EP1797214A1 - Bauteil mit beschichtung und verfahren zum herstellen einer beschichtung - Google Patents

Bauteil mit beschichtung und verfahren zum herstellen einer beschichtung

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EP1797214A1
EP1797214A1 EP05776179A EP05776179A EP1797214A1 EP 1797214 A1 EP1797214 A1 EP 1797214A1 EP 05776179 A EP05776179 A EP 05776179A EP 05776179 A EP05776179 A EP 05776179A EP 1797214 A1 EP1797214 A1 EP 1797214A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
coating
component
expansion joints
base material
thermal barrier
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP05776179A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Thomas Dobener
Milan Schmahl
Werner Stamm
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Priority to EP05776179A priority Critical patent/EP1797214A1/de
Publication of EP1797214A1 publication Critical patent/EP1797214A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • 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
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/04—Coating on selected surface areas, e.g. using masks
    • C23C14/042—Coating on selected surface areas, e.g. using masks using masks

Definitions

  • the present invention relates to a component with a coating and to a method for producing a coating on a component surface.
  • Components with coatings such. B. with cherriesdämmbeSchich ⁇ lines, for example, in turbines, such as in gas turbines for power generation, before.
  • turbines such as in gas turbines for power generation
  • TBC Thermal Barrier Coating
  • an adhesion promoter layer is generally used, which is applied to the metallic base material of the component before it is coated with the ceramic coating material.
  • Another cause of buckling and flaking is the fact that some ceramic coatings are permeable to oxygen at high temperatures, so that oxidizable portions of the primer layer can be oxidized. If the oxidation is associated with an increase in volume, this can cause the coating to flake or buckle.
  • EP 0 935 009 B1 proposes to provide the surface of the body with a skeleton structure in the form of a net or a grid, and to apply the coating to the surface provided with the skeleton structure. This results in the application of the coating cavities in the coating, which provide an expansion tolerance of the coating.
  • DE 42 38 369 A1 describes a component comprising a metallic base substrate with a ceramic coating, in which the surface of the base substrate is provided with a multiplicity of vertically projecting webs. The height at which the webs protrude beyond the surface is less than the thickness of the coating.
  • segmentation cracks develop in the region above the webs, which continue into the coating surface. These segmentation cracks broaden at operating temperature and close at room temperature, which results in an increased strain tolerance of the coating.
  • a metallic base body with a metallic anchoring matrix in order to increase the adhesion of a ceramic layer to the base body.
  • the anchoring matrix can be constructed, for example, from honeycomb structures, needle-shaped structures or pin-shaped structures.
  • the first object is achieved by a component according to claim 1, the second object by a method according to claim 7.
  • An inventive component of a base material, in particular of a metallic base material, with a coating applied over the base material is characterized in that expansion joints are present in the coating.
  • the expansion joints are distributed like a net over the surface of the coating.
  • Adapt coating to the geometry of the component In order to further increase the elongation tolerance of the coating, it may have a porosity.
  • the expansion tolerance of the coating can be increased.
  • large-area components for example hub components of gas turbines
  • flaking and bulging of a thermal insulation coating can thus be avoided.
  • buckling and flaking are avoided in the component according to the invention without metallic elements extending from the component surface into the heat-insulating coating.
  • Metallic elements have a good thermal conductivity, whereby the thermal insulation properties of the thermal barrier coating deteriorate compared to thermal barrier coatings without metallic elements.
  • the coating can be designed as a ceramic coating for thermal insulation. If, in addition, the
  • Base material is a metallic base material, it is advantageous if between the base material and the kerami ⁇ 's thermal insulation coating a bonding agent layer before is present. By virtue of the adhesion promoter layer, a secure adherence of the ceramic thermal insulation coating to the metallic base material can be achieved.
  • the component according to the invention can be designed, in particular, as a turbine component, for example as a hub component of a turbine.
