WO2003008938A2

WO2003008938A2 - Verfahren zum bestimmen der haftfestigkeit einer beschichtung auf einem bauteil

Info

Publication number: WO2003008938A2
Application number: PCT/DE2002/002310
Authority: WO
Inventors: Stefan Lampenscherf
Original assignee: Siemens Aktiengesellschaft
Priority date: 2001-07-16
Filing date: 2002-06-25
Publication date: 2003-01-30
Also published as: WO2003008938A3

Abstract

Es wird unter anderem beschrieben ein Verfahren zum Bestimmen der Haftfestigkeit einer auf einem Bauteil (10) befindlichen Beschichtung (11), das durch folgende Schritte gekennzeichnet ist: a) Die zu untersuchende Beschichtung (11) wird über wenigstens eine Zusatzbeschichtung (12) mit zumindest einem definierten Geometrieparameter, vorzugsweise über mehrere Zusatzbeschichtungen mit unterschiedlicher Dicke und Fläche, lokal verstärkt; b) anschließend wird das Bauteil (10) einer Belastung ausgesetzt, wobei im Bereich der lokalen Verstärkungen (12) eine Überhöhung der Belastung erzeugt wird; c) mittels eines Analyseverfahrens wird auf der Basis der lokal überhöhten Belastung im Bereich der lokalen Verstärkung (12) eine quantitative und/oder qualitative Bewertung der Haftfestigkeit durchgeführt. Dabei kann das Verfahren vorteilhaft unter einsatznahen Bedingungen für das Bauteil und ohne zusätzliche Testapparaturen durchgeführt werden.

Description

Beschreibung

Verfahren zum Bestimmen der Haftfestigkeit einer Beschichtung auf einem Bauteil

Die vorliegende Erfindung betrifft zunächst ein Verfahren zum Bestimmen der Haftfestigkeit einer auf einem Bauteil befindlichen Beschichtung. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Bestimmen der Haftfestigkeit einer Beschichtung auf einem Bauteil und/oder zum Bestimmen geeigneter Parameter einer Beschichtung für ein Bauteil.

Die Gewährleistung einer guten Haftung von Beschichtungen auf Bauteilen, auch über eine längere Betriebsdauer, ist eine wesentliche Voraussetzung für deren Haltbarkeit und

Zuverlässigkeit. Daraus ergibt sich die Notwendigkeit, die Haftung beispielsweise in Abhängigkeit der Bauteilbelastung zu ermitteln. Dadurch ergeben sich meist zwei grundsätzliche Herausforderungen an das dafür verwendete Meßverfahren. Zum einen sollte die Haftfestigkeit im Sinne der Übertragbarkeit durch einen von der konkreten Bauteilgeometrie unabhängigen Haftungsparameter, bei dem es sich vorzugsweise um einen Materialparameter handeln kann, charakterisiert werden. Dazu eignet sich insbesondere die kritische Energiefreisetzungsrate, die mittels bruchmechanischer Tests bestimmt werden kann. Zum anderen besteht häufig das Problem, die Haftfestigkeit einer Beschichtung unter einsatznahen Bedingungen zu charakterisieren. So ist es beispielsweise für die Lebensdauervorhersage von Wärmedämmschichten entscheidend, wie gut eine Wärmedämmschicht bei

Betriebstemperatur, beziehungsweise beim Aufheiz- oder Abkühlvorgang, am Bauteil haftet. Auf Grund der sehr hohen thermischen Belastung scheiden hier fast alle bisher bekannten Meßverfahren aus .

Zur Bestimmung der Haftfestigkeit existieren bereits eine Reihe von Haftfestigkeitstests, von denen einige nachfolgend genannt werden. Hierbei handelt es sich beispielsweise um den Stirnabzugstets (pull-off, Zug-, Perpendikulartest) , die Zugscherfestigkeitsprüfung, den Peel-Test, den DCDC-Test (Double Cleavage Drilled Compression) , die modifizierte 4-Punkt-Biegung (Charalambides) , den Schältest, den Kratzoder Ritztest, die Erichsentiefung und dergleichen. Für alle genannten Haftfestigkeitstests muß jedoch zum Test der Beschichtung die Belastung durch eine äußere Belastungseinrichtung mechanisch in die Beschichtung eingeleitet und ein relativ enger Bereich von

Umgebungsbedingungen eingehalten werden. Dies ist zum einen sehr aufwendig. Zudem entspricht die Belastung der Beschichtung dabei oft nicht derjenigen unter Einsatzbedingungen .

