EP3572551A1

EP3572551A1 - Verfahren zur beschichtung eines substrates mit einer hohlraumstruktur

Info

Publication number: EP3572551A1
Application number: EP19174701.3A
Authority: EP
Inventors: Susanne Schrüfer; Tanja Wobst; Robert Vassen; Georg Mauer; Ralf Laufs; Karl-Heinz Rauwald
Original assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH; Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Current assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH; Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Priority date: 2018-05-23
Filing date: 2019-05-15
Publication date: 2019-11-27
Anticipated expiration: 2039-05-15
Also published as: EP3572551B1; DE102018112353A1; US20190360107A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beschichtung eines Substrates (40) mit einer Hohlraumstruktur (41), insbesondere einer Kühlstruktur, im Inneren des Substrats (40), wobei die Hohlraumstruktur (41) Öffnungen (42) in der Oberfläche (O) des Substrats (40) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dassa) mindestens eine haftvermittelnde Schicht, insbesondere eine Diffusionsschicht (31) oder mindestens eine metallische Schicht auf das Substrat (40), insbesondere auf die Oberfläche (O) des Substrates (40), aufgebracht wird und anschließendb) mindestens eine thermische Schutzschicht (32) unter Verwendung eines Plasma-Spray PVD (PS-PVD) Verfahrens, eines Hohlkathoden-Sputter Verfahrens oder eines Suspension Plasma Spray (SPS) Verfahrens auf die mindestens eine Diffusionsschicht (31) aufgebracht wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beschichtung eines Substrates mit einer Hohlraumstruktur mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
In vielen Bereichen der Technik, wie z.B. im Bereich von Flugzeugtriebwerken, werden Bauteile durch hohe Temperaturen beansprucht. In den meisten Fällen sind diese Bauteile heißen Gasen, wie z.B. Verbrennungsgasen in Ofen-Feuerungen oder in Brennkammern von Flugzeugtriebwerken, ausgesetzt. Daher ist die thermische Widerstandsfähigkeit solcher Bauteile von Bedeutung.
Ein Mittel zur Erhöhung der thermischen Widerstandsfähigkeit ist eine Beschichtung eines Substrates für ein Bauteil mit einer thermischen Schutzschicht (TBC Thermal Barrier Coating). Verfahren zur Beschichtung mit einer thermischen Schutzschicht sind z.B. aus folgenden Veröffentlichungen bekannt:

EP 3 150 741 A1 ,
Goral et al., The technology of Plasma Spray Physical Vapour Deposition, Journal of Achievements in Materials and Manufacturing Engineering Vol. 55, No. 2, S. 689 ff,
Goral et al., The PS-PVD method - formation of columnar TBCs on CMSX-4 superalloy, Journal of Achievements in Materials and Manufacturing Engineering Vol. 55, No. 2, S. 907 ff;
Mauer et al. Novel opportunities for thermal spray by PS-PVD, Surface & Coating Technology, Vol. 269 (2015), S. 53 ff,
Mauer et al., Process diagnostic in suspension plasma spraying, Surface & Coating Technology, Vol. 205 (2010), S. 961 ff.