  • a structure of wire or rope-shaped elements is arranged at a distance above the collection surface before the coating is applied. After application of the coating, the structure is then removed again. During coating, the coating will be less intense in the areas covered by the structure than in the uncovered areas. The result is the expansion joints of the coating.
  • thermal barrier coating mentioned by way of example can be carried out in particular by means of a thermal spraying method, for example atmospheric plasma spraying (APS) or high velocity oxygen spraying (HVOF) or a gas phase precipitation process, for example a so-called EB-PVD process (US Pat. electron beam physical vapor deposition take place).
  • APS atmospheric plasma spraying
  • HVOF high velocity oxygen spraying
  • EB-PVD gas phase precipitation process
  • the coating material is evaporated by means of a Elek ⁇ tronenstrahls from a store, the Bedin ⁇ conditions in the environment of the component during coating are so ein ⁇ made that accumulates the evaporated material from the gas phase on the surface to be coated.
  • FIG. 1 shows a first exemplary embodiment of a component according to the invention with a thermal insulation coating in plan view.
  • Figure 2 shows an enlarged section of the component of Figure 1 in a cross section along the line A A.
  • Figure 3 shows a second embodiment of the erfin ⁇ Dungswe component with compensatedämmbeSichtung in a Drauf ⁇ view.
  • FIG. 4 shows a third exemplary embodiment of a component according to the invention with thermal insulation layering in a plan view.
  • FIG. 5 shows a step of the production method according to the invention for a component according to the invention with thermal insulation coating.
  • FIG. 6 shows a step of the production method according to the invention for applying a thermal barrier coating to a hub component of a turbine.
  • FIGS. 1 and 2 As a first exemplary embodiment of a component according to the invention with coating, a large-area turbine component 1 with a thermal insulation coating 3 is shown schematically in FIGS. 1 and 2.
  • FIG. 1 shows the turbine component 1 in plan view
  • FIG. 2 shows the turbine component 1 in a section along the line II-II, wherein the sectional representation is enlarged in comparison to FIG.
  • the invention will be explained in more detail using the example of a thermal barrier coating for a coating.
  • the turbine component 1 has a metallic base body 2, on which a bonding agent layer 4 is applied.
  • the adhesion promoter layer 4 serves to increase the adhesion of the thermal barrier coating 3, which is embodied as a ceramic thermal insulation coating in the exemplary embodiment, to the metallic base body 2.
  • the thermal barrier coating 3 is applied flatly to the turbine component 1 and has at regular intervals parallel to each other extending expansion joints 5. In the area of expansion joints, the material thickness of the thermal barrier coating is reduced by about half. Depending on the expected thermal load on the component, it can also have a smaller or greater reduction.
  • the surface of the thermal barrier coating 3 is subdivided by the expansion joints 5 into a number of surface regions 7.
  • These surface regions 7 are rectangular in the present embodiment, however, they can also be square or honeycomb-shaped, in particular hexagonal, as shown in FIGS. 3 and 4.
  • the metallic base material 2 of the turbine component 1, 11, 21 expands more strongly than the coating material of the thermal barrier coating 3, 13, 23, then the expansion joints 5, 15, 25 allow expansion of the thermal barrier coating 3, 13, 23 without that excessive voltages occur.
  • the geometry of the expansion joints can be suitably selected. If, for example, stresses preferably occur in one direction, then, as shown in FIG. 1, it is possible to provide the component only with expansion joints running parallel to one another.
  • the expansion joints 15, 25 need not be arranged at regular intervals from one another. Rather, the distances may also be irregular or have a periodic course.
  • the stresses are not only preferential in one direction, then it may be advantageous if the expansion joints 15, 25 extend in different directions over the surface 8 of the thermal insulation layer 3, 13, 23.
  • the expansion joints 5 then form a network structure on the surface 8 of the thermal barrier coating 3, as can be seen in FIGS. 3 and 4.
  • the expansion tolerance of the thermal barrier coating 3 can be further improved if it has a porosity.
  • FIG. 5 shows an essential method step during application of the thermal barrier coating 3
  • FIG. 6 shows a hub component of a turbine prior to application of the thermal barrier coating.