Um trotzdem eine Bewertung der Haftfestigkeit von Beschichtungen unter einsatznahen Bedingungen zu erreichen, wird bisher meist nur eine Schadensanalyse an eingesetzten Beschichtungen durchgeführt. Dies kann beispielsweise mit Hilfe mikroskopischer oder anderer Rißdetektionsverfahren realisiert werden. Dabei lassen sich jedoch nur schwer quantitative Ergebnisse für die Haftfestigkeit ableiten. Weiterhin ist die Übertragbarkeit der Testergebnisse nur sehr eingeschränkt möglich.

Ausgehend vom genannten Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zum Bestimmen der Haftfestigkeit einer Beschichtung auf einem Bauteil bereitzustellen, mit Hilfe dessen die im Zusammenhang mit dem Stand der Technik beschriebenen Nachteile vermieden werden können. Insbesondere soll auf einfache Weise eine quantitative und/oder qualitative Bewertung der Haftfestigkeit ermöglicht werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Verfahrens gemäß Patentanspruch 1 sowie des Verfahrens gemäß Patentanspruch 2. Weitere Vorteile, Merkmale, Details, Aspekte und Effekte der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung sowie den Zeichnungen. Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem Verfahren gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung beschrieben sind, gelten dabei auch selbstverständlich für das Verfahren gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung, und jeweils umgekehrt.

Die Erfindung basiert auf dem Grundgedanken, daß nunmehr definierte Beschichtungen aufgebracht werden, daß ein derart beschichtetes Bauteil anschließend einer Belastung ausgesetzt wird und daß über ein Analyseverfahren eine belastungsrelevante Bewertung der Haftfestigkeit durchgeführt wird.

Gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Bestimmen der Haftfestigkeit einer auf einem Bauteil befindlichen Beschichtung bereitgestellt, das durch folgende Schritte gekennzeichnet ist: a) Die zu untersuchende Beschichtung wird über wenigstens eine Zusatzbeschichtung mit zumindest einem definierten Geometrieparameter lokal verstärkt; b) das Bauteil wird einer Belastung ausgesetzt, wobei im Bereich der lokalen Verstärkung eine Überhöhung der Belastung erzeugt wird; c) mittels eines Analyseverfahrens wird auf der Basis der lokal überhöhten Belastung im Bereich der lokalen

Verstärkung eine quantitative und/oder qualitative

Bewertung der Haftfestigkeit durchgeführt.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die zu untersuchende Beschichtung durch zumindest eine Zusatzbeschichtung, insbesondere eine zusätzliche gleichförmige Beschichtung, verstärkt. Da diese Zusatzbeschichtung auf die auf dem Bauteil befindliche Beschichtung aufgebracht wird, kann das Verfahren am Bauteil selbst durchgeführt werden.

Gemäß einem ersten Schritt des Verfahrens wird dazu die zu untersuchende Beschichtung über wenigstens eine Zusatzbeschichtung mit zumindest einem definierten

Geometrieparameter lokal verstärkt. Dabei ist die Erfindung nicht auf bestimmte Verfahren beschränkt, wie die wenigstens eine Zusatzbeschichtung auf die Beschichtung aufgebracht werden kann. So ist es beispielsweise denkbar, daß die lokale Schichtverstärkung dadurch erfolgt, daß die bereits bestehende Beschichtung lokal zusätzlich beschichtet wird, beispielsweise mittels Stempeln, Siebdruck oder dergleichen. Ebenso ist es denkbar, daß die wenigstens eine Zusatzbeschichtung in Form von vorgefertigten Prüfplättchen oder dergleichen auf die Beschichtung aufgebracht wird. In diesem Fall kann die Zusatzbeschichtung beispielsweise mittels Klebung oder dergleichen auf die zu untersuchende Beschichtung aufgebracht werden. Selbstverständlich sind auch andere Möglichkeiten denkbar, wie die wenigstens eine Zusatzbeschichtung auf die zu untersuchende Beschichtung aufgebracht werden kann, so daß die Erfindung nicht auf die beschriebenen Beispiele beschränkt ist. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, daß wenigstens eine

Zusatzbeschichtung auf die zu untersuchende Beschichtung aufgebracht wird. Vorteilhaft können jedoch auch mehrere

Zusatzbeschichtungen auf die zu untersuchende Beschichtung aufgebracht werden. Beispiele hierfür werden im weiteren

Verlauf der Beschreibung noch näher erläutert.

