the base substrate. At applied webs there is the structured substrate surface preferably from sheet metal samples connected to the base are. This connection can be a soldered or welded connection. The soldered or welded seam can advantageously contribute to that the structured substrate surface has a trough-shaped bottom between the webs. In addition, the floor can be preferred wise have an adhesive layer by the ceramic coating tion is covered.

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.The ceramic layer preferably projects over the webs by 0.05 to 5 mm and forms a flat surface. The ceramic coating preferably has a segmentie running perpendicular to the base area cracks in the vertical extension of the webs. That has the Advantage that the vertical segmentation cracks stop cracking Effect for surface-parallel cracks in the ceramic material exercise.

Die keramische Beschichtung kann, falls erforderlich eine metalli­ sche Deckschicht aufweisen, die als Korrosionsschutz wirkt oder Verbundbeschichtungen tragen, die abrasive Wirkungen zeigen. The ceramic coating can, if necessary, a metallic have a top layer that acts as a corrosion protection or Wear composite coatings that show abrasive effects.  

Vorzugsweise ist die keramische Beschichtung eine Wärmedämmschicht, die das Bauteil vor thermischer Überlastung schützt.The ceramic coating is preferably a thermal barrier coating, which protects the component from thermal overload.

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.The structuring of the base substrate surface according to the invention is preferably used for engine housing rings, engine blades, Engine bearing housings or shell segments from inlet or an rubbing rings applied, which have a ceramic coating. These components, which are highly stressed in engine construction, are preserved with this targeted segmented ceramic coating a permanent thermal protection.

Ein Verfahren zur Herstellung eines gattungsgemäßen Bauteils hat vorzugeweise folgende Verfahrensschritte:Has a method for producing a generic component preferably the following procedural steps:

  • 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.a) Structuring the substrate surface by or applying open cells of a structure with cell protruding vertically from the surface walls as webs and preferably concave troughs as cell floors.
  • b) Beschichten der Bauteiloberfläche mit einer ge­ schlossenen keramischen Schicht, die die Stege überragt,b) coating the component surface with a ge closed ceramic layer covering the webs towering over
  • c) Segmentieren der geschlossenen keramischen Schicht durch Temperaturführung beim Beschichten oder durch Wärmebehandlung.c) segmenting the closed ceramic Layer through temperature control during coating or by heat treatment.

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.This method has the advantage that the formation of segmentia Zones and cracks in the direction, extension, cell size  and cell shape is not left to chance, but under technical, mechanical strength and thermomechanical Considerations introduced constructively in the ceramic layer becomes. The cell bottom is preferably a concave trough trained so that advantageous in operational thermal Stress an optimal tension against detachment of the coating condition in the adhesive area of the coating is reached.

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.If the structure is applied vertically to the substrate surface, then is preferably a strip aligned perpendicular to the surface, Polygon, honeycomb, diamond or circular structure made of sheet metal and soldered or welded on. A trough-shaped bottom is formed out. For this purpose, the sheets are shaped in such a way that they have ridges with sharp edges Form edges that serve as segmentation sources, so that the final heat treatment or temperature control during the Coating has a sufficient notch effect from the webs and vertical segmentation cracks occur in the extension of the webs leaves.

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.In a further preferred implementation of the method, the A stripe, polygon, honeycomb, diamond or circle surface Patterns made from webs. This can be done by mechanical stamping, Grinding or milling or on electrochemical or spark erosive Paths are introduced. The base substrate is preferably included concave troughs and the edges of the troughs to vertical Ste gen designed.

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.When coating the substrate surface with a closed one ceramic layer are preferably perpendicular to the  Ridges of reduced strength are formed. Thus, the desired cracking can be advantageous be supported. To do this, the coating parameters such as Spray angle, nozzle spacing or type of nozzle, for example at Spray coating or low pressure plasma spraying accordingly be selected so that the coating over the vertical webs increased disorders such as increased porosity or increased laminarity having.

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.This is used to segment the closed ceramic layer Component preferably heated to 200 to 1000 ° C and with 120 to 600 ° C / h cooled to room temperature. The heating temperature depends on the component temperature during coating. The heating temperature is preferably at least 100 ° C higher than the temperature of the Base substrate when coating. This expands when heated Base substrate stronger than the ceramic coating, which means Thermal stresses are induced in the coating starting from the vertical webs as sources of cracking Segmentation cracks in the vertical extension of the webs be dismantled.