  • a wire or rope-shaped structure is arranged above the surface of the base body or, if present, the surface 6 of the adhesion promoter layer 4. In the present embodiment are stretched
  • Wires 9 by means of a frame (not shown in Fig. 5) at a distance d above the surface 6 of the Haftvermittler ⁇ layer 4 fixed.
  • the distance d is greater than the subsequent thickness of the thermal barrier coating 3.
  • the ceramic thermal insulation layer 3 is applied to the adhesion promoter layer 4 by means of an EB-PVD method, ie by deposition from the gas phase.
  • an EB-PVD method ie by deposition from the gas phase.
  • less ceramic material is deposited than in the areas between the wires 9. In this way, the material thickness is in the shadow of the wires 9
  • the areas of reduced material thickness then form the expansion joints 5 in the finished heat insulation layer 3.
  • the width and depth of the expansion joints 5 can be varied by, for example, the direction from which The deposition of the ceramic material takes place during the deposition process.
  • the expansion joints can be changed.
  • the later course of the expansion joints 5 can be determined by the course of the wires 9. If, for example, the honeycomb structure shown in FIG. 4 is to be produced, then by means of the frame not individual wires but a wire mesh with the corresponding structure are applied over the surface to be coated.
  • FIG. 6 shows an example of the implementation of the method according to the invention on a hub component 30 of a gas turbine.
  • an ⁇ comprising two frame parts 35 and 37, between which wires 9 are stretched.
  • wires 9 When the ceramic thermal barrier coating is applied, these wires 9 then cause the expansion joints to open.
  • the inventive method makes it possible, in particular, to provide large-area components, such as hub components of turbines, with expansion-tolerant heat-insulating coatings.
  • the distance d at which the wires 9 are applied over the surface 6 to be coated is at least approximately 0.2 mm in the exemplary embodiment. However, it can be varied, in particular increased, depending on the desired depth and width of the expansion joints.
  • an MCrAlY layer that is to say a layer of a metallic alloy which comprises chromium (Cr) and aluminum (Al), and in the Y for yttrium or a rare earth element and M for iron, can be used as adhesion promoter layer 4 (Fe), cobalt (Co) or nickel (Ni) are used.
  • adhesion promoter layer 4 Fe
  • cobalt Co
  • Ni nickel
  • a ceramic thermal barrier coating are in particular zirconium (Zr) based coatings, for example a zirconium oxide coating.

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Abstract

Ein erfindungsgemäßes Bauteil (1) umfasst einen Grundwerk- stoff (2) und eine über dem Grundwerkstoff (2) aufgebrachte Beschichtung (3). Es zeichnet sich dadurch aus, dass in der Beschichtung (3) Dehnungsfugen (5) vorhanden sind.

Description

Bauteil mit Beschichtung und Verfahren zum Herstellen einer
Beschichtung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Bauteil mit einer Beschichtung sowie ein Verfahren zum Herstellen einer Be¬ schichtung auf einer Bauteiloberfläche.
Bauteile mit Beschichtungen, wie z. B. mit WärmedämmbeSchich¬ tungen, kommen beispielsweise in Turbinen, etwa in Gasturbi- nen zur Stromerzeugung, vor. Etwa Turbinenschaufeln oder die Nabe einer Turbine sind in der Regel mit einer thermischen Barrierenschicht (TBC, Thermal Barrier Coating) versehen, um die metallischen Grundkörper gegen den thermischen Einfluss des heißen Gases in der Turbine zu schützen. Bei Verwendung keramischer Beschichtungen als WärmedämmbeSchichtungen kommt darüber hinaus in der Regel noch eine Haftvermittlerschicht zur Anwendung, die auf das metallische Grundmaterial des Bau¬ teils aufgebracht wird, bevor die Beschichtung mit dem kera¬ mischen Beschichtungsmaterial erfolgt.