In einem nächsten Verfahrensschritt wird das auf diese Weise beschichtete Bauteil einer Belastung ausgesetzt. Dabei kann die Belastung je nach Bedarf und Anwendungsf ll gezielt ausgewählt werden. Insbesondere ist es jedoch möglich, das Bauteil unter einsatznahen Bedingungen zu belasten. Hierbei kann es sich beispielsweise um eine erhöhte Temperatur, um eine bestimmte Frequenz von Lastwechseln und dergleichen handeln. Im Vergleich zu den aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen wird es nunmehr erstmals möglich, ein Verfahren zur Messung der Haftfestigkeit von Beschichtungen unter einsatznahen Bedingungen bereitzustellen. Voraussetzung hierfür ist lediglich die Beständigkeit der Zusatzbeschichtung beziehungsweise der Haftverbindung zwischen Zusatzbeschichtung und zu untersuchender Beschichtung .

Weiterhin benötigt das erfindungsgemäße Verfahren keine separate, mechanische Testapparatur zur Einleitung der Belastung. Auf diese Weise kann das erfindungsgemäße Verfahren besonders flexibel eingesetzt werden. Darüber hinaus ist es möglich, mit dem erfindungsgemäßen Verfahren auch Bauteile mit komplexer Geometrie zu prüfen. All dies war mit den aus dem Stand der Technik bisher bekannten Lösungen nicht möglich, da die Bauteile entweder in eine bestimmte Testapparatur eingebracht werden mußten, oder aber die zu untersuchenden Bauteile zu den Testapparaturen hin befördert werden mußten.

Wenn das Bauteil beispielsweise einer thermischen Belastung ausgesetzt wird, kann diese thermische Belastung beispielsweise, jedoch nicht ausschließlich, über einen geeigneten Brenner, in einem Ofen, über eine andere Heizquelle, wie beispielsweise eine Lampe, oder dergleichen erzeugt werden.

Durch die Belastung wird im Bereich der lokalen Verstärkung eine Überhöhung der Belastung erzeugt. Wie dies im einzelnen geschieht, wird an Hand einiger nicht ausschließlicher Beispiele im weiteren Verlauf der Beschreibung noch näher erläutert.

Schließlich wird in einem weiteren Schritt mittels eines Analyseverfahrens auf der Basis der lokal überhöhten Belastung im Bereich der lokalen Verstärkung eine quantitative und/oder qualitative Bewertung der

Haftfestigkeit durchgeführt. Dabei wird der Effekt ausgenutzt, daß während der Belastung die Schicht, beziehungsweise die Grenzfläche zwischen Schicht und Bauteil, in den Bereichen mit SchichtverStärkung bevorzugt geschädigt wird, während die Beschichtung in den unverstärkten Bereichen noch unversehrt am Grundmaterial haftet. Wenn das Bauteil beispielsweise einer thermischen Belastung ausgesetzt wird, wird elastische Energie in der Beschichtung und auch in der über die Zusatzbeschichtung erzeugten lokalen Verstärkung der Beschichtung gespeichert. Diese Energie kann ab einer gewissen Menge zu Schädigungen führen. Mittels des Analyseverfahrens läßt sich die Haftfestigkeit sowohl quantitativ als auch qualitativ bewerten. Bei der qualitativen Bewertung der Haftfestigkeit kann beispielsweise ein kritischer Geometrieparameter der Zusatzbeschichtung ermittelt werden, ab wann Schädigungen in der zu untersuchenden Beschichtung auftreten. Beispiele hierfür werden im weiteren Verlauf der Beschreibung noch näher erläutert. Durch eine derartige Bewertung wird es nunmehr möglich, daß die Haftfestigkeit unterschiedlicher Beschichtungen verglichen werden kann.

Bei der quantitativen Bewertung der Haftfestigkeit kann beispielsweise ein bestimmter Wert für die Haftfestigkeit ermittelt werden. Beispiele hierfür werden im weiteren Verlauf der Beschreibung näher erläutert.

Gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Bestimmen der Haftfestigkeit einer Beschichtung auf einem Bauteil und/oder zum Bestimmen geeigneter Parameter einer Beschichtung für ein Bauteil bereitgestellt, das durch folgende Schritte gekennzeichnet ist: a) Wenigstens eine Beschichtung mit zumindest einem definierten Geometrieparameter wird lokal auf das Bauteil aufgebracht; b) das Bauteil wird einer Belastung ausgesetzt; c) mittels eines Analyseverfahrens wird auf der Basis der im Bereich der wenigstens einen lokalen Beschichtung auftretenden Belastung eine quantitative und/oder qualitative Bewertung der Haftfestigkeit durchgeführt.