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.Another preferred method provides for segmentation the coating the component during coating to 100 to Is kept at 800 ° C and at the same time the temperature of the brought coating is at least 100 ° C higher. Subsequently the coating is cooled faster than 180 to 600 ° C / h the base substrate at 60 to 120 ° C / h. Due to the higher cooling rate the coating is advantageously achieved that high thermo tensions are induced in the coating, which is a segmen Formation of cracks from the sharp edges  cause the base substrate.

Die folgenden Figuren sind Ausbildungsbeispiele der Erfin­ dung.The following figures are training examples of the Erfin dung.

Fig. 1 zeigt ein metallisches Grundsubstrat mit eingear­ beiteten Mulden und senkrechten Stegen. Fig. 1 shows a metallic base substrate with machined troughs and vertical webs.

Fig. 2 zeigt ein Grundsubstrat mit aufgebrachten senk­ rechten Stegen und keramischer Beschichtung. Fig. 2 shows a base substrate with applied vertical right webs and ceramic coating.

Fig. 3 zeigt eine Schaufeleintrittskante mit struktu­ rierter Oberfläche des Grundsubstrats und segmen­ tierter keramischer Beschichtung. Fig. 3 shows a blade leading edge with a structured surface of the base substrate and segmen tiert ceramic coating.

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. 1 shows a metallic base substrate 1 with incorporated wells 2 and vertical webs 3 at the edges of the wells 2. The surface is structured with a plurality of vertical webs 3 in a diamond pattern, the maximum diagonal of a diamond measuring 3 mm. The webs 3 project at a height h of 200 μm beyond the base area 4 . The section of a base substrate 1 shown is part of a component with a ceramic coating (not shown) which completely fills the depressions and has a thickness which is substantially greater than the height h of the webs 3 . The diamond-shaped structuring of the surface of the base substrate was embossed with a forging tool.

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. Fig. 2 shows a basic substrate 1 with applied webs 3 and the ceramic coating layer 5. To manufacture this component 6 from a metallic base substrate 1 with a ceramic coating 5 , the substrate surface 7 is first structured by applying webs 3 . For this purpose, sheets 8 having a height h of 1.5 mm are soldered onto the substrate surface 7 in a strip pattern at a distance of 5 mm. The solder 9 forms a caterpillar at the foot of each sheet 8 , which trough-shaped forms the bottom of each strip. The upper edges of the sheets 8 are ground after soldering, so that they form sharp burrs.

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.The surface of the structured base substrate 1 is then plasma-sprayed with a closed ceramic layer 5 made of yttrium-stabilized zirconium dioxide. The structured base substrate 1 is kept at 350 ° C. during coating. The vertical right webs 3 are surmounted by the ceramic layer 5 , which reaches a layer thickness d of 3 mm. Already during the spraying process, zones 10 of lower strength are formed above the webs 3 of the sheets 8 due to increased pore formation.

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.Finally, the closed ceramic layer 5 is segmented by heat treatment. For this purpose, component 6 is heated to 600 ° C and cooled to room temperature at 180 ° C / h. Already when heating up 3 segmentation cracks arise in the extension of the vertical webs, which continue to the coating surface 11 .

Das Bauteil 6 ist in diesem Fall ein geschlossener Mantelring einer Turbinenstufe aus einer Titanbasislegierung.In this case, component 6 is a closed jacket ring of a turbine stage made of a titanium-based alloy.

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. Fig. 3 shows a blade leading edge 12 in cross section, which is extremely convexly curved and therefore has an increased liability risk for ceramic coatings. This convexly curved substrate surface with unfavorable stress distribution under thermal stress between the base substrate 1 and the coating is transferred with the structuring of the surface 7 of the base substrate 1 into a concavely curved surface in micro areas and provided with a ceramic coating 5 . The targeted introduced segmentation cracks 13 of the coating 5 over the perpendicular right webs 3 widen at operating temperatures and close at room temperature without cracks forming parallel to the substrate surface.