Metallische Substrate, aus denen solche Bauteile aufgebaut werden, weisen u.U. Hohlraumstrukturen, wie z.B. Kühlkanäle, auf, wobei die internen Hohlraumstrukturen in Öffnungen an der Oberfläche der Substrate münden. Die Hohlraumstrukturen können beim Herstellungsprozess (z.B. durch ein additives Schichtaufbringungsverfahren; ALM (Additive Layer Manufacturing)) im Substrat aufgebaut werden oder die Hohlraumstrukturen werden nach der Herstellung des Substrates z.B. durch Laserbohren in ein gegossenes Substrat eingebracht.
Es besteht die Aufgabe, effiziente Verfahren zur Beschichtung von Substraten mit einer bereits vorhandenen, internen Hohlraumstruktur der beschriebenen Art zu schaffen.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Dabei wird ein Substrat mit einer internen Hohlraumstruktur, insbesondere einer Kühlstruktur, beschichtet. Die Hohlraumstruktur weist dabei Öffnungen in der Oberfläche des Substrats auf.
In einem ersten Schritt wird mindestens eine haftvermittelnde Schicht auf das Substrat aufgebracht. Dabei kann eine Diffusionsschicht (d.h. eingebracht durch ein Diffusionsverfahren) auf das Substrat aufgebracht werden oder eine andere metallische Schicht.
Die Diffusionsschicht dient u.a. der Haftvermittlung für die nachfolgend aufgebachte, mindestens eine thermische Schutzschicht.
Die mindestens eine thermische Schutzschicht wird unter Verwendung eines Plasma-Spray PVD (PS-PVD) Verfahrens, eines Hohlkathoden-Sputter-Verfahrens oder eines Suspension Plasma Spray (SPS) Verfahrens auf die mindestens eine Diffusionsschicht aufgebracht. Das PS-PVD Verfahren ist kein "line-of-sight" Beschichtungsverfahren, so dass es möglich ist, weniger Material im Bereich der Öffnungen abzuscheiden.
Alle drei Verfahren sind gut dafür geeignet, die Öffnungen der bereits vorhandenen internen Hohlraumstruktur bei der Beschichtung nicht oder nur wenig zu blockieren. Dies liegt u.a. daran, dass die feinen Teilchen in dem vorhandenen Gasströmen der Verfahren so klein sind, dass sie vom Gasstrom mitgeführt werden. Das Freihalten der Öffnungen erspart aufwändige Nacharbeiten, wie z.B. das nachträgliche Aufbohren mit einem Laserbohrverfahren.
In einer Ausführungsform weist das SPS Verfahren einen Gasstrom mit einer Strömungskomponente parallel zur Oberfläche des Substrates auf, d.h. die Hauptströmungsrichtung des Gasstroms ist nicht senkrecht auf das Substrat gerichtet. In einer besonderen Ausführungsform weist die Hauptströmungsrichtung des Gasstroms einen Winkel α zur Oberfläche des Substrats auf, der kleiner als 30° ist, insbesondere kleiner als 15° ist. Auch kann in einer ganz besonderen Ausführungsform die Hauptströmungsrichtung des Gasstroms parallel zur Oberfläche des Substrats liegen. Bei einem flachen Auftreffwinkel oder gar einer parallelen, zum Substrat orientierten Hauptströmungsrichtung wird eine mögliche Blockade der Öffnungen der Hohlraumstrukturen minimiert.
In einer weiteren Ausführungsform ist der Gasstrom ein Prozessgasstrom und / oder Trägergasstrom des SPS Verfahrens. Damit erfolgt eine Interaktion zwischen dem Gasstrom und dem Substrat, indem ein direktes Abscheiden aus dem Gasstrom auf die Oberfläche des Substrats erfolgt. Dies reduziert die Abscheidung in Vertiefungen in der Oberfläche.
Dabei ist es insbesondere möglich, dass der Teilen beladene Gasstrom durch eine Stokes Zahl St < 1, insbesondere von St < 0.1, ganz insbesondere von St < 0,01, ganz insbesondere St < 0.001 charakterisiert wird. Die dimensionslose Stokes-Zahl St ist ein Maß für die Massenträgheit eines Teilchens für seine Bewegung in einem bewegten Fluid, hier einem Gas. Sie ist das Verhältnis der charakteristischen Zeit t_T, mit der sich durch Reibung die Geschwindigkeit des Teilchens der Geschwindigkeit des umgebenden Gases anpasst, zur charakteristischen Zeit t_P, in der das Gas selbst durch äußere Einflüsse seine Geschwindigkeit ändert.
In einer Ausführungsform wird die mindestens eine Diffusionsschicht durch ein Pack Aluminizing, ein PVD- Verfahren oder ein additives Schichtenverfahren aufgebracht. Alle diese Verfahren erlauben das effiziente Aufbringen der dünnen Diffusionsschicht.
Diese kann in einer Ausführungsform einen Anteil an MCrAIY mit