Die grundsätzliche Funktionsweise dieses Verfahrens entspricht im wesentlichen der Funktionsweise des Verfahrens gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung, so daß diesbezüglich auf die vorstehenden Ausführungen vollinhaltlich Bezug genommen und verwiesen wird. Im Gegensatz zum Verfahren gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung ist das Verfahren gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung jedoch nicht auf die Prüfung der Haftfestigkeit einer bereits vorhandenen Beschichtung gerichtet. Vielmehr handelt es sich hierbei um eine sogenannte "Screening-Methode" , mit Hilfe derer ein geeignetes Beschichtungsmaterial für ein Bauteil ausgewählt, beziehungsweise geeignete Parameter einer solchen Beschichtung ermittelt werden können.

Dazu wird beispielsweise ein auszuwählendes Beschichtungsmaterial in Form wenigstens einer lokalen Beschichtung auf das Bauteil aufgebracht. Anschließend wird das Bauteil einer definierten Belastung ausgesetzt. Die dadurch in der wenigstens einen lokalen Beschichtung auftretende Belastung kann mittels eines geeigneten Analyseverfahrens anschließend qualitativ und/oder quantitativ bewertet werden.

Wenn beispielsweise ein geeignetes Material für die Beschichtung des Bauteils ausgewählt werden soll, kann das Bauteil vorzugsweise mit mehreren lokalen Beschichtungen, die jeweils aus unterschiedlichen Materialien hergestellt sind, beschichtet werden. Anschließend kann das Bauteil einer Belastung, insbesondere einer einsatznahen Belastung, ausgesetzt werden.

Die Belastungen wirken sich auf die unterschiedlichen lokalen Beschichtungen unterschiedlich aus, so daß im anschließenden Analyseverfahren jeweils geeignete Beschichtungsmaterialien ausgewählt werden können. Ebenso ist es möglich, mit dem Verfahren geeignete Parameter einer Beschichtung für das Bauteil zu ermitteln. In diesem

Fall kann das Bauteil beispielsweise mit mehreren lokalen

Beschichtungen versehen werden, die zwar aus ein und demselben Material hergestellt sind, die aber jeweils unterschiedliche Parameter, beispielsweise geometrische

Parameter, aufweisen. Wiederum wird das Bauteil einer

Belastung, insbesondere einer einsatznahen Belastung, ausgesetzt. Mittels des Analyseverfahrens kann anschließend eine Bewertung der Haftfestigkeit in Abhängigkeit unterschiedlicher Parameter durchgeführt werden. Beispiele hierfür werden im weiteren Verlauf der Beschreibung noch näher erläutert .

Vorteilhaft kann die wenigstens eine Zusatzbeschichtung oder die wenigstens eine lokale Beschichtung an definierten Stellen des Bauteils aufgebracht werden. Je nach Bauteil, beziehungsweise Bauteilgeometrie, und Belastung des Bauteils können bei diesem Zonen mit unterschiedlichem Risiko für mögliche Schädigungen vorhanden sein. Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens wird es nunmehr möglich, daß die Zusatzbeschichtungen, beziehungsweise die lokalen Beschichtungen, gezielt in solchen Bereichen des Bauteils angeordnet werden können, die für Haftfestigkeitsuntersuchungen von besonderem Interesse sind. Durch die vorliegende Erfindung wird es möglich, daß die Zusatzbeschichtungen, beziehungsweise die lokalen Beschichtungen, an jeder beliebigen Stelle des Bauteils angebracht werden können .

Vorteilhaft kann die wenigstens eine Zusatzbeschichtung oder die wenigstens eine lokale Beschichtung mit definierter Dicke und/oder Fläche auf die zu untersuchende Beschichtung des Bauteils oder das Bauteil aufgebracht werden. Die Dicke der

Zusatzbeschichtung, beziehungsweise der lokalen Beschichtung, stellt dabei eine Vergleichsgröße dar, die zur qualitativen

Bewertung der Haftfestigkeit unterschiedlicher Beschichtungen verwendet werden kann. Ebenso ist es bei einem Verfahren gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung möglich, die erforderliche Dicke einer Beschichtung für das Bauteil bei definierten Belastungen zu ermitteln.

Aus der Abhängigkeit der auf diese Weise ermittelten Dicke von der Fläche der Zusatzbeschichtung, beziehungsweise der lokalen Beschichtung, lassen sich zusätzlich Informationen über Defektgrößen und deren Verteilung in der zu untersuchenden Beschichtung gewinnen.

