EP2201151A2 - Verschleissschutzbeschichtung - Google Patents

Verschleissschutzbeschichtung

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EP2201151A2
EP2201151A2 EP08840008A EP08840008A EP2201151A2 EP 2201151 A2 EP2201151 A2 EP 2201151A2 EP 08840008 A EP08840008 A EP 08840008A EP 08840008 A EP08840008 A EP 08840008A EP 2201151 A2 EP2201151 A2 EP 2201151A2
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EP
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layer
protection coating
wear protection
smoothing layer
smoothing
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP08840008A
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Inventor
Wolfgang Eichmann
Falko Heutling
Thomas Uihlein
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MTU Aero Engines AG
Original Assignee
MTU Aero Engines GmbH
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Publication date
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    • Y10T428/24364—Continuous and nonuniform or irregular surface on layer or component [e.g., roofing, etc.] with transparent or protective coating

Definitions

  • the invention relates to a wear protection coating, in particular an erosion protective coating, preferably for gas turbine components, according to the preamble of patent claim 1.
  • Components subject to flow mechanics such as gas turbine components, are subject to wear as a result of oxidation, corrosion and erosion. Erosion is a wear process caused by solids moving in the gas flow.
  • wear protection coatings are required which protect the components against wear, in particular against erosion, corrosion and oxidation.
  • EP0674020B1 a multilayer, erosion-resistant coating for the surfaces of substrates is known.
  • the erosion-resistant coating disclosed therein provides a wear-resistant coating consisting of multiple multilayer systems applied repetitively on the substrate to be coated.
  • the multi-layer systems applied in repetition are each formed from two different layers, namely on the one hand of a layer of a metallic material and on the other hand of a layer of titanium diboride.
  • EP0366289A1 discloses another erosion resistant and corrosion resistant coating for a substrate. Also according to EP 0366289 A1, the wear protection coating is formed from a plurality of multilayer systems applied in repetition on the substrate to be coated, each multilayer system again consisting of two different layers, namely a metallic layer, for example titanium, and a ceramic layer, for Example of titanium nitride.
  • EP0562108B1 Another erosion-resistant wear protection coating is known from EP0562108B1.
  • the wear protection coating disclosed there is again several formed in repetition on a multi-layer system applied to a substrate to be coated.
  • FIG. 4 of EP0562108B1 discloses a wear protection coating formed from a plurality of repeatedly applied multilayer coating systems, each multilayer coating system consisting of four layers.
  • the wear protection coatings are preferably applied by vapor deposition to the surface of a component to be coated and thus protected, whereby the roughness on an outer, flow-relevant surface of the component can be increased by vapor deposition of a wear protection coating.
  • the increase in roughness is aerodynamically unfavorable, since flow losses can form.
  • an increase in roughness can result in faster and more severe contamination, as deposits of contaminants on rough surfaces can more readily deposit.
  • An increased roughness also causes an accelerated attack of the surface of the component in case of erosion by hard particles. There is therefore a need to improve wear protection coatings.
  • the present invention is based on the problem to provide a novel anti-wear coating.
  • an outer layer is formed as a smoothing layer, which compensates for unevenness or roughness and / or defects of the wear protection coating.
  • the present invention it is proposed to apply to the actual wear protection coating on the outside a smoothing layer which compensates for unevenness or roughness or even defects of the wear protection coating.
  • This provides a highly smooth superfinish surface which results in a reduction in aerodynamic losses and contamination of the coated component counteracts.
  • the erosion resistance can be improved.
  • an improvement in the oxidation and corrosion resistance is expected.
  • the smoothing layer is formed as a sol-gel layer, which has a thickness in the order of the unevenness or roughness and / or defects to be compensated.
  • FIG. 1 shows a highly schematic cross-section through an inventive wear protection coating according to an embodiment of the invention.
  • the present invention relates to a wear protection coating, in particular an erosion protection coating, for a surface to be protected of a fluid mechanical stressed component, in particular a component of a gas turbine, such. B. a blade or vane of a gas turbine.
  • FIG. 1 shows a highly schematic cross-section through a wear-resistant coating 10 according to the invention, which is applied to an outer surface 11 of a fluidically stressed component 12, in particular a gas turbine blade.
  • An outer layer of the wear protection coating 10 according to the invention is designed as a smoothing layer 13, wherein the smoothing layer 13 compensates for unevenness or roughness and / or imperfections of the actual wear protection coating.
  • the smoothing layer 13 in this case has a thickness which is in the order of magnitude of the unevenness or roughness and / or defects to be compensated.
  • the smoothing layer 13 preferably has a thickness between 1 .mu.m and 10 .mu.m.
  • the thickness of the smoothing layer is between 5 ⁇ m and 10 ⁇ m.
  • the thickness of the smoothing layer 13 may also be between 1 ⁇ m and 5 ⁇ m.
  • the smoothing layer 13 forms the outer layer or layer of the wear protection coating according to the invention, wherein in the exemplary embodiment of FIG. 1 two multilayer systems 14, 15 are applied to the surface 11 of the component 12 to be coated, and wherein each multilayer system 14 15 comprises a relatively soft, metallic layer 16 and a relatively hard ceramic layer 17.
  • the outer smoothing layer 13 is applied to the outer, relatively hard, ceramic layer 17 of the outer multilayer system 15.
  • the smoothing layer 13 of the wear protection coating according to the invention is designed as a sol-gel layer.
  • a liquid phase, a so-called SoI, z. B. by dipping, spraying or brushing applied to the outer layer 17 of the outer multi-layer system 15 and then dried by tempering and cured.
  • the liquid phase namely the sol
  • transforms into a solid phase into a so-called gel.
  • the drying and curing can be combined with a heat treatment.
  • the application of the smoothing layer 13 formed as a sol-gel layer to the outer hard layer 17 of the multilayer system 15 has the advantage that the relatively hard layer 17 provides a supporting effect for the relatively thin sol-gel layer and thus the smoothing layer 13, which in particular supports the connection of the smoothing layer 13 under mechanical stress.
  • the smoothing layer 13 there is preferably provided a silicate-based or carbon-based or metal oxide-based or polymer-based sol-gel layer. It is therefore within the meaning of the present invention as an outer layer of a wear protection coating to provide a smoothing layer 13, which compensates for unevenness or roughness and / or defects of the actual wear protection coating.
  • the smoothing layer 13 is preferably formed as a sol-gel layer, with a thickness which is in the order of the unevenness or roughness and / or defects to be compensated.
  • the smoothing layer 13 is used when the wear protection coating is formed from a plurality of multilayer coating systems, wherein the smoothing layer is then applied to the outer layer of the outer multilayer coating system.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Verschleißschutzbeschichtung (10), insbesondere Erosionsschutzbeschichtung, die auf eine zu schützende Oberfläche (11) eines strömungsmechanisch beanspruchten Bauteils (12), insbesondere eines Gasturbinenbauteils, aufgebracht ist. Erfindungsgemäß ist eine äußere Schicht als Glättungsschicht (13) ausgebildet, welche Unebenheiten bzw. Rauhigkeiten und/oder Fehlstellen der Verschleißschutzbeschichtung ausgleicht.