M ausgewählt aus Nickel, Kobalt, Eisen und
Y ausgewählt aus Yttrium, Ytterbium, Lanthan oder einer Seltenen Erde

Es ist auch möglich, dass die mindestens eine Diffusionsschicht einen Anteil an einem X-Aluminid mit
X ausgewählt aus Aluminium, Chrom, Platin und / oder Nickel
aufweist oder aus diesem Substanzen besteht.
In einer Ausführungsform weist die mindestens eine thermische Schutzschicht einen Anteil aus Yttrium (z.B. in Form von Y₂O₃) und / oder stabilisiertem Zirkoniumoxid (ZrO₂) auf oder besteht aus dieser Substanz.
In einer weiteren Ausführungsform ist das Substrat metallisch und mindestens teilweise durch ein additives Schichtaufbringungsverfahren (ALM) oder durch ein Gussverfahren hergestellt. Diese Verfahren erlauben die Herstellung komplex geformter Bauteile, wie z.B. Turbinenschaufeln.
Da die Bauteile im Betrieb thermisch hoch belastet werden, weist das Substrat einen Anteil einer Hochtemperatur-Nickellegierung, insbesondere CMSX4, CMSX3, C 263, Mar M 002 und / oder C 1023 auf oder besteht aus einem solchen Material.
Ferner können Kanäle der Hohlraumstruktur und / oder die Öffnungen der Hohlraumstruktur einen mittleren Durchmesser zwischen 0,5 bis 1,5 mm, insbesondere 1 mm aufweisen. Diese Dimensionen erlauben die effiziente Verwendung der Hohlraumstruktur für Kühlzwecke.
Mit mindestens einer der Ausführungsformen für ein Verfahren zur Beschichtung ist ein Substrat mit einer Hohlraumstruktur im Inneren des Substrats herstellbar, wobei die Hohlraumstruktur Öffnungen in der Oberfläche des Substrats aufweist.
Ein dermaßen hergestelltes Substrat kann z.B. in einer Brennkammerschindel einer Brennkammer eines Flugzeugtriebwerkes, in einer Turbinenschaufel eines Flugzeugtriebwerkes oder in einem Liner einer Turbine in einem Flugzeugtriebwerk verwendet werden.
In Zusammenhang mit den in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen wird die Erfindung erläutert. Dabei zeigt

Fig. 1: eine schematische Teilschnittansicht eines Flugzeugtriebwerkes;
Fig. 2A: eine schematische perspektivische Ansicht einer Ausführungsform eines Substrates mit einer internen Hohlraumstruktur;
Fig. 2B: eine Schnittansicht des Substrats gemäß Fig. 2A, versehen mit einer Diffusionsschicht;
Fig. 2C: eine Schnittansicht des beschichteten Substrats gemäß Fig. 2B, versehen mit einer thermischen Schutzschicht;
Fig. 3A: eine Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform eines Substrates mit einer Diffusionsschicht, die mittels eines SPS Verfahrens mit einer thermischen Schutzschicht beschichtet wird, wobei ein Gasstrom unter einem Winkel zur Oberfläche des Substrates geführt wird;
Fig. 3B: eine Schnittansicht einer Ausführungsform eines Substrates mit einer Diffusionsschicht, die mittels eines SPS Verfahrens mit einer thermischen Schutzschicht beschichtet wird, wobei ein Gasstrom parallel zur Oberfläche des Substrates geführt wird.

Das Flugzeugtriebwerk 10 gemäß Fig. 1 zeigt ein grundsätzlich bekanntes Beispiel einer Turbomaschine. Diese ist lediglich ein Beispiel für eine Vorrichtung, in der Substrate 40 mit einer internen Hohlraumstruktur 41 (siehe Fig. 2) für thermisch belastete Bauteile verwendet werden. Grundsätzlich ist es auch möglich, solche Substrate 40 auch in anderen Vorrichtungen, wie z.B. Ofen-Feuerungen, zu verwenden.
Das Flugzeugtriebwerk 10 ist in an sich bekannter Weise meistens als Mehr-Wellen-Triebwerk ausgebildet und umfasst in Strömungsrichtung hintereinander einen Lufteinlass 11, einen in einem Fangehäuse 24 umlaufenden Fan 12 (entsprechend einem Niederdruckkompressor), einen Mitteldruckkompressor 13, einen Hochdruckkompressor 14, eine Brennkammer 15, eine Hochdruckturbine 16, eine Mitteldruckturbine 17 und eine Niederdruckturbine 18, sowie eine Abgasdüse 19, die sämtlich um eine zentrale Triebwerksachse 1 angeordnet sind.
Die Hochdruckturbine 16 ist dazu ausgebildet, den Hochdruckkompressor 14 über eine Hochdruckwelle 20 anzutreiben. Die Mitteldruckturbine 17 ist dazu ausgebildet, den Mitteldruckkompressor 13 über eine Mitteldruckwelle 21 anzutreiben. Die Niederdruckturbine 18 ist dazu ausgebildet, den Fan 12 über eine Niederdruckwelle 22 anzutreiben.
Alternative Ausführungsformen eines Flugzeugtriebwerks 10 können auch zwei Wellen statt drei Wellen aufweisen.
In einer hier nicht dargestellten Ausführungsform ist die Antriebswelle des Fans 12 mit einem Untersetzungsgetriebe gekoppelt, so dass der Fan 12 mit einer niedrigeren Drehzahl als die antreibende Turbine betrieben werden kann. Auch in solchen Getriebe-Fan Triebwerken werden thermisch belastete Bauteile mit Subtraten 40 mit internen Hohlraumstrukturen 41 verwendet.
Bei der Ausführungsform, die in Fig. 1 dargestellt ist, strömt ein erster Teil des Luftstroms, der durch das Flugzeugtriebwerk 10 geht, durch den Mitteldruckkompressor 13 und den Hochdruckkompressor 14, wobei der Druck des Luftstroms erhöht wird. Dieser Luftstrom wird dann der Brennkammer 15 zugeführt und mit eingedüstem Brennstoff verbrannt. Die bei der Verbrennung entstehenden heißen Gase strömen durch die Hochdruckturbine 16, die Mitteldruckturbine 17 und die Niederdruckturbine 18 und treiben sie dadurch an. Schließlich strömen die heißen Gase aus der Abgasdüse 19 aus und erzeugen somit einen Teil des Schubs des Flugzeugtriebwerks 10.
Ein zweiter Teil des Luftstroms wird um den Hauptteil des Flugzeugtriebwerks herumgeführt und strömt durch einen Nebenstromkanal 23, der durch ein Fangehäuse 24 definiert wird. Dieser zweite Teil der Luft verlässt das Flugzeugtriebwerk 10 durch eine Fandüse 25 und erzeugt dabei einen größeren Teil des Schubs - verglichen mit dem austretenden Gas aus der Abgasdüse 19 - des Flugzeugtriebwerks 10.
In Fig. 2A bis 2C ist eine Ausführungsform eines Verfahrens zur Beschichtung eines Substrates 40 mit einer internen Hohlraumstruktur 41 schematisch dargestellt.
Dabei zeigt Fig. 2A eine Ausgangssituation, d.h. ein Substrat 40, das eine interne Hohlraumstruktur 41 aufweist. Die Darstellung gemäß Fig. 2A ist aus Gründen der Einfachheit in mehrfacher Hinsicht vereinfachend dargestellt. So ist das Substrat 40 vereinfachend als Würfel dargestellt, wobei grundsätzlich auch andere Substratformen, insbesondere komplexe Formen, die z.B. an die baulichen Gegebenheiten in dem Flugzeugtriebwerk 10 angepasst sind, verwendbar sind. Das dargestellte Substrat 40 gemäß Fig. 2A kann auch als Ausschnitt aus einem größeren Teil aufgefasst werden.
Die Hohlraumstruktur 41 im Inneren des Substrates 40 wird in der Ausführungsform gemäß Fig. 2A durch drei röhrenförmige Hohlräume (z.B. als zur Oberfläche O unter einem Winkel β geneigte Bohrungen, siehe Fig. 2B) mit Öffnungen 42 in zwei Oberflächen O des Substrates 40 symbolisiert. Grundsätzlich ist es auch möglich, dass eine Vielzahl von Bohrungen als Hohlraumstruktur 41 verwendet wird. Auch müssen die Bohrungen nicht alle in eine Richtung verlaufen. Es ist auch möglich, dass eine komplexe, amorphe oder Wabenstruktur im Inneren des Substrates 40 als Hohlraumstruktur 41 verwendet wird. Typischerweise liegen die mittleren Durchmesser der Hohlräume (in Fig. 1 der röhrenförmigen Hohlräume) im Bereich von 0,5 bis 1,5 mm. Die Hohlraumstruktur 41 kann z.B. Teil eines Kühlsystems sein, dass von einem Kühlmittel durchströmbar ist. So können Turbinenschaufeln mit einem inneren Kühlsystem ausgestattet sein.
Das Substrat 40 kann durch ein additives Herstellungsverfahren (ALM: Additive Layer Manufacturing) oder durch ein Gussverfahren hergestellt werden. Die Hohlraumstruktur 41 kann z.B. durch Laserbohrungen oder beim ALM aufgebaut werden.
Bei einer ALM Herstellung aus einem Pulverbett wird das Substrat 40 Schicht für Schicht aus einer Nickel-Legierung (Beispiele werden unten angegeben) durch Lasersinterung oder Laserschmelzen aufgebaut. Typische Parameter sind dabei Temperaturen zwischen 900 und 1000 °C, Drücke zwischen 100 und 110 MPa und Zeiten bis zu 2 Stunden. Wenn es erforderlich erscheint, kann das Substrat 40 vor einer Beschichtung poliert oder geschliffen werden.
Das Substrat 40 kann aber auch durch ein Blown Powder ALM Verfahren oder ein Cold Spray Verfahren hergestellt werden.
In jedem Fall weist das Substrat 40 bereits vor den nachfolgenden Beschichtungen eine interne Hohlraumstruktur 41 auf.
Das Substrat 40 ist in der dargestellten Ausführungsform metallisch und ist mindestens teilweise durch ein Schichtaufbringungsverfahren oder durch ein Gussverfahren hergestellt. Dabei kann das Substrat 40 einen Anteil einer Hochtemperatur-Nickellegierung, insbesondere CMSX4, CMSX3, C 263, Mar M 002 oder C 1023 aufweisen oder aus einer solchem Material bestehen.
Eine typische Zusammensetzung für CMSX4 der Firma Cannon-Muskegon ist (außer Nickel):

6,5 Gew.-% Cr,
9,6 Gew.-% Co,
0,6 Gew.-% Mo,
6,4 Gew.-% W,
5,6 Gew.-% Al,
1,0 Gew.-% Ti,
6,5 Gew.-% Ta.

3,0 Gew.-% Re,
0,1 Gew.-% Hf.

Eine typische Zusammensetzung für CMSX3 der Firma Cannon-Musgekon ist (außer Nickel):

8,0 Gew.-% Cr,
4,8 Gew.-% Co,
0,6 Gew.-% Mo,
8,0 Gew.-% W,
5,6 Gew.-% Al,
1,0 Gew.-% Ti,
6,3 Gew.-% Ta,
0,1 Gew.-% Hf.

Eine typische Zusammensetzung für C 263 (außer Nickel):

16 Gew.-% Cr,
15 Gew.-% Co,
3 Gew.-% Mo,
1,25 Gew.-% W,
2,5 Gew.-% Al,
5,0 Gew.-% Ti,
0,025 Gew.-% C,
0,018 Gew.-% B,

Eine typische Zusammensetzung für Mar M 002 der Firma Cannon-Muskegon ist (außer Nickel):

8,0 Gew-% Cr,
10 Gew-% Co,
10 Gew-% W,
5,5 Gew-% Al,
1,5 Gew-% Ti,
2,6 Gew-% Ta,
1,5 Gew.-% Hf,
0,15 Gew.% C,
0,015 Gew-% B,
0,03 Gew.-% Zr.

Eine typische Zusammensetzung für C 1023 ist (außer Nickel):

4,2 Gew.-% Al,
0,16 Gew.-% C,
10 Gew.-% Co,
15,5 Gew.-% Cr,
8,5 Gew.-% Mo,
3,6 Gew.-% Ti,
0,006 Gew.-% B.

Es sei angemerkt, dass diese Zusammensetzungen hier ohne Toleranzangaben angegeben sind, die dem Fachmann grundsätzlich bekannt sind.
In einem ersten Schritt wird eine Diffusionsschicht 31 auf das Substrat 40 aufgebracht, was in der Schnittansicht der Fig. 2B dargestellt ist.
In der dargestellten Ausführungsform erfolgt das Aufbringen einer Aluminid-Schicht als Diffusionsschicht 31 durch ein an sich bekanntes Pack Aluminizing, da diese Methode wirtschaftlich vorteilhaft ist.
Dafür wird das Substrat 41 zusammen mit einem aluminium-haltigen Pulver zyklisch bei Temperaturen zwischen 800 und 1000°C erhitzt. Das Pack Aluminizing dauert typischerweise mehrere Stunden, wobei anschließend eine thermische Nachbehandlung erfolgt, damit eine Diffusion in das Substrat 41 erfolgen kann.
In der dargestellten Ausführungsform wird eine einzige Diffusionsschicht 31 aufgetragen, wobei diese grundsätzlich auch eine Schichtenfolge aufweisen kann.
Eine mögliche Ausführungsform der Diffusionsschicht 31 kann einen Anteil an einem X-Aluminid mit X, ausgewählt aus Aluminium, Chrom, Platin und / oder Nickel, aufweisen oder aus diesen Substanzen bestehen. Somit kann insbesondere auch eine reine Aluminid-Schicht oder eine Schicht mit zwei oder mehr Komponenten aufgebracht werden.
Auch kann die mindestens eine Diffusionsschicht 31 einen Anteil an MCrAIY mit M, ausgewählt aus Nickel, Kobalt, Eisen und Y ausgewählt aus Yttrium, Ytterbium, Lanthan oder einer Seltenen Erde, aufweisen oder aus dieser Substanz bestehen.
Eine solche Schicht kann mittels eines ALM Verfahrens (Blown Powder) oder einem PVD Verfahren aufgebracht werden.
Die Diffusionsschicht 31 (z.B. mit einer Dicke von 10 bis 90 µm) erlaubt eine ausreichende Haftvermittlung, bietet einen Oxidationsschutz und stellt ausreichend vorbereitete Oberflächen für eine nachfolgende Beschichtung mit einer thermischen Schutzschicht 32 zur Verfügung.
Nach dem Aufbringen der Diffusionsschicht 31 wird eine thermische Schutzschicht 32 unter Verwendung eines Plasma-Spray PVD (PS-PVD) Verfahrens oder eines Suspension Plasma Spray (SPS) Verfahrens (Spritzwinkel a) auf die mindestens eine Diffusionsschicht 31 aufgebracht. Dies ist in Fig. 2C dargestellt.
Dabei ist erkennbar, dass die Verblockung der Öffnungen O verhältnismäßig klein ist.
Beide Verfahren setzen beim Abscheiden der thermischen Schutzschicht 32 die Öffnungen 42 der Hohlraumstruktur 41 nicht oder nur in geringem Maße zu, so dass z.B. nach dem Beschichten keine Nachbearbeitung der Öffnungen 42 mittels Laserbohren notwendig ist. Eine Nachbehandlung der Öffnungen 42, insbesondere mit einem Laser, führt zu einer thermische Belastung und damit Schwächung der thermischen Schutzschicht 32 bei der Herstellung.
Beim PS-PVD wird der größte Teil des injizierten Pulvers in die Gasphase umgewandelt, was bewirkt, dass sich die Öffnungen 42 im Substrat weniger zusetzen.
Bei dem SPS Verfahren wird die Beschichtung aus einem Gasfluss (siehe Fig. 3) abgeschieden, der gegenüber der Oberfläche O des Substrats 40 geneigt oder parallel ausgerichtet sein kann (siehe Fig. 3A, 3B). Dies kann die Abscheidung von Beschichtungsmaterial in Öffnungen 42 reduzieren beziehungsweise verhindern.
Eine typische thermische Schutzschicht 32 setzt sich aus ein bis drei in etwa 0.1 mm bis 0.3 mm dicken Einzelschichten zusammen.
Die thermische Schutzschicht 32 reflektiert einfallende Heißgasstrahlung, bildet eine thermische Isolationsschicht zwischen dem Heißgas und dem Substrat 40 und bildet eine Schutzschicht gegen Heißgaskorrosion (Sulfidation). Die Gesamtdicke der thermischen Schutzschicht 32 erreicht 0,4 bis 0,5 mm und bedeutet für das darunter liegende Metall des Substrates 40 eine Temperaturentlastung zwischen 40 und 70 K.
Im Folgenden werden Ausführungsformen für die Abscheidung der thermischen Schutzschicht 32 mittels eines SPS Verfahrens beschrieben.
In Fig. 3A ist ein Substrat 40 dargestellt, auf das, wie im Zusammenhang mit Fig. 2B beschrieben, eine Diffusionsschicht 31 aufgebracht wurde.
Wenn ein Gasstrom G (z.B. der Trägergasstrom) des SPS Verfahrens mit der Hauptströmungsrichtung H nicht senkrecht zur Substratoberfläche O, sondern unter einem Winkel verwendet wird, wird das Zusetzen der Öffnungen 42 der Hohlraumstruktur 41 minimiert oder verhindert. Eine Verblockung der Öffnungen 42 von maximal 30% könnte in einer Ausführungsform akzeptiert werden.
In Fig. 3A ist dargestellt, dass die Hauptströmungsrichtung H des Gasstroms G unter einem Winkel von γ=30° auf die Oberfläche O des Substrats 40 trifft. Es sei angemerkt, dass die Hauptströmungsrichtung H des Gasstroms G nicht gleich dem Spritzwinkel α sein muss.
Damit weist der Gasstrom G in jedem Fall eine Strömungskomponente X parallel zur Oberfläche O des Substrates 40 auf. Es ist auch möglich, den Winkel α kleiner als 30° oder auch kleiner als 15° zu wählen.
Bei einem SPS Verfahren ist eine Beschichtung aus der Gasphase möglich, da die feinen Tropfen in der Suspension (z.B. Ethanol, Wasser) dem Gasstrom G folgen und sich direkt aus dem Gasstrom G abscheiden. Daher kann der Gasstrom G sogar parallel zur Oberfläche O des Substrats 40 ausgerichtet sein, wie dies in der Fig. 3B dargestellt ist. Bei dieser Ausführungsform ist das Risiko der Verblockung der Öffnungen 42 am geringsten.

