EP4754305A1 - Verfahren zur herstellung einer verbesserten bindungsoberfläche in einer metallschicht für ein keramisches schichtsystem - Google Patents

Verfahren zur herstellung einer verbesserten bindungsoberfläche in einer metallschicht für ein keramisches schichtsystem

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EP4754305A1
EP4754305A1 EP24765057.5A EP24765057A EP4754305A1 EP 4754305 A1 EP4754305 A1 EP 4754305A1 EP 24765057 A EP24765057 A EP 24765057A EP 4754305 A1 EP4754305 A1 EP 4754305A1
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EP
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layer
ceramic layer
metallic
adhesion promoter
ceramic
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EP24765057.5A
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Bernd Burbaum
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Schichtsystems (1) mit verbesserter Haftung, bei dem ein metallisches Substrat (4) bereitgestellt wird, wobei das metallische Substrat (4) mit einer metallischen Haftvermittlerschicht (7) beschichtet wird, wobei die metallische Haftvermittlerschicht (7) eine Oberfläche (8) aufweist, wobei dann die Oberfläche (8) strukturiert wird, insbesondere durch einen Laserstrahl (13) eines Lasers (10), und dann die Beschichtung mit einer keramischen Schicht (16) erfolgt.

Description

VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG EINER VERBESSERTEN BINDUNGSOBERFLÄCHE IN EINER METALLSCHICHT FÜR EIN KERAMISCHES SCHICHTSYSTEM
Die Erfindung betri f ft eine verbesserte Oberfläche einer metallischen Schicht für ein keramisches Schichtsystem .
Schichtsysteme weisen ein Substrat auf , das durch eine Schicht gegen äußere Einflüsse wie Wärme , Korrosion, Erosion geschützt werden soll . Insbesondere bei keramischen Schutzschichten wie z . B . EP 1 971 705 Bl besteht das Problem der deutlich unterschiedlichen Ausdehnungskoef fi zienten von Metall und Keramik, wenn das Schichtsystem bei hohen Temperaturen und/oder wechselnden Temperaturen eingesetzt wird .
Daher wird oft eine metallische Schicht als Haftvermittlerschicht zwischen Substrat und äußerster Schutzschicht verwendet , siehe EP 4 208 830 Al .
Im Falle von Gasturbinen werden die Turbinenschaufeln im Heißgasbereich mit einer keramischen Schutzschicht versehen . Das Substrat ist metallisch und weist vorzugsweise eine Nickel- oder kobaltbasierte Superlegierung auf .
Auf dem Substrat ist dann eine metallische Haftvermittlerschicht vorhanden, die ebenfalls Nickel oder kobaltbasiert ist und weitere Elemente wie zumindest Chrom, Aluminium, Yttrium, . . aufweist .
Erst daraufhin wird die keramische Schutzschicht aufgebracht . Auch wenn das Dehnungsverhalten zwischen Substrat den Schichten oder zwischen den Schichten angepasst ist , kann es immer wieder zu Abplatzungen kommen .
Es ist daher Aufgabe der Erfindung oben genanntes Problem zu lösen .
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Schichtsystem gemäß Anspruch 4 und ein Verfahren gemäß Anspruch 1 . In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Maßnahmen aufgelistet , die beliebig miteinander kombiniert werden können, um weitere Vorteile zu erzielen .
Es zeigt die Figur schematisch das Herstellungsverfahren und das erfindungsgemäße keramische Schichtsystem .
Die Figur und die Beschreibung stellen nur Aus führungsbeispiel der Erfindung dar .
In der Figur wird für das Verfahren ein Substrat 4 , insbesondere aus einem Nickel oder Kobalt basierten Werkstof f , be- reitgestellt .
Das metallische Substrat 4 wird dann mit einer metallischen Haftvermittlerschicht 7 , insbesondere einer NiCoCrAlY beschichtet . NiCoCrAlY kann weitere Elemente aufweisen und umfasst u . a . NiCoCrAlYTaSiFe , NiCoCrAlYRe , NiCoCrAlYTa, NiCoCrAlYTaSi , NiCoCrAlYFeSi .
Die metallische Haftvermittlerschicht 7 wird u . a . durch bekannte Verfahren des Plasmaspritzens , wie APS , VPS oder auch mittels LMD ( Laser Metal Deposition) , HVOF, galvanische Verfahren oder Di f fusionsverfahren usw . aufgetragen und haftet auf dem Substrat 4 .
In einem weiteren Schritt gemäß der Figur wird vorzugsweise mittels eines abtragenden Verfahrens , hier vorzugsweise einer Laserablation mit einem Laserstrahl 13 eine Lasers 10 die Oberfläche 8 der metallischen Haftvermittlerschicht 7 strukturiert .
Dies können vorzugsweise punktförmige oder grabenförmige Vertiefungen 15 sein . Oder es werden durch den Materialabtrag Kegelstümpfe , vorzugsweise in Form von Mikromorsekegeln insbesondere mit selbsthemmender Haftung sein, die vorzugsweise eine Höhe von 100pm aufweisen . Zwischen den Kegelstümpfen sind dann die Vertiefungen 15 vorhanden . Die strukturierte Oberfläche 8 ' kann die gesamte Oberfläche der metallischen Haftvermittlerschicht 7 umfassen oder nur teilweise ausgebildet sein oder werden .
Die Strukturierung erfolgt definiert und nicht durch einfaches Auf rauen, wie z . B . durch Sandstrahlen .
Ebenso erfolgt kein einfaches Umschmel zen der Oberfläche 8 .
Dadurch wird eine vergrößerte Kontaktoberflächen 18 ' und eine verstärkte Haftung erzielt , so dass bei der nachfolgenden Beschichtung mit einer keramischen Schicht 16 eine verbesserte mechanische Haftung der keramische Schicht 16 auf der metallischen Schicht 7 ' erfolgt .
Die keramische Schicht 16 basiert vorzugsweise auf Zirkonoxid ( ZrO2 ) .
Die keramische Schicht 16 kann als Einzelschicht oder Zweifachschicht ausgebildet sein .
Diese Bearbeitung kann bei der Neuteilherstellung oder auch im Reparaturf all erfolgen, bei dem das Substrat 4 gemäß der Figur ein entschichtetes Substrat nach einem Einsatz darstellt .

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Herstellen eines Schichtsystems (1) mit verbesserter Haftung, bei dem ein metallisches Substrat (4) bereitgestellt wird, wobei das metallische Substrat (4) mit einer metallischen Haftvermittlerschicht (7) beschichtet wird oder ist, wobei die metallische Haftvermittlerschicht (7) eine Oberfläche (8) aufweist, wobei dann die Oberfläche (8) durch Materialabtrag strukturiert wird, insbesondere durch einen Laserstrahl (13) eines Lasers (10) , und dann die Beschichtung mit einer keramischen Schicht (16) erfolgt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die metallische Haftvermittlerschicht (7) durch ein Plasmaverfahren, insbesondere APS, VPS, oder ein HVOF-Verf ahren oder ein LMD-Verf ahren aufgetragen wird.
3. Verfahren nach einem oder beiden der Ansprüche 1 oder 2, bei dem die keramische Schicht (16) durch ein APS- Verfahren aufgetragen wird.
4. Keramisches Schichtsystem, aufweisend : ein metallisches Substrat (4) eine metallische Haftvermittlerschicht (7') , dessen Oberfläche (8') nach dem Beschichtungsverfahren durch ein Material abtragendes Verfahren strukturiert ist, und eine keramische Schicht (16) auf der strukturierten Oberfläche (18') .
5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2 oder 3 oder keramisches Schichtsystem nach Anspruch 4, bei dem die metallische Haftvermittlerschicht (7, 7') eine Legierung auf der Basis NiCoCrAlY aufweist, insbesondere NiCoCrAlYTaSiFe, NiCoCrAlYRe, NiCoCrAlYTa, NiCoCrAlYTaSi oder NiCoCrAlYFeSi .
6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2 oder 3 oder 5 oder keramisches Schichtsystem nach einem oder beiden der Ansprüche 4 oder 5, bei dem die keramische Schicht (16) eine Zirkonoxid- basierte Schicht aufweist.
7. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2 oder 3 oder 5, 6 oder keramisches Schichtsystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 4, 5 oder 6, bei der Kegelstümpfe, vorzugsweise in Form von Mikromorsekegel, die strukturierte Oberfläche (8', 18') bilden.
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