Description

Verschleißschutzbeschichtung
Die Erfindung betrifft eine Verschleißschutzbeschichtung, insbesondere eine Erosions- schutzbeschichtung, vorzugsweise für Gasturbinenbauteile, nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Strömungsmechanisch belastete Bauteile, wie zum Beispiel Gasturbinenbauteile, unterliegen einem Verschleiß infolge von Oxidation, Korrosion und Erosion. Bei der Erosion handelt es sich um einen Verschleißvorgang, der durch in der Gasströmung mitbewegte, feste Stoffe hervorgerufen wird. Um die Lebensdauer von strömungsmechanisch belasteten Bauteilen zu verlängern, sind Verschleißschutzbeschichtungen erforderlich, welche die Bauteile vor Verschleiß schützen, insbesondere gegen Erosion, Korrosion und Oxidation.
Aus der EP0674020B1 ist ein mehrfachlagiger, erosionsresistenter Überzug für die Oberflächen von Substraten bekannt. Der dort offenbarte, erosionsresistente Überzug stellt eine Verschleißschutzbeschichtung bereit, die aus mehreren in Wiederholung auf dem zu beschichtenden Substrat aufgebrachten Mehrlagenschichtsystemen besteht. So sind bei der EP0674020B1 die in Wiederholung aufgebrachten Mehrlagenschichtsysteme aus jeweils zwei unterschiedlichen Schichten gebildet, nämlich einerseits aus einer Schicht eines metallischen Materials und andererseits aus einer Schicht aus Titandiborid.
Die EP0366289A1 offenbart eine weitere erosionsbeständige sowie korrosionsbeständige Beschichtung für ein Substrat. Auch gemäß der EP0366289 Al wird die Verschleißschutzbeschichtung aus mehreren, in Wiederholung auf dem zu beschichteten Substrat aufgebrachten Mehrlagenschichtsystemen gebildet, wobei jedes Mehrlagenschichtsystem wiederum aus zwei unterschiedlichen Schichten besteht, nämlich aus einer metallischen Schicht, zum Beispiel aus Titan, und aus einer keramischen Schicht, zum Beispiel aus Titannitrid.
Eine weitere erosionsbeständige Verschleißschutzbeschichtung ist aus der EP0562108B1 bekannt. So ist die dort offenbarte Verschleißschutzbeschichtung wiederum aus mehreren in Wiederholung auf einem zu beschichtenden Substrat aufgebrachten Mehrlagenschicht- systemen gebildet. Die Fig. 4 der EP0562108B1 offenbart dabei eine aus mehreren, in Wiederholung aufgebrachten Mehrlagenschichtsystemen gebildete Verschleißschutzbe- schichtung, wobei jedes Mehrlagenschichtsystem aus vier Schichten besteht.
Die Verschleißschutzbeschichtungen werden vorzugsweise auf die zu beschichtende und damit zu schützende Oberfläche eines Bauteils aufgedampft, wobei sich durch das Aufdampfen einer Verschleißschutzbeschichtung die Rauhigkeit an einer äußeren, strömungsrelevanten Oberfläche des Bauteils erhöhen kann. Die Erhöhung der Rauhigkeit ist aerodynamisch ungünstig, da sich Strömungsverluste ausbilden können. Weiterhin kann eine Erhöhung der Rauhigkeit zu einer schnelleren und stärkeren Verschmutzung führen, da sich Ablagerungen von Verunreinigungen auf rauen Oberflächen leichter anlagern können. Eine erhöhte Rauhigkeit bewirkt auch einen beschleunigten Angriff der Oberfläche des Bauteils bei Erosion durch harte Partikel. Es besteht daher ein Bedarf Verschleißschutzbeschichtungen zu verbessern.
Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung das Problem zu Grunde, eine neuartige Verschleißschutzbeschichtung zu schaffen.
Dieses Problem wird dadurch gelöst, dass die eingangs genannte Verschleißschutzbeschichtung durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 1 weitergebildet ist. Erfindungsgemäß ist eine äußere Schicht als Glättungsschicht ausgebildet, welche Unebenheiten bzw. Rauhigkeiten und/oder Fehlstellen der Verschleißschutzbeschichtung ausgleicht.
Mit der hier vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, auf die eigentliche Verschleißschutzbeschichtung außen eine Glättungsschicht aufzutragen, welche Unebenheiten bzw. Rauhigkeiten oder auch Fehlstellen der Verschleißschutzbeschichtung ausgleicht. Hierdurch wird eine hochglatte Superfinish-Oberfiäche bereitgestellt, die eine Reduktion von aerodynamischen Verlusten bewirkt und einer Verschmutzung des beschichteten Bauteils entgegenwirkt. Darüber hinaus kann die Erosionsbeständigkeit verbessert werden. Zusätzlich ist mit einer Verbesserung der Oxidations- und Korrosionsbeständigkeit zu rechnen.
Vorzugsweise ist die Glättungsschicht als Sol-Gel-Schicht ausgebildet, die eine Dicke in der Größenordnung der auszugleichenden Unebenheiten bzw. Rauhigkeiten und/oder Fehlstellen aufweist.
Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. Ausführungsbeispiele der Erfindung werden, ohne hierauf beschränkt zu sein, an Hand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:
Fig. 1 einen stark schematisierten Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Ver- schleißschutzbeschichtung nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Die hier vorliegende Erfindung betrifft eine Verschleißschutzbeschichtung, insbesondere eine Erosionsschutzbeschichtung, für eine zu schützende Oberfläche eines strömungsmechanisch beanspruchten Bauteils, insbesondere eines Bauteils einer Gasturbine, wie z. B. eine Laufschaufel oder Leitschaufel einer Gasturbine.
Fig. 1 zeigt einen stark schematisierten Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Verschleißschutzbeschichtung 10, die auf eine äußere Oberfläche 11 eines strömungstechnisch beanspruchten Bauteils 12, insbesondere einer Gasturbinenschaufel, aufgebracht ist.
Eine äußere Schicht der erfindungsgemäßen Verschleißschutzbeschichtung 10 ist als Glättungsschicht 13 ausgebildet, wobei die Glättungsschicht 13 Unebenheiten bzw. Rauhigkeiten und/oder Fehlstellen der eigentlichen Verschleißschutzbeschichtung ausgleicht.
Die Glättungsschicht 13 weist dabei eine Dicke auf, die in der Größenordnung der auszugleichenden Unebenheiten bzw. Rauhigkeiten und/oder Fehlstellen liegt. Die Glättungsschicht 13 weist vorzugsweise eine Dicke zwischen 1 μm und 10 μm auf. Vorzugsweise beträgt die Dicke der Glättungsschicht zwischen 5 μm und 10 μm. Alternativ kann die Dicke der Glättungsschicht 13 auch zwischen 1 μm und 5 μm betragen.
Wie bereits ausgeführt, bildet die Glättungsschicht 13 die äußere Schicht bzw. Lage der er- findungsgemäßen Verschleißschutzbeschichtung, wobei im gezeigten Ausfuhrungsbeispiel der Fig. 1 zwei Mehrlagenschichtsysteme 14, 15 auf die zu beschichtende Oberfläche 11 des Bauteils 12 aufgebracht sind, und wobei jedes Mehrlagenschichtsystem 14, 15 eine relativ weiche, metallische Schicht 16 und eine relativ harte, keramische Schicht 17 umfasst. Die äußere Glättungsschicht 13 ist auf die äußere, relativ harte, keramische Schicht 17 des äußeren Mehrlagenschichtsystems 15 aufgebracht.
Die Glättungsschicht 13 der erfindungsgemäßen Verschleißschutzbeschichtung ist als SoI- Gel-Schicht ausgeführt. Hierzu wird eine flüssige Phase, ein sogenanntes SoI, z. B. durch Tauchen, Spritzen oder Pinseln auf die äußere Schicht 17 des äußeren Mehrlagenschichtsystems 15 aufgebracht und anschließend durch eine Temperierung getrocknet sowie ausgehärtet.
Bei der Trocknung sowie Aushärtung wandelt sich die flüssige Phase, nämlich das SoI, in ein feste Phase, in ein sogenanntes Gel, um. Das Trocknen und Aushärten kann mit einer Wärmebehandlung kombiniert werden.
Das Aufbringen der als Sol-Gel-Schicht ausgebildeten Glättungsschicht 13 auf die äußere harte Schicht 17 des Mehrlagenschichtsystems 15 verfügt über den Vorteil, dass die relativ harte Schicht 17 eine Stützwirkung für die relativ dünne Sol-Gel-Schicht und damit die Glättungsschicht 13 bereitstellt, was insbesondere die Anbindung der Glättungsschicht 13 bei mechanischer Belastung unterstützt.
Als Glättungsschicht 13 wird vorzugsweise eine Sol-Gel-Schicht auf Silikatbasis oder Kohlenstoffbasis oder Metalloxidbasis oder Polymerbasis bereitgestellt. Es liegt demnach im Sinne der hier vorliegenden Erfindung als äußere Schicht einer Ver- schleißschutzbeschichtung eine Glättungsschicht 13 bereitzustellen, welche Unebenheiten bzw. Rauhigkeiten und/oder Fehlstellen der eigentlichen Verschleißschutzbeschichtung ausgleicht. Die Glättungsschicht 13 ist dabei vorzugsweise als Sol-Gel-Schicht ausgebildet, mit einer Dicke, die in der Größenordnung der auszugleichenden Unebenheiten bzw. Rauhigkeiten und/oder Fehlstellen liegt. Besonders bevorzugt findet die Glättungsschicht 13 dann Verwendung, wenn die Verschleißschutzbeschichtung aus mehreren Mehrlagen- schichtsystemen gebildet ist, wobei dann die Glättungsschicht auf die äußere Schicht des äußeren Mehrlagenschichtsystems aufgebracht ist.