Bezugszeichenliste

1: Triebwerksachse

10: Flugzeugtriebwerk
11: Lufteinlass
12: Fan
13: Mitteldruckkompressor
14: Hochdruckkompressor
15: Brennkammer
16: Hochdruckturbine
17: Mitteldruckturbine
18: Niederdruckturbine
19: Abgasdüse
20: Hochdruckwelle
21: Mitteldruckwelle
22: Niederdruckwelle
23: Nebenstromkanal
24: Fangehäuse
25: Fandüse

31: Diffusionsschicht
32: thermische Schutzschicht

40: Substrat
41: Hohlraumstruktur
42: Öffnung

G: Gasfluss
O: Oberfläche
X: Koordinatenrichtung parallel zur Oberfläche
α: Spritzwinkel
β: Neigung Hohlraumstruktur gegenüber Oberfläche
γ: Winkel Gasfluss gegenüber Oberfläche

Claims

Verfahren zur Beschichtung eines Substrates (40) mit einer Hohlraumstruktur (41), insbesondere einer Kühlstruktur, im Inneren des Substrats (40), wobei die Hohlraumstruktur (41) Öffnungen (42) in der Oberfläche (O) des Substrats (40) aufweist,
dadurch gekennzeichnet, dass
a) mindestens eine haftvermittelnde Schicht, insbesondere eine Diffusionsschicht (31) oder mindestens eine andere metallische Schicht auf das Substrat (40), insbesondere auf die Oberfläche (O) des Substrates (40), aufgebracht wird und anschließend

b) mindestens eine thermische Schutzschicht (32) unter Verwendung eines Plasma-Spray PVD (PS-PVD) Verfahrens, eines Hohlkathoden-Sputter Verfahrens oder eines Suspension Plasma Spray (SPS) Verfahrens auf die mindestens eine Diffusionsschicht (31) aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das SPS Verfahren einen Gasstrom (G) mit einer Strömungskomponente (X) parallel zur Oberfläche (O) des Substrates (40) aufweist.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Hauptströmungsrichtung (H) des Gasstroms (G) einen Winkel α zur Oberfläche (O) des Substrats (40) aufweist, der kleiner als 30° ist, insbesondere kleiner als 15° ist, wobei die Hauptströmungsrichtung (H) des Gasstroms (G) insbesondere parallel zur Oberfläche des Substrats (40) liegt.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasstrom (G) ein Prozessgasstrom und / oder ein Trägergasstrom ist.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Teilchen beladene Gasstrom (G) eine Stokes Zahl von weniger als 1, insbesondere von weniger als 0.1, ganz insbesondere von weniger als 0.01, ganz insbesondere von weniger als 0.001 aufweist.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Diffusionsschicht (31) durch ein Pack Aluminizing, ein PVD- Verfahren oder ein additives Schichtenverfahren aufgebracht wird.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Diffusionsschicht (31) einen Anteil an MCrAIY, mit
M, ausgewählt aus Nickel, Kobalt, Eisen und

Y, ausgewählt aus Yttrium, Ytterbium, Lanthan oder einer Seltenen Erde
aufweist oder aus dieser Substanz besteht.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Diffusionsschicht (31) einen Anteil an einem X-Aluminid mit
X, ausgewählt aus Aluminium, Chrom, Platin und / oder Nickel
aufweist oder aus diesen Substanzen besteht.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine metallische Schicht unter Verwendung eines Plasma-Spray PVD (PS-PVD) Verfahrens, eines Hohlkathoden-Sputter Verfahrens oder eines Suspension Plasma Spray (SPS) Verfahrens auf die mindestens eine Diffusionsschicht (31) aufgebracht wird.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine thermische Schutzschicht (32) einen Anteil aus Yttrium und / oder stabilisiertem Zirkoniumoxid aufweist oder aus der Substanz besteht.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (40) metallisch ist und mindestens teilweise durch ein Schichtaufbringungsverfahren oder durch ein Gussverfahren hergestellt ist.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (40) einen Anteil einer Hochtemperatur-Nickellegierung, insbesondere CMSX4, CMSX3, C 263, Mar M 002 und / oder C 1023 aufweist oder aus einem solchem Material besteht.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Kanäle der Hohlraumstruktur (41) und / oder die Öffnungen (42) der Hohlraumstruktur (41) einen mittleren Durchmesser zwischen 0,5 bis 1,5 mm, insbesondere 1 mm, aufweisen.
Substrat mit einer Hohlraumstruktur (41) im Inneren des Substrats (40), wobei die Hohlraumstruktur (41) Öffnungen (42) in der Oberfläche (O) des Substrats (40) aufweist, herstellbar durch ein Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 13.
Verwendung eines Substrates (40) nach Anspruch 14 in einer Brennkammerschindel einer Brennkammer eines Flugzeugtriebwerkes, in einer Turbinenschaufel eines Flugzeugtriebwerkes oder in einem Liner einer Turbine in einem Flugzeugtriebwerk.