EP1445040A1 - Verfahren zur Entfernung mindestens einer spröden Schicht von einem Substrat - Google Patents

Verfahren zur Entfernung mindestens einer spröden Schicht von einem Substrat Download PDF

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EP1445040A1
EP1445040A1 EP03000755A EP03000755A EP1445040A1 EP 1445040 A1 EP1445040 A1 EP 1445040A1 EP 03000755 A EP03000755 A EP 03000755A EP 03000755 A EP03000755 A EP 03000755A EP 1445040 A1 EP1445040 A1 EP 1445040A1
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EP
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layer
substrate
brittle
temperature
room temperature
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Withdrawn
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EP03000755A
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English (en)
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Inventor
Beate Heimberg
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Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Publication date
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23G—CLEANING OR DE-GREASING OF METALLIC MATERIAL BY CHEMICAL METHODS OTHER THAN ELECTROLYSIS
    • C23G5/00—Cleaning or de-greasing metallic material by other methods; Apparatus for cleaning or de-greasing metallic material with organic solvents
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B08—CLEANING
    • B08B—CLEANING IN GENERAL; PREVENTION OF FOULING IN GENERAL
    • B08B7/00—Cleaning by methods not provided for in a single other subclass or a single group in this subclass
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B08—CLEANING
    • B08B—CLEANING IN GENERAL; PREVENTION OF FOULING IN GENERAL
    • B08B7/00—Cleaning by methods not provided for in a single other subclass or a single group in this subclass
    • B08B7/0064—Cleaning by methods not provided for in a single other subclass or a single group in this subclass by temperature changes

Definitions

  • the invention relates to a method for removal at least a brittle layer of a substrate according to claim 1.
  • a layer system consists of a substrate and at least a layer which is arranged on the substrate.
  • the object is achieved by a method according to claim 1.
  • Figure 1 shows a layer system in a first step of inventive method.
  • the layer system 1 consists of a substrate 4 and at least a layer 7 which is arranged on the substrate 4, and is used, for example, for gas turbine parts (blades).
  • the substrate 4 can be a ceramic or a metal, in particular a cobalt or nickel based superalloy.
  • the layer 7 can also be made of a metallic or ceramic Be formed material, but the metallic Layer due to corrosion or oxidation, for example has become brittle so that it exhibits brittle fracture behavior.
  • Figure 2 shows the layer system in a further process step.
  • the layer system has been brought to a temperature much higher than the room temperature (T »RT).
  • T »RT room temperature
  • the temperature difference is at least 200K, but preferably about 500K.
  • layer systems which have just been produced and are still warm, the layers of which have been incorrectly produced and are obviously not usable, do not have to be cooled down at all (FIG. 1) in order to achieve this process state.
  • the heating step is therefore completely omitted or less.
  • FIG. 3 shows the layer system 1 in a further process step.
  • the layer system 1 has been cooled very quickly to room temperature after the temperature which is very much above room temperature has been reached.
  • the at least one layer 7 at least partially flakes off the substrate 4 due to the greatly different thermal expansions of the substrate 4 and the layer 7. It is even possible for the layer 7 to crumble into many individual parts.
  • Air cooling, compressed air or dry ice blasting can be used for cooling.
  • the layer system 1 can be highly heated by thermal shocks and be cooled to room temperature, however it is also possible, the layer system only moderately above room temperature to heat and then to a temperature well below the room temperature, for example in liquid nitrogen (77K) cool down.
  • 77K liquid nitrogen
  • FIG. 4 shows a further component in the form of a layer system 1 which has been treated with the method according to the invention.
  • the layer system 1 consisted of a substrate 4 and two layers 7, 10.
  • the substrate 4 consists, for example, of a nickel- or cobalt-based superalloy with a metallic MCrAlY layer, where M stands for element from the group iron, cobalt or nickel.
  • An aluminum oxide layer 7, for example, has grown on the MCrAlY layer as part of the substrate 4.
  • a ceramic thermal insulation layer 10 is applied to this layer 7. During the operational use of the layer system 1, the aluminum oxide layer 7 grows and also ages, so that there are microcracks and pores within the aluminum oxide layer 7. As a result, the adhesion of the ceramic thermal barrier coating 10 to the substrate is reduced.
  • the substrate 4 is not damaged in this method and can be re-coated with a ceramic thermal barrier coating become.
  • Figure 5 shows schematically why it is in the implementation of the inventive method for a separation between the Layer 7 and the substrate 4 comes.
  • Layer 7 faces due to its growth and aging Micro cracks and larger cracks and is or has been therefore brittle.
  • this layer In order to remove a layer with the method according to the invention To be able to, this layer must be in thermal shock Have brittle fracture behavior. Even if layer 7, the should be removed, not brittle behavior from the outset shows, it can often be done in a pretreatment Sandblasting or aging at sufficiently high temperatures or transformed into a brittle material in an aggressive environment to be successful in the process of the invention to be able to perform.

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Abstract

Verfahren zur Entfernung von zumindest einer Schicht von einem Substrat nach dem Stand der Technik haben den Nachteil, dass das Substrat in ungewünschter Weise beschädigt wird. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht die Entfernung zumindest einer spröden Schicht (7,10) von einem Substrat durch einen Thermoschock, wobei das Substrat (4) nicht geschädigt wird. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Entfernung mindestens einer spröden Schicht von einem Substrat gemäß Anspruch 1.
Ein Schichtsystem besteht aus einem Substrat und zumindest einer Schicht, die auf dem Substrat angeordnet ist.
In verschiedenen Verfahrensschritten bei der Herstellung eines Bauteils, das ein Schichtsystem aufweist, ist es notwendig, die Schicht von dem Substrat zu entfernen.
Dies kann schon direkt nach dem Aufbringen der Schicht auf das Substrat notwendig sein, weil sich herausgestellt hat, dass die Schicht nicht die gewünschten Eigenschaften aufweist und daher das Substrat nochmals für eine Beschichtung verwendet werden soll.
Ebenso ist es möglich, dass das Schichtsystem während eines Einsatzes des Bauteils degradiert ist und die gewünschten Eigenschaften nicht mehr aufweist, so dass die Schicht entfernt werden muss, um eine neue Schicht auf das Substrat aufzubringen.
Zur Entfernung von Schichten auf einem Substrat sind verschiedene Verfahren wie das Säurestrippen oder das Sandstrahlen bekannt.
Bei diesen bekannten Verfahren kommt es jedoch vielfach zu einer unzulässig oder unerwünscht starken Schädigung des Substrats. Da jedoch das Substrat wieder verwendet werden soll, ist dies sehr nachteilig.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, o. g. Problem zu überwinden.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1.
In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Verfahrensschritte aufgelistet.
Die in den Unteransprüchen aufgelisteten Maßnahmen können in vorteilhafter Weise miteinander kombiniert werden.
Es zeigen
  • Figur 1, 2, 3 verschiedene Verfahrensschritte eines erfindungsgemäßen Verfahrens,
  • Figur 4 ein Bauteil, das mit dem erfindungsgemäßen Verfahren behandelt worden ist, und
  • Figur 5 eine schematische Darstellung eines Bauteils, um den Wirkungsmechanismus des erfindungsgemäßen Verfahrens zu erklären.
    • Figur 1 zeigt ein Schichtsystem in einem ersten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens.
    Das Schichtsystem 1 besteht aus einem Substrat 4 und zumindest einer Schicht 7, die auf dem Substrat 4 angeordnet ist, und wird bspw. für Gasturbinenteile (Schaufeln) verwendet.
    Das Substrat 4 kann eine Keramik oder ein Metall, insbesondere eine Superlegierung auf Kobalt- oder Nickelbasis, sein.
    Die Schicht 7 kann ebenso aus einem metallischen oder keramischen Werkstoff gebildet sein, wobei jedoch die metallische Schicht beispielsweise aufgrund von Korrosion oder Oxidation spröde geworden ist, so dass sie ein Sprödbruchverhalten aufweist. Das Schichtsystem 1 weist in diesem Zustand eine Temperatur nahe der Raumtemperatur auf (T = RT).
    Figur 2 zeigt das Schichtsystem in einem weiteren Verfahrensschritt.
    In einem weiteren Verfahrensschritt ausgehend von Figur 1 ist das Schichtsystem auf eine Temperatur sehr viel größer als die Raumtemperatur (T » RT) gebracht worden. Der Temperaturunterschied beträgt mindestens 200K, vorzugsweise jedoch etwa 500K.
    Dagegen müssen gerade hergestellte, noch warme, Schichtsysteme, deren Schichten fehlerhaft hergestellt und erkennbar nicht verwendbar sind, gar nicht erst abgekühlt werden (Fig. 1), um diesen Verfahrenszustand zu erreichen. Der Erwärmungsschritt entfällt hierbei also völlig oder fällt geringer aus.
    Figur 3 zeigt das Schichtsystem 1 in einem weiteren Verfahrensschritt.
    Ausgehend von Figur 2 ist das Schichtsystem 1 nach Erreichen der sehr stark über der Raumtemperatur liegenden Temperatur sehr schnell auf Raumtemperatur abgekühlt worden.
    Bei dem Abkühlen kommt es aufgrund von stark unterschiedlichen thermischen Dehnungen von Substrat 4 und Schicht 7 zumindest teilweise zum Abplatzen der zumindest einen Schicht 7 von dem Substrat 4. Dabei ist es sogar möglich, dass die Schicht 7 in viele Einzelteile zerbröselt.
    Zum Abkühlen kann Luftkühlung, Pressluft oder Trockeneisstrahlung verwendet werden.
    Zum Erreichen eines ausreichend großen Temperaturunterschiedes zur Bewirkung eines zum Abplatzen der Beschichtung führenden Thermoschocks kann das Schichtsystem 1 hoch aufgeheizt werden und auf Raumtemperatur abgekühlt werden, jedoch ist es ebenso möglich, das Schichtsystem nur mäßig über Raumtemperatur zu erhitzen und dann auf eine Temperatur deutlich unterhalb der Raumtemperatur, beispielsweise in flüssigem Stickstoff (77K) abzukühlen.
    Figur 4 zeigt ein weiteres Bauteil in Form eines Schichtsystems 1, das mit dem erfindungsgemäßen Verfahren behandelt worden ist.
    Das Schichtsystem 1 bestand aus einem Substrat 4 und zwei Schichten 7, 10.
    Werden die Behandlungsschritte gemäß Figur 1, 2, 3 durchgeführt, kommt es zu einem Bruch innerhalb der Schicht 7. Dies kann gewünscht sein, wenn eine neue Schicht 10 auf der Schicht 7 aufgebracht werden soll. Ebenso ist es möglich durch Einstellung der Verfahrensparameter (Temperaturunterschied, einseitiges Kühlen), dass es zu einem Abplatzen der Schicht 7 im Bereich der Grenzfläche 13 zwischen Schicht 7 und Substrat 4 kommt.
    Das Substrat 4 besteht bspw. aus einer nickel- oder kobaltbasierten Superlegierung mit einer metallischen MCrAlY-Schicht, wobei M für Element der Gruppe Eisen, Kobalt oder Nickel steht. Auf der MCrAlY-Schicht ist als ein Teil des Substrats 4 bspw. eine Aluminiumoxid-Schicht 7 gewachsen. Auf diese Schicht 7 ist eine keramische Wärmedämmschicht 10 aufgebracht.
    Während des betrieblichen Einsatzes des Schichtsystems 1 wächst die Aluminiumoxid-Schicht 7 und altert auch, so dass es zu Mikrorissen und Poren innerhalb der Aluminiumoxid-Schicht 7 kommt. Dadurch wird die Haftung der keramischen Wärmedämmschicht 10 auf dem Substrat verringert.
    Zur Vorbereitung einer Wiederaufarbeitung des Substrats wird das Schichtsystem dann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren behandelt.
    Das Substrat 4 wird bei diesem Verfahren nicht geschädigt und kann wieder neu mit einer keramischen Wärmedämmschicht beschichtet werden.
    Figur 5 zeigt schematisch, warum es bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zu einer Trennung zwischen der Schicht 7 und dem Substrat 4 kommt.
    Die Schicht 7 weist aufgrund ihres Wachstums und ihrer Alterung Mikrorisse und größere Risse auf und ist bzw. wurde daher spröde.
    Bei Erzeugung eines ausreichend großen Thermoschock, wie er im normalen Betrieb jedoch nicht auftritt, wachsen diese Risse spontan, so dass es zu großflächig verteilten Brüchen dieser spröden Schicht 7 führt.
    Um also mit dem erfindungsgemäßen Verfahren eine Schicht entfernen zu können, muss diese Schicht im Thermoschock ein Sprödbruchverhalten aufweisen. Auch wenn die Schicht 7, die entfernt werden soll, nicht von vornherein ein Sprödverhalten zeigt, so kann sie vielfach doch in einer Vorbehandlung durch Sandstrahlen oder Alterung bei ausreichend hohen Temperaturen oder in aggressiver Umgebung in ein sprödes Material umgewandelt werden, um das erfindungsgemäße Verfahren erfolgreich durchführen zu können.

    Claims (7)

    1. Verfahren zur Entfernung mindestens einer spröden Schicht (7, 10) von einem Substrat (4) eines Schichtsystems (1), wobei das Schichtsystem (1) einen Thermoschock erfährt, der zu einem Risswachstum in der spröden Schicht (7, 10) führt,
      wodurch die spröde Schicht (7, 10) zumindest teilweise vom Substrat (4) getrennt wird.
    2. Verfahren nach Anspruch 1,
      dadurch gekennzeichnet, dass
      die Schicht (7, 10) eine keramische Schicht ist.
    3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
      dadurch gekennzeichnet, dass
      für das Verfahren eine Schicht (7, 10) mit Rissen verwendet wird.
    4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3,
      dadurch gekennzeichnet, dass
      das Verfahren mit einem Thermoschock bei einer Temperaturdifferenz von mindestens 200K durchgeführt wird.
    5. Verfahren nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4,
      dadurch gekennzeichnet, dass
      der Thermoschock durch Erhitzen des Schichtsystems (1) auf eine Temperatur weit über der Raumtemperatur und durch schnelles Abkühlen erfolgt.
    6. Verfahren nach Anspruch 1,
      dadurch gekennzeichnet, dass
      der Thermoschock durch Erhitzen des Schichtsystems (1) auf eine Temperatur über der Raumtemperatur und Abkühlen auf eine Temperatur unterhalb der Raumtemperatur erfolgt.
    7. Verfahren nach Anspruch 1,
      dadurch gekennzeichnet, dass
      für das Verfahren eine spröde metallische Schicht (7, 10) verwendet wird.
    EP03000755A 2003-01-13 2003-01-13 Verfahren zur Entfernung mindestens einer spröden Schicht von einem Substrat Withdrawn EP1445040A1 (de)

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