Beim Betrieb von Turbinenbauteilen mit WärmedämmbeSchichtun¬ gen kann es zu Abplatzungen und Aufwölbungen der Beschichtung kommen. Eine Ursache hierfür liegt darin, dass die keramische Beschichtung in der Regel einen wesentlich niedrigeren ther- mischen Ausdehnungskoeffizienten als der metallische Grund¬ körper des Bauteils aufweist. Wiederholte Zyklen des Aufwär¬ mens und Abkühlens können daher zu Spannungen führen, welche die Aufwölbungen und Abplatzungen verursachen können.
Eine weitere Ursache für Aufwölbungen und Abplatzungen ist die Tatsache, dass manche Keramikbeschichtungen bei hohen Temperaturen für Sauerstoff durchlässig sind, so dass oxi- dierbare Anteile der Haftvermittlerschicht oxidiert werden können. Wenn die Oxidation mit einer Volumenvergrößerung ver- bunden ist, kann dies die Abplatzung oder Aufwölbung der Be¬ schichtung verursachen.
Um Abplatzungen und Aufwölbungen einer Beschichtung auf einem Grundkörper zu verhindern, ist in EP 0 935 009 Bl vorgeschla- gen, die Oberfläche des Grundkörpers mit einer Skelettstruk¬ tur in Form eines Netzes oder eines Gitters zu versehen, und die Beschichtung auf die mit der Skelettstruktur versehene Oberfläche aufzubringen. Dadurch entstehen beim Aufbringen der Beschichtung Hohlräume in der Beschichtung, die für eine Dehnungstoleranz der Beschichtung sorgen.
In DE 42 38 369 Al ist ein Bauteil aus einem metallischen Grundsubstrat mit einer keramischen Beschichtung beschrieben, bei dem die Oberfläche des Grundsubstrats mit einer Vielzahl von senkrecht vorstehenden Stegen versehen ist. Die Höhe, mit der die Stege über die Oberfläche vorstehen, ist dabei gerin¬ ger als Dicke der Beschichtung. Während des Aufbringens der Beschichtung bilden sich im Bereich oberhalb der Stege Seg- mentierungsrisse aus, die sich bis in die Beschichtungsober- flache fortsetzen. Diese Segmentierungsrisse verbreitern sich bei Betriebstemperatur und schließen sich bei Raumtemperatur, wodurch eine erhöhte Dehnungstoleranz der Beschichtung er¬ zielt wird.
In EP 0 192 162 Bl ist vorgeschlagen, einen metallischen Grundkörper, mit einer metallischen Verankerungsmatrix zu versehen, um die Haftung einer Keramikschicht am Grundkörper zu erhöhen. Die Verankerungsmatrix kann beispielsweise aus wabenförmigen Strukturen, nadeiförmigen Strukturen oder stiftförmigen Strukturen aufgebaut sein.
Gegenüber diesem Stand der Technik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein vorteilhaftes Bauteil mit einer WärmedämmbeSchichtung sowie ein vorteilhaftes Verfahren zum
Herstellen einer WärmedämmbeSchichtung auf einer Bauteilober¬ fläche zur Verfügung zu stellen.
Die erste Aufgabe wird durch ein Bauteil nach Anspruch 1, die zweite Aufgabe durch ein Verfahren nach Anspruch 7 gelöst.
Die abhängigen Ansprüche enthalten vorteilhafte Weiterbildun¬ gen der Erfindung, die in vorteilhafter Art und Weise beliebig miteinander kombiniert werden können. Ein erfindungsgemäßes Bauteil aus einem Grundwerkstoff, ins¬ besondere aus einem metallischen Grundwerkstoff, mit einer über dem Grundwerkstoff aufgebrachten Beschichtung zeichnet sich dadurch aus, dass in der Beschichtung Dehnungsfugen vor¬ handen sind.
Dabei sind die Dehnungsfugen netzartig über die Oberfläche der Beschichtung verteilt. Insbesondere können Sie die Ober- fläche der Beschichtung in viereckige, beispielsweise quadratische oder rechteckige, oder in sechseckige Oberflächenbereiche unterteilen. Auch andere Geometrien sind möglich. Durch gezielte Auswahl der Form des Netzes bzw. der Geometrie der durch die Dehnungsfugen erzeugten Oberflächen- bereiche lassen sich die Dehnungseigenschaften der
Beschichtung gezielt an die Geometrie des Bauteils anpassen. Um die Dehnungstoleranz der Beschichtung weiter zu erhöhen, kann sie eine Porosität aufweisen.
Mittels der Dehnungsfugen lässt sich die Dehnungstoleranz der Beschichtung erhöhen. Insbesondere bei großflächigen Bautei¬ len, beispielsweise Nabenbauteilen von Gasturbinen, lassen sich so Abplatzungen und Aufwölbungen einer Wärmedämmbe- Schichtung vermeiden. Anders als im Stand der Technik werden beim erfindungsgemäßen Bauteil Aufwölbungen und Abplatzungen vermieden, ohne dass sich metallische Elemente von der Bau¬ teiloberfläche aus in die WärmedämmbeSchichtung hinein erstrecken. Metallische Elemente weisen eine gute thermische Leitfähigkeit auf, wodurch sich die Wärmedämmeigenschaften der Wärmedämmschicht gegenüber Wärmedämmschichten ohne metal¬ lische Elemente verschlechtern.
Insbesondere kann die Beschichtung als keramische Beschich- tung zur Wärmedämmung ausgestaltet sein. Wenn zudem der
Grundwerkstoff ein metallischer Grundwerkstoff ist, ist es vorteilhaft, wenn zwischen dem Grundwerkstoff und der kerami¬ schen WärmedämmbeSchichtung eine Haftvermittlerschicht vor- handen ist. Mitteils der Haftvermittlerschicht lässt sich ein sicheres Haften der keramischen WärmedämmbeSchichtung auf dem metallischen Grundwerkstoff erzielen.
Das erfindungsgemäße Bauteil kann insbesondere als Turbinen¬ bauteil, beispielsweise als Nabenbauteil einer Turbine, aus¬ gestaltet sein.
Im erfindungsgemäßen Verfahren zum Herstellen einer Beschich- tung auf einer Bauteiloberfläche wird vor dem Aufbringen der Beschichtung eine Struktur aus draht- oder seilförmigen Ele¬ menten mit Abstand über der Beuteiloberfläche angeordnet. Nach dem Aufbringen der Beschichtung wird die Struktur dann wieder entfernt. Beim Beschichten wird die Beschichtung in den durch die Struktur abgedeckten Bereichen weniger stark auftragen als in den nicht abgedeckten Bereichen. Im Ergebnis entstehen die Dehnungsfugen der Beschichtung.
Das Aufbringen der beispielhaft erwähnten Wärmedämmbeschich- tung kann insbesondere mittels eines thermischen Spritzver¬ fahrens, beispielsweise atmosphärischen Plasmaspritzens (APS) oder Hochgeschwindigkeitsflammspritzens (HVOF, high velocity oxygen fuel) oder eines Abscheideprozesses aus der Gasphase, beispielsweise eines so genannten EB-PVD-Verfahrens (electron beam physical vapor deposition erfolgen) . In einem EB-PVD-
Verfahren wird das Beschichtungsmaterial mittels eines Elek¬ tronenstrahls von einem Vorrat abgedampft, wobei die Bedin¬ gungen in der Umgebung des Bauteils beim Beschichten so ein¬ gestellt sind, dass sich das abgedampfte Material aus der Gasphase auf die zu beschichtenden Oberfläche anlagert.
Weitere Merkmale, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beilie- genden Figuren.
Figur 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel für ein erfin¬ dungsgemäßes Bauteil mit WärmedämmbeSchichtung in Draufsicht. Figur 2 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt des Bauteils aus Figur 1 in einem Querschnitt entlang der Linie A A.
Figur 3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel für das erfin¬ dungsgemäße Bauteil mit WärmedämmbeSchichtung in einer Drauf¬ sicht.
Figur 4 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel für ein erfin- dungsgemäßes Bauteil mit Wärmedämmschichtung in einer Drauf¬ sicht.
Figur 5 zeigt einen Schritt des erfindungsgemäßen Herstel¬ lungsverfahrens für ein erfindungsgemäßes Bauteil mit Wärme- dämmbeSchichtung.
Figur 6 zeigt einen Schritt des erfindungsgemäßen Herstel¬ lungsverfahrens zum Aufbringen einer WärmedämmbeSchichtung auf ein Nabenbauteil einer Turbine.
Als ein erstes Ausführungsbeispiel für ein erfindungsgemäßes Bauteil mit Beschichtung ist in den Figuren 1 und 2 schema¬ tisch ein großflächiges Turbinenbauteil 1 mit einer Wärme- dämmbeSchichtung 3 dargestellt.
Während Figur 1 das Turbinenbauteil 1 in Draufsicht zeigt, zeigt Figur 2 das Turbinenbauteil 1 in ein Schnitt entlang der Linie II - II, wobei die Schnittdarstellung im Vergleich zu Figur 1 vergrößert dargestellt ist. Die Erfindung wird am Beispiel einer WärmedämmbeSchichtung für eine Beschichtung näher erläutert.
Das Turbinenbauteil 1 weist einen metallischen Grundkörper 2 auf, auf dem eine Haftvermittlerschicht 4 aufgebracht ist. Die Haftvermittlerschicht 4 dient dabei dazu, die Haftung der WärmedämmbeSchichtung 3, die im Ausführungsbeispiel als kera¬ mische WärmedämmbeSchichtung ausgebildet ist, am metallischen Grundkörper 2 zu erhöhen. Die WärmedämmbeSchichtung 3 ist auf das Turbinenbauteil 1 flächig aufgebracht und weist in regelmäßigen Abständen parallel zu einander verlaufende Dehnfugen 5 auf. Im Bereich der Dehnfugen ist die Materialstärke der Wärmedämmschicht etwa auf die Hälfte reduziert. Je nach zu erwartender thermi¬ scher Belastung des Bauteils kann sie auch eine geringere oder stärkere Reduzierung aufweisen.
Die Oberfläche der WärmedämmbeSchichtung 3 wird durch die Dehnfugen 5 in eine Anzahl Oberflächenbereiche 7 unterteilt. Diese Oberflächenbereiche 7 sind im vorliegenden Ausführungs¬ beispiel rechteckig, sie können jedoch auch quadratisch oder wabenförmig, insbesondere sechseckförmig, sein, wie dies in den Figuren 3 und 4 dargestellt ist.
Wenn sich beim Betrieb der Turbine das metallische Grundmate¬ rial 2 des Turbinenbauteils 1, 11, 21 stärker ausdehnt als das Beschichtungsmaterial der WärmedämmbeSchichtung 3, 13, 23 so ermöglichen die Dehnfugen 5, 15, 25 eine Ausdehnung der Wärmedämmschicht 3, 13, 23 ohne dass übermäßige Spannungen auftreten. Je nach Qualität und Quantität der auftretenden Spannungen kann die Geometrie der Dehnfugen geeignet gewählt werden. Treten beispielsweise Spannungen vorzugsweise in einer Richtung auf, so ist es, wie in Figur 1 dargestellt, möglich das Bauteil lediglich mit parallel zu einander ver¬ laufenden Dehnfugen zu versehen.
Anders als in Figur 1 dargestellt, brauchen die Dehnfugen 15, 25 aber nicht in regelmäßigen Abständen voneinander angeord¬ net zu sein. Vielmehr können die Abstände auch unregelmäßig sein oder einen periodischen Verlauf aufweisen. Treten hinge¬ gen die Spannungen nicht nur bevorzugt in einer Richtung auf, so kann es vorteilhaft sein, wenn sich die Dehnfugen 15, 25 in verschiedenen Richtungen über die Oberfläche 8 der Wärme¬ dämmbeSchichtung 3, 13, 23 erstrecken. In diesem Fall bilden die Dehnfugen 5 dann eine Netzstruktur auf der Oberfläche 8 der WärmedämmbeSchichtung 3, wie dies in den Figuren 3 und 4 zu erkennen ist. Die Dehnungstoleranz der WärmedämmbeSchichtung 3 kann weiter verbessert werden, wenn diese eine Porosität aufweist.
Ein Verfahren zum Aufbringen einer WärmedämmbeSchichtung mit Dehnfugen wird nachfolgend mit Bezug auf die Figuren 5 und 6 erläutert. In Figur 5 ist ein wesentlicher Verfahrensschritt beim Aufbringen der WärmedämmbeSchichtung 3 dargestellt, Figur 6 zeigt ein Nabenbauteil einer Turbine vor dem Aufbrin¬ gen der WärmedämmbeSchichtung.
Im erfindungsgemäßen Verfahren wird dort, wo sich die Dehnfu¬ gen 5 später befinden sollen, eine draht- oder seilförmige Struktur über der Oberfläche des Grundkörpers oder, wenn vor¬ handen, der Oberfläche 6 der Haftvermittlerschicht 4 angeord- net. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel werden gespannte
Drähte 9 mittels eines Rahmens (in Fig. 5 nicht dargestellt) mit einem Abstand d über der Oberfläche 6 der Haftvermittler¬ schicht 4 fixiert. Der Abstand d ist dabei größer als die spätere Dicke der WärmedämmbeSchichtung 3.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird nach dem Anbringen des Rahmens mit den gespannten Drähten 9 die keramische Wär¬ medämmbeSchichtung 3 mittels eines EB-PVD-Verfahrens, d.h. durch Abscheiden aus der Gasphase, auf die Haftvermittler- schicht 4 aufgebracht. Dabei lagert sich in denjenigen Berei¬ chen der Oberfläche 6 der Haftvermittlerschicht 4, die sich im Schatten der Drähte 9 befinden, weniger keramisches Mate¬ rial ab als in den Bereichen zwischen den Drähten 9. Auf diese Weise ist die Materialstärke im Schatten der Drähte 9 nach dem Beenden des Abscheidprozesses geringer als zwischen den Drähten 9. Die Bereiche verringerter Materialstärke bil¬ den dann die Dehnfugen 5 in der fertigen WärmedämmbeSchich¬ tung 3. Breite und Tiefe der Dehnfugen 5 können variiert wer¬ den, indem beispielsweise die Richtung, aus der die Abschei- düng des keramischen Materials erfolgt, während des Abschei¬ deprozesses variiert wird. Auch durch den Abstand der Drähte 9 zum zu beschichtenden Grundkörper 2 können die Dehnfugen verändert werden. Im erfindungsgemäßen Verfahren kann der spätere Verlauf der Dehnfugen 5 durch den Verlauf der Drähte 9 bestimmt werden. Wenn beispielsweise die in Figur 4 dargestellte wabenförmige Struktur erzeugt werden soll, so werden mittels des Rahmens nicht einzelne Drähte, sondern ein Drahtnetz mit der entspre¬ chenden Struktur über der zu beschichtende Oberfläche ange¬ bracht.
Figur 6 zeigt ein Beispiel für die Durchführung des erfin- dungsgemäßen Verfahrens an einem Nabenbauteil 30 einer Gas¬ turbine. Um das Nabenbauteil 30 herum wird ein Rahmen 33 an¬ gebracht, der zwei Rahmenteile 35 und 37 umfasst, zwischen denen Drähte 9 gespannt sind. Beim Aufbringen der keramischen WärmedämmbeSchichtung sorgen diese Drähte 9 dann für das Ent- stehen der Dehnfugen. Das erfindungsgemäße Verfahren ermög¬ licht es insbesondere, großflächige Bauteile wie etwa Naben¬ bauteile von Turbinen mit dehnungstoleranten Wärmedämmbe- schichtungen zu versehen. Außerdem ist es mit dem erfindungs¬ gemäßen Verfahren möglich, die dehnungstoleranten Strukturen unter Verwendung der bisherigen Abscheideverfahren für die WärmedämmbeSchichtung herzustellen.
Der Abstand d, mit dem die Drähte 9 über der zu beschichten¬ den Oberfläche 6 angebracht werden, beträgt im Ausführungs- beispiel mindestens ca. 0,2 mm. Er kann jedoch je nach ge¬ wünschter Tiefe und Breite der Dehnfugen variiert, insbeson¬ dere vergrößert werden.
Als Haftvermittlerschicht 4 kann beim erfindungsgemäßen Bau- teil insbesondere eine MCrAlY-Schicht, also eine Schicht aus einer metallischen Legierung, die Chrom (Cr) und Aluminium (Al) umfasst und in der Y für Yttrium oder ein Element der seltenen Erden und M für Eisen (Fe) , Kobalt (Co) oder Nickel (Ni) stehen zur Anwendung kommen. Als keramische Wärmedämmbe- Schichtung eignen sich insbesondere auf Zirkon (Zr) basie¬ rende Beschichtungen, beispielsweise eine Zirkonoxidbeschich- tung.

Claims

Patentansprüche
1. Bauteil (1) aus einem Grundwerkstoff (2) mit einer über dem Grundwerkstoff (2) aufgebrachten Beschichtung (3), insbesondere einer WärmedämmbeSchichtung,
dadurch gekennzeichnet,
dass in der Beschichtung (3) Dehnungsfugen (5) vorhanden sind und dass die netzartig verteilten Dehnungsfugen (5) die Oberflä¬ che (8) der Beschichtung in sechseckige Oberflächenbereiche (7) unterteilen.
2. Bauteil (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
dass die Beschichtung (3) eine Porosität aufweist.
3. Bauteil (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass die Beschichtung (3) eine keramische Beschichtung ist.
4. Bauteil (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
dass der Grundwerkstoff (2) ein metallischer Grundwerkstoff ist und zwischen dem Grundwerkstoff (2) und der keramischen WärmedämmbeSchichtung (3) eine Haftvermittlerschicht (4) vor- handen ist.
5. Bauteil (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch seine Ausgestaltung als Turbinenbauteil (H) •
6. Bauteil (1) nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch seine Ausgestaltung als Nabenbauteil einer Turbine.
7. Verfahren zum Herstellen einer Beschichtung, insbesondere einer WärmedämmbeSchichtung (3) auf einer Bauteiloberfläche,
dadurch gekennzeichnet,
dass vor dem Aufbringen der Beschichtung (3, 13, 23) eine Struktur aus draht- oder seilförmigen Elementen (9) mit Ab¬ stand (d) über der Bauteiloberfläche (6) angeordnet und nach dem Aufbringen der Beschichtung (3, 13, 23) wieder entfernt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,
dass das Aufbringen der Beschichtung (3, 13, 23) mittels eines thermischen Spritzverfahrens oder eines Abscheidepro¬ zesses aus der Gasphase erfolgt.
9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,
dass die Struktur aus den draht- oder seilförmigen Elementen (9) eine netzartige Struktur aufweist.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet,
dass die netzartig verteilten Dehnungsfugen (5, 15, 25) die Oberfläche (8) der Beschichtung (3, 13, 23) in viereckige oder sechseckige Oberflächenbereiche (7, 17, 27) unterteilt.
11. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,
dass die Struktur aus den draht- oder seilförmigen Elementen (9) so verteilt sind, dass sich eine viereckige Struktur mit unterschiedlichen Ab- ständen der parallel verlaufenden Dehnungsfugen (5, 15, 25) ergibt.
EP05776179A 2004-10-05 2005-08-29 Bauteil mit beschichtung und verfahren zum herstellen einer beschichtung Withdrawn EP1797214A1 (de)

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