Claims

Patentansprüche
1. Verschleißschutzbeschichtung, insbesondere Erosionsschutzbeschichtung, die auf eine zu schützende Oberfläche eines strömungsmechanisch beanspruchten Bauteils, insbesondere eines Gasturbinenbauteils, aufgebracht ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine äußere Schicht als Glättungsschicht (13) ausgebildet ist, welche Unebenheiten bzw. Rauhigkeiten und/oder Fehlstellen der Verschleißschutzbeschichtung ausgleicht.
2. Verschleißschutzbeschichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Glättungsschicht (13) eine Dicke in der Größenordnung der auszugleichenden Unebenheiten bzw. Rauhigkeiten und/oder Fehlstellen aufweist.
3. Verschleißschutzbeschichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Glättungsschicht (13) eine Dicke zwischen 1 μm und 10 μm aufweist.
4. Verschleißschutzbeschichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Glättungsschicht (13) eine Dicke zwischen 1 μm und 5 μm aufweist.
5. Verschleißschutzbeschichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Glättungsschicht (13) eine Dicke zwischen 5 μm und.10 μm aufweist.
6. Verschleißschutzbeschichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Glättungsschicht (13) als Sol-Gel-Schicht ausgebildet ist.
7. Verschleißschutzbeschichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Sol-Gel-Schicht auf einer Silikatbasis oder Metalloxidbasis oder Kohlenstoffbasis oder Polymerbasis ausgebildet ist.
8. Verschleißschutzbeschichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass dieselbe aus einem oder mehreren, in Wiederholung auf die zu schützende Oberfläche aufgebrachten Mehrlagenschichtsystem gebildet ist, wobei das oder jedes Mehrlagenschichtsystem mindestens eine relativ weiche, metallische Schicht und mindestens eine relativ harte, keramische Schicht umfasst, wobei die äußere Glät- tungsschicht auf eine äußere, relativ harte, keramische Schicht des äußeren Mehrla- genschichtsystems aufgebracht ist.
EP08840008A 2007-10-19 2008-10-10 Verschleissschutzbeschichtung Withdrawn EP2201151A2 (de)

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