Im Zusammenhang mit dem ersten Aspekt der Erfindung kann vorteilhaft mehr als eine Zusatzbeschichtung auf die zu untersuchende Beschichtung aufgebracht werden, wobei wenigstens eine erste Zusatzbeschichtung im Vergleich zu wenigstens einer zweiten Zusatzbeschichtung zumindest einen unterschiedlichen Geometrieparameter aufweist und/oder aus einem unterschiedlichen Material besteht. Dabei ist die Erfindung nicht auf eine bestimmte Anzahl solcher Zusatzbeschichtungen beschränkt. Vielmehr ergibt sich die jeweils aufgebrachte Zahl von Zusatzbeschichtungen aus den jeweiligen Untersuchungsanforderungen. Wichtig ist jedoch, daß sich die einzelnen Zusatzbeschichtungen in wenigstens einem Geometrieparameter unterscheiden und/oder daß sie jeweils aus unterschiedlichen Materialien bestehen.

Beispielsweise kann die zu untersuchende Beschichtung an ausgewählten Stellen des Bauteils durch zusätzliche gleichförmige Zusatzbeschichtungen unterschiedlicher Fläche und Dicke verstärkt werden.

Zur Prüfung wird das so präparierte Bauteil anschließend unter einsatznahen Bedingungen belastet. In der Folge wird die Schicht, beziehungsweise die Grenzfläche zwischen Schicht und Bauteil, in den Bereichen mit unterschiedlichen Zusatzbeschichtungen unterschiedlich stark belastet, beispielsweise geschädigt. Durch den anschließenden Vergleich der Schichtschädigung in den Bereichen mit

Zusatzbeschichtungen jeweils unterschiedlicher Dicke läßt sich somit eine kritische Höchstdicke der Beschichtung ermitteln, die für vorgegebene Belastungsbedingungen zur Schädigung der zu untersuchenden Schicht führt.

Im Zusammenhang mit dem zweiten Aspekt der Erfindung kann vorteilhaft mehr als eine lokale Beschichtung auf das Bauteil aufgebracht werden, wobei wenigstens eine erste Beschichtung im Vergleich zu wenigstens einer zweiten Beschichtung zumindest einen unterschiedlichen Geometrieparameter aufweist und/oder aus einem unterschiedlichen Material besteht. Die Funktionsweise dieser Verfahrensvariante entspricht im wesentlichen der vorstehend beschriebenen Verfahrensvariante im Zusammenhang mit dem ersten Aspekt der Erfindung, so daß zur Vermeidung von Wiederholungen diesbezüglich auf die vorstehenden Ausführungen vollinhaltlich Bezug genommen und hiermit verwiesen wird.

Vorteilhaft kann das Bauteil einer Belastung ausgesetzt werden derart, daß die Triebkraft für Schädigungen im Bereich der wenigstens einen Zusatzbeschichtung oder im Bereich der wenigstens einen lokalen Beschichtung erhöht wird. Dabei kann zum Zwecke der anschließenden Analyse vorteilhaft von dem Effekt Gebrauch gemacht werden, daß die Triebkraft zur

Schichtschädigung proportional zur Dicke der

Zusatzbeschichtung, beziehungsweise zur Dicke der lokalen

Beschichtung ist. Wenn das Bauteil einer thermischen Belastung ausgesetzt wird, wird in der Beschichtung und den

Zusatzbeschichtungen, beziehungsweise in den lokalen

Beschichtungen, Energie gespeichert, die zu Schädigungen führen kann. Da die Triebkraft für die Schädigungen ebenfalls proportional zur gespeicherten Energie ist, läßt sich mittels des Analyseverfahrens aus der Triebkraft besonders vorteilhaft die Haftfestigkeit zwischen Beschichtung und

Bauteil bewerten.

Die Proportionalität zwischen Triebkraft und Dicke, beziehungsweise Fläche, der Zusatzbeschichtung, beziehungsweise der lokalen Beschichtung, ist dabei derart, daß mit zunehmender Dicke, beziehungsweise Größe, der Zusatzbeschichtungen, beziehungsweise der lokalen Beschichtungen, die Triebkraft erhöht wird. Je dicker, beziehungsweise größer, die Zusatzbeschichtungen, beziehungsweise lokalen Beschichtungen, sind, desto eher werden bei einer Belastung Schädigungen und damit eine Verminderