EP1680526A2 - Bauteil, oxidationsschutzbeschichtung fü r ein solches bautei l und herstellverfahren - Google Patents

Bauteil, oxidationsschutzbeschichtung fü r ein solches bautei l und herstellverfahren

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EP1680526A2
EP1680526A2 EP04789911A EP04789911A EP1680526A2 EP 1680526 A2 EP1680526 A2 EP 1680526A2 EP 04789911 A EP04789911 A EP 04789911A EP 04789911 A EP04789911 A EP 04789911A EP 1680526 A2 EP1680526 A2 EP 1680526A2
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substrate surface
region
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MTU Aero Engines GmbH
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Definitions

  • the invention relates to a component, in particular a component of a gas turbine.
  • the invention further relates to an antioxidant coating for such a component and a method for producing the same.
  • EP 0 784 104 B1 relates to a nickel-based superalloy with an optimized platinum-aluminum coating.
  • an article having a platinum-aluminum surface area, a substrate having a nickel-based substrate composition and a substrate surface, platinum and subsequently aluminum being diffused into the substrate surface first, and thereby providing a substrate area which an integrated aluminum content of 18 to 24 wt .-%, an integrated platinum content of 18 to 45 wt .-% and in the rest components of the substrate composition.
  • the substrate area thus formed forms a protective layer for the substrate.
  • the integrated values of aluminum and platinum are determined by an integration method, the platinum content and the aluminum content being integrated over the distance from the outer substrate surface.
  • a lower integration limit is around 2-3 ⁇ m below the substrate surface.
  • An upper integration limit is determined by the distance from the substrate surface at which the aluminum content, measured in% by weight, has dropped to an amount of 18% by weight, starting from larger values. This upper integration limit is used both for the determination of the integrated aluminum content and for the determination of the integrated platinum content.
  • the platinum-aluminum surface area is provided by two diffusion processes carried out in succession. Due to the separate alitation, the production of such a surface area acting as a protective layer is time-consuming and expensive.
  • the present invention is based on the problem of proposing a novel component with a substrate area, a novel oxidation protection coating and a method for producing such a component. This problem is solved in that the component mentioned at the outset is further developed by the features of the characterizing part of patent claim 1.
  • the component has a substrate composition based on nickel with an aluminum content of greater than 4.5% by weight. Only at least one platinum group metal is diffused into the substrate surface of the component to form the substrate surface area.
  • the present invention is based on the finding that a substrate surface area serving as protection against oxidation can be provided in a component whose substrate composition based on nickel or nickel alloy has an aluminum content of at least 4.5% by weight, in that only at least one metal the platinum group, preferably exclusively platinum, is diffused into the substrate surface of the component.
  • a substrate area on the surface of the component has good oxidation resistance, and it can be produced more cost-effectively than substrate areas known from the prior art, in which a separate alitizing process is required after the platinum has diffused in.
  • platinum is diffused into the substrate surface of the component to form the substrate region, the integrated proportion of platinum (Pt) in the substrate region being between 5 and 40% by weight, preferably between 5 and 30% by weight.
  • the proportion of aluminum (Al) in the substrate region is determined by the substrate composition of the component.
  • FIG. 1 shows a blade 10 of a gas turbine, namely an aircraft engine.
  • the blade 10 has an airfoil 11 and a blade root 12.
  • the entire blade 10, that is to say both the airfoil 11 and the blade root 12 is in the region of a surface 13 of the blade 10 in order to provide oxidation protection coated.
  • the blade 10 forms a substrate for the coating for forming the oxidation protection on the surface 13 of the blade 10.
  • the surface 13 of the substrate designed as blade 10 is accordingly also referred to as the substrate surface.
  • the blade 10 has a mass composition or substrate composition based on nickel.
  • the blade 10 has a nickel-based substrate composition with an aluminum content of greater than 4.5% by weight.
  • the nickel-based substrate composition has a maximum aluminum content of 10% by weight.
  • the platinum is diffused into the substrate surface 13 of the blade 10 in such a way that the integrated proportion of platinum in the platinum-aluminum substrate region which forms is between 5 and 40% by weight, preferably between 5 and 30% by weight. is particularly preferably between 5 and 17.99% by weight.
  • the proportion of aluminum and the other components is determined by the mass composition of the blade 10 or the substrate composition.
  • the platinum fractions in the substrate area given above are integrated fractions.
  • the integrated parts are determined using an integration method.
  • this integration method an integration is carried out over the distance d from the outer substrate surface, the platinum component being dependent on the distance or on the depth relative to the outer substrate surface.
  • the lower integration limit is either formed by the substrate surface itself or by a point immediately below the substrate surface.
  • x m j n 0 ⁇ m; in the case where the lower integration limit is formed by a point immediately below the substrate surface, Xmir is preferably 5 ⁇ m.
  • An upper integration limit x max is formed by the distance or by the depth with respect to the substrate surface, at which the proportion of platinum has dropped to 5% by weight and remains below this value.
  • the value of the integral is then divided by the difference between the upper integration limit x ma ⁇ and the lower integration limit x m i n , so that ⁇ p t -in t applies for the determination of the integrated platinum fraction:
  • the procedure is such that in a first step a corresponding component with a substrate surface and a substrate composition is provided, the substrate composition based on nickel having an aluminum content of at least 4.5% by weight. Only at least one platinum group metal is then diffused into a substrate surface of this component.
  • platinum and / or palladium is preferably diffused into the substrate surface, preference being given to the diffusion of exclusively platinum into the substrate surface. Platinum is diffused in using the slip technique. Accordingly, a corresponding platinum slip material is applied to the surface of the substrate and then cured.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Bauteil mit einem Substratbereich als Oxidationsschutzschicht, insbesondere ein Bauteil einer Gasturbine, mit einer Substratoberfläche und einer Substratzusammensetzung des Bauteils, und mit einem im Bereich der Substratoberfläche des Bauteils durch Eindiffundieren mindestens eines Metalls ausgebildeten Substratbereich. Erfindungsgemäss weist das Bauteil eine Substratzusammensetzung auf Nickelbasis mit einem Aluminiumanteil von grösser als 4,5 Gew.-% auf, wobei in die Substratoberfläche des Bauteils zur Bildung des Substratbereichs ausschliesslich mindestens ein Metall der Platingruppe eindiffundiert ist.

Description

Bauteil, Oxidationsschutzbeschichtung für ein solches Bauteil und Herstellverfahren
Die Erfindung betrifft ein Bauteil, insbesondere ein Bauteil einer Gasturbine. Des weiteren betrifft die Erfindung eine Oxidationsschutzbeschichtung für ein solches Bauteil und ein Verfahren zur Herstellung desselben.
Die EP 0 784 104 B1 betrifft eine Superlegierüng auf Nickelbasis mit optimierter Platin-Aluminium-Beschichtung. So ist in diesem Stand der Technik ein Gegenstand mit einem Platin-Aluminium-Oberflächenbereich offenbart, wobei ein Substrat eine Substratzusammensetzung auf Nickelbasis und eine Substratoberfläche aufweist, wobei in die Substratoberfläche zuerst Platin und darauffolgend Aluminium eindiffundiert wird und wobei hierdurch ein Substratbereich bereitgestellt wird, der einen integrierten Aluminiumgehalt von 18 bis 24 Gew.-%, einen integrierten Platingehalt von 18 bis 45 Gew.-% sowie im Rest Komponenten der Substrat- Massenzusammensetzung aufweist. Der so gebildete Substratbereich bildet eine Schutzschicht für das Substrat. Gemäß der EP 0 784 104 B1 werden die integrierten Werte von Aluminium und Platin durch eine Integrationsmethode ermittelt, wobei der Platingehalt sowie der Aluminiumgehalt über den Abstand von der äußeren Substratoberfläche integriert wird. Eine untere Integrationsgrenze liegt bei ca. 2-3 μm unterhalb der Substratoberfläche. Eine obere Integrationsgrenze wird durch den Abstand von der Substratoberfläche bestimmt, bei welchem der in Gew.-% gemessene Aluminiumgehalt ausgehend von größeren Werten auf einen Betrag von 18 Gew.-% gesunken ist. Diese obere Integrationsgrenze wird sowohl für die Ermittlung des integrierten Aluminiumanteils als auch für die Ermittlung des integrierten Platinanteils verwendet. Im Sinne dieses Standes der Technik erfolgt die Bereitstellung des Platin- Aluminium-Oberflächenbereichs durch zwei hintereinander durchgeführte Diffusionsprozesse. Durch das separate Alitieren ist die Herstellung eines solchen als Schutzschicht wirkenden Oberflächenbereichs zeitaufwändig und teuer.
Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung das Problem zu Grunde, ein neuartiges Bauteil mit einem Substratbereich, eine neuartige Oxidationsschutzbeschichtung und ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Bauteils vorzuschlagen. Dieses Problem wird dadurch gelöst, dass das eingangs genannte Bauteil durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 1 weitergebildet ist.
Erfindungsgemäß weist das Bauteil eine Substratzusammensetzung auf Nickelbasis mit einem Aluminiumanteil von größer als 4,5 Gew.-% auf. In die Substratoberfläche des Bauteils ist zur Bildung des Substratoberflächenbereichs ausschließlich mindestens ein Metall der Platingruppe eindiffundiert.
Der hier vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass ein als Oxidati- onsschutz dienender Substratoberflächenbereich bei einem Bauteil, dessen Substratzusammensetzung auf Nickelbasis oder Nickellegierungsbasis einen Aluminiumanteil von mindestens 4,5 Gew.-% aufweist, dadurch bereitgestellt werden kann, dass ausschließlich mindestens ein Metall der Platingruppe, vorzugsweise ausschließlich Platin, in die Substratoberfläche des Bauteils eindiffuπdiert wird. Ein derartiger Substratbereich an der Oberfläche des Bauteils verfügt über eine gute Oxidationsbe- ständigkeit, und derselbe ist kostengünstiger herstellbar als aus dem Stand der Technik bekannte Substratbereiche, bei denen ein separater Alitierprozess nach dem Eindiffundieren des Platins erforderlich ist.
Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist in die Substratoberfläche des Bauteils zur Bildung des Substratbereichs ausschließlich Platin eindiffundiert, wobei der integrierte Anteil an Platin (Pt) in dem Substratbereich zwischen 5 und 40 Gew.-%, vorzugsweise zwischen 5 und 30 Gew.-%, beträgt, und wobei der Anteil an Aluminium (AI) in dem Substratbereich durch die Substratzusammensetzung des Bauteils bestimmt ist.
Weitere selbstständig schutzfähige Gegenstände, wie eine er indungsgemäße Beschichtung und ein Verfahren zur Herstellung von Bauteilen sind in den unabhängigen Patentansprüchen 1 1 und 19 definiert.
Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. Ausführungsbeispiele der Erfindung werden, ohne hierauf beschränkt zu sein, an Hand der Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt:
Fig. 1 : ein erfindungsgemäß ausgebildetes Bauteil.
Nachfolgend wird die hier vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf Fig. 1 in größerem Detail beschrieben. Fig. 1 zeigt eine Schaufel 10 einer Gasturbine, nämlich eines Flugtriebwerks. Die Schaufel 10 verfügt über ein Schaufelblatt 1 1 sowie über einen Schaufelfuß 12. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist die gesamte Schaufel 10, also sowohl das Schaufelblatt 1 1 als auch der Schaufelfuß 12, im Bereich einer 0- berfläche 13 der Schaufel 10 zur Bereitstellung eines Oxidationsschutzes beschichtet.
Die Schaufel 10 bildet ein Substrat für die Beschichtung zur Bildung des Oxidationsschutzes an der Oberfläche 13 der Schaufel 10. Die Oberfläche 13 des als Schaufel 10 ausgebildeten Substrats wird demnach auch als Substratoberfläche bezeichnet. Die Schaufel 10 verfügt über eine Massezusammensetzung bzw. Substratzusammensetzung auf Nickelbasis.
Es liegt nun im Sinne der hier vorliegenden Erfindung, auf ein Substrat mit einer Substratzusammensetzung auf Nickelbasis mit einem Aluminiumanteil von größer als 4,5 Gew.-% eine Oxidationsschutzbeschichtung dadurch aufzubringen, dass in die Substratoberfläche ausschließlich mindestens ein Metall der Platingruppe, vorzugsweise Platin und/oder Palladium, eindiffundiert wird. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel ist ausschließlich Platin in die Substratoberfläche der Schaufel 10 eindiffundiert.
Wie bereits erwähnt, verfügt die Schaufel 10 über eine Substratzusammensetzung auf Nickelbasis mit einem Aluminiumanteil von größer als 4,5 Gew.-%. Die Substratzusammensetzung auf Nickelbasis weist einen Aluminiumanteil von maximal 10 Gew.-% auf. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel wird das Platin derart in die Substratoberfläche 13 der Schaufel 10 eindiffundiert, dass der integrierte Anteil an Platin in dem sich ausbildenden Platin-Aluminium-Substratbereich zwischen 5 und 40 Gew.-%, vorzugsweise zwischen 5 und 30 Gew.-%, besonders bevorzugt zwischen 5 und 17,99 Gew.- % beträgt. Der Anteil an Aluminium und der übrigen Komponenten wird durch die Massezusammensetzung der Schaufel 10 bzw. die Substratzusammensetzung bestimmt.
Im Sinne der hier vorliegenden Erfindung wird demnach vorgeschlagen, eine Oxidationsschutzbeschichtung für ein Bauteil einer Gasturbine mit einer Substratzusam- mensetzung auf Nickelbasis dadurch herzustellen, dass ausschließlich Platin und/oder Palladium, vorzugsweise ausschließlich Platin, in die Substratoberfläche des Bauteils eindiffundiert wird. Auf den nach dem Stand der Technik erforderlichen Alitierprozess kann verzichtet werden. Es kann eine gute Oxidationsbeständigkeit bereitgestellt werden.
Bei den oben angegebenen Platinanteilen im Substratbereich handelt es sich um integrierte Anteile. Die integrierten Anteile werden durch eine Integrationsmethode ermittelt. Bei dieser Integrationsmethode wird eine Integration über den Abstand d von der äußeren Substratoberfläche vorgenommen, wobei der Platinanteil vom Abstand bzw. von der Tiefe relativ zu der äußeren Substratoberfläche abhängig ist. Im Sinne der hier vorliegenden Erfindung wird die untere Integrationsgrenze entweder durch die Substratoberfläche selbst gebildet oder durch einen Punkt unmittelbar unterhalb der Substratoberfläche. In dem Fall, in dem die untere Integrationsgrenze durch die Substratoberfläche selbst gebildet wird, beträgt xmjn = 0 μm; in dem Fall, in dem die untere Integrationsgrenze durch einen Punkt unmittelbar unterhalb der Substratoberfläche gebildet wird, beträgt Xmir, vorzugsweise 5 μm. Eine obere Integrationsgrenze xmax wird durch den Abstand bzw. durch die Tiefe bezüglich der Substratoberfläche gebildet, bei welcher der Anteil an Platin auf 5 Gew.-% gesunken ist und unter diesem Wert verbleibt. Der Wert des Integrals wird dann noch durch die Differenz zwischen der oberen Integrationsgrenze xmaχ und der unteren Integrationsgrenze xmin dividiert, so dass dann für die Ermittlung des integrierten Platinanteils ϊpt-int gilt:
wobei:
Ipt-jnt = integrierter Anteil an Platin lpt (x) = Anteil an Platin als Funktion von x x = Abstand bzw. Tiefe von der äußeren Substratoberfläche Vnm untere Integrationsgrenze xmax = obere Integrationsgrenze
Zur Herstellung eines Bauteils mit einer solchen Oxidationsschutzschicht wird so vorgegangen, dass in einem ersten Schritt ein entsprechendes Bauteil mit einer Substratoberfläche und einer Substratszusammensetzung bereitgestellt wird, wobei die Substratzusammensetzung auf Nickelbasis einen Aluminiumanteil von mindestens 4,5 Gew.-% aufweist. In eine Substratoberfläche dieses Bauteils wird dann ausschließlich mindestens ein Metall der Platingruppe eindiffundiert. Im Sinne der Erfindung wird vorzugsweise Platin und/oder Palladium in die Substratoberfläche eindiffundiert, wobei das Eindiffundieren von ausschließlich Platin in die Substratoberfläche bevorzugt ist. Das Eindiffundieren von Platin erfolgt in Schlickertechnik. Demnach wird ein entsprechender Platin-Schlickerwerkstoff auf die Oberfläche des Substrats aufgetragen und anschließend ausgehärtet.

Claims

Patentansprüche
1. Bauteil mit einem Substratbereich als Oxidationsschutzschicht, insbesondere Bauteil einer Gasturbine, mit einer Substratoberfläche (13) und einer Substratzusammensetzung des Bauteils (10), und mit einem im Bereich der Substratoberfläche (13) des Bauteils durch Eindiffundieren mindestens eines Metalls ausgebildeten Substratbereich, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (10) eine Substratzusammensetzung auf Nickelbasis mit einem Aluminiumanteil von größer als 4,5 Gew.-% aufweist, und dass in die Substratoberfläche (13) des Bauteils (10) zur Bildung des Substratbereichs ausschließlich mindestens ein Metall der Platingruppe eindiffundiert ist.
2. Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in die Substratoberfläche (13) des Bauteils (10) zur Bildung des Substratbereichs Platin und/oder Palladium eindiffundiert ist.
3. Bauteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in die Substratoberfläche (13) des Bauteils (10) zur Bildung des Substratbereichs ausschließlich Platin eindiffundiert ist.
4. Bauteil nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der integrierte Anteil an Platin (Pt) in dem Substratbereich zwischen 5 und 40 Gew.-% beträgt.
5. Bauteil nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der integrierte Anteil an Platin (Pt) in dem Substratbereich zwischen 5 und 30 Gew.-% beträgt.
6. Bauteil nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der integrierte Anteil an Platin in dem Substratbereich zwischen 5 und 17,99 Gew.-% beträgt.
7. Bauteil nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil an Aluminium in dem Substratbereich durch die Substratzusammensetzung bestimmt ist.
8. Bauteil nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (10) eine Substratzusammensetzung auf Nickelbasis mit einem Aluminiumanteil von maximal 10 Gew.- aufweist.
9. Bauteil nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (10) als Gasturbinenbauteil, insbesondere als Bauteil eines Flugtriebwerks, ausgebildet ist.
10. Bauteil nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (10) als Schaufel einer Gasturbine, insbesondere eines Flugtriebwerks, ausgebildet ist.
1 1. Oxidationsschutzbeschichtung für ein Bauteil, insbesondere ein Gasturbinenbauteil, wobei das Bauteil (10) eine Substratzusammensetzung aufweist, und wobei die Beschichtung durch Eindiffundieren mindestens eines Metalls in eine Substratoberfläche (13) des Bauteils (10) gebildet ist und hierdurch einen Substratbereich des Bauteils bildet, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (10) eine Substratzusammensetzung auf Nickelbasis mit einem Aluminiumanteil von größer als 4,5 Gew.-% aufweist, und dass in die Substratoberfiäche (13) des Bauteils (10) zur Bildung des Substratbereichs ausschließlich mindestens ein Metall der Platingruppe eindiffundiert ist.
12. Beschichtung nach Anspruch 1 1, dadurch gekennzeichnet, dass in die Substratoberfläche (13) des Bauteils (10) zur Bildung des Substratbereichs Platin und/oder Palladium eindiffundiert ist.
13. Beschichtung nach Anspruch 1 1 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass in die Substratoberffäche (13) des Bauteils ( W) zur Bildung des Substratbereichs ausschließlich Platin eindiffundiert ist.
14. Beschichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der integrierte Anteil an Platin in dem Substratbereich zwischen 5 und 40 Gew.-% beträgt.
15. Beschichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der integrierte Anteil an Platin in dem Substratbereich zwischen 5 und 30 Gew.-% beträgt.
16. Beschichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der integrierte Anteil an Platin in dem Substratbereich zwischen 5 und 17,99 Gew.-% beträgt.
17. Beschichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil an Aluminium in dem Substratbereich durch die Substratzusammensetzung bestimmt ist.
18. Beschichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (10) eine Substratzusammensetzung auf Nickelbasis mit einem Aluminiumanteil von maximal 10 Gew.-% aufweist.
19. Verfahren zur Herstellung eines Bauteils mit einem Substratbereich als Oxi- dationsschutzschicht, mit folgenden Schritten: a) Bereitstellen eines Bauteils (10) mit einer Substratoberfläche (13) und einer Substratzusammensetzung, wobei das Bauteil (10) eine Substratzusammensetzung auf Nickelbasis mit einem Aluminiumanteil von größer als 4,5 Gew.-% aufweist, b) Eindiffundieren ausschließlich mindestens eines Metalls der Platingruppe in die Substratoberfläche (13) des Bauteils (10).
20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass in die Substratoberfläche (13) des Bauteils (10) zur Bildung des Substratbereichs Platin und/oder Palladium eindiffundiert wird.
21. Verfahren nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, dass in die Substratoberfläche (13) des Bauteils (10) zur Bildung des Substratbereichs ausschließlich Platin eindiffundiert wird.
22. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 19 bis 21 , dadurch gekennzeichnet, dass das Eindiffundieren derart durchgeführt wird, dass der integrierte Anteil an Platin in dem Substratbereich zwischen 5 und 40 Gew.-%, vorzugsweise zwischen 5 und 30 Gew.-%, beträgt.
23. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 19 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass als Bauteil ein Gasturbinenbauteil, insbesondere eine Schaufel eines Flugtriebwerks, bereitgestellt wird.
24. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 19 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (10) eine Substratzusammensetzung auf Nickelbasis mit einem Aluminiumanteil von maximal 10 Gew.-% aufweist.
EP04789911A 2003-10-31 2004-10-04 Bauteil, oxidationsschutzbeschichtung fü r ein solches bautei l und herstellverfahren Withdrawn EP1680526A2 (de)

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DE10350882A DE10350882A1 (de) 2003-10-31 2003-10-31 Bauteil, Oxidationsschutzbeschichtung für ein solches Bauteil und Herstellverfahren
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US (1) US7662484B2 (de)
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