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.A failure of the ceramic layer 5 is only possible if mentierungsrisse in operation melt droplets or particles on the Seg set 13 and a closing of the segmentation approximately cracks hinder to room temperature 13 during cooling. Half can be applied to protect a thin metallic cover layer on the ceramic layer 5 , which is sufficiently ductile or elastic at operating temperature and does not impede the opening and closing of the segmentation cracks 13 , but prevents the penetration of foreign substances.

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).1. Component made of a metallic base substrate with a ceramic coating, characterized in that the substrate surface ( 7 ) is structured by a plurality of webs ( 3 ) projecting vertically from a base area ( 4 ), the height of which above the base area ( 4 ) is less than the thickness of the coating ( 5 ). 2. Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die struk­ turierte Substratoberfläche (7) ein Streifenmuster aus Stegen (3) aufweist.2. Component according to claim 1, characterized in that the structured substrate surface ( 7 ) has a striped pattern of webs ( 3 ). 3. Bauteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die strukturierte Substratoberfläche (7) ein Rautenmuster aus Stegen (3) aufweist.3. Component according to claim 1 or 2, characterized in that the structured substrate surface ( 7 ) has a diamond pattern of webs ( 3 ). 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.4. Component according to one of claims 1 to 3, characterized in that the structured substrate surface ( 7 ) has a polygon, honeycomb or circular pattern of webs ( 3 ). 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.5. Component according to one of claims 1 to 4, characterized in that the structured substrate surface ( 7 ) consists of concave troughs ( 2 ), the edges of which perpendicular to the substrate surface ( 7 ) have projecting webs ( 3 ). 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.6. Component according to one of claims 1 to 5, characterized in that the structured substrate surface consists of Blechmu star, which are connected to the base ( 4 ). 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.7. Component according to one of claims 1 to 6, characterized in that the base substrate ( 1 ) has an adhesive layer which is covered by the ceramic coating ( 5 ). 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.8. Component according to one of claims 1 to 7, characterized in that the ceramic coating ( 5 ) perpendicular to the base surface ( 4 ) has segmentation cracks in a vertical extension of the webs ( 3 ). 9. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die keramische Beschichtung (5) eine Wärme­ dämmschicht ist.9. Component according to one of claims 1 to 8, characterized in that the ceramic coating ( 5 ) is a heat insulation layer. 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.10. Component according to one of claims 1 to 9, characterized in that the component ( 6 ) is an engine housing ring, an engine blade, an engine bearing housing or a jacket segment of an inlet or abrasion ring. 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.
11. A method for producing a component according to one of claims 1 to 10, characterized by the following method steps:
  • a) Structuring the substrate surface ( 7 ) by introducing or applying open cells of a structure with cell walls protruding vertically from the surface as webs ( 3 ) and preferably concave depressions ( 2 ) as cell bottoms.
  • b) coating the component surface with a closed ceramic layer ( 5 ) which projects above the webs ( 3 ),
  • c) segmenting the closed ceramic layer ( 5 ) by temperature control during coating or by heat treatment.
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.12. The method according to claim 11, characterized in that on the substrate surface ( 7 ) a perpendicular to the surface aligned stripe, polygon, honeycomb, diamond or circular structure of webs ( 3 ) is applied. 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.13. The method according to claim 11 or 12, characterized in that in the substrate surface ( 7 ) a strip, polygon, honeycomb, diamond or circular pattern of webs ( 3 ) is incorporated. 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.14. The method according to any one of claims 11 to 13, characterized in that the structured substrate surface ( 7 ) with concave depressions ( 2 ) by working into the substrate surface ( 7 ) or by application to the substrate surface ( 7 ) is designed. 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.15. The method according to any one of claims 11 to 14, characterized in that when coating the substrate surface ( 7 ) with a closed ceramic layer ( 5 ) zones ( 10 ) are formed vertically above the webs ( 3 ), which have a reduced Fe stability exhibit. 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.16. The method according to any one of claims 1 to 15, characterized in that for segmenting the closed ceramic layer ( 5 ), the component ( 6 ) is heated to 200 to 1000 ° C and cooled to 120 to 600 ° C / h to room temperature . 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.17. The method according to any one of claims 11 to 16, characterized in that for the segmentation the component is kept at 100 to 800 ° C during the coating while the temperature of the applied coating ( 5 ) is at least 100 ° C higher and then The coating is cooled faster at 180 to 300 ° C / h than the base substrate ( 1 ) at 60 to 120 ° C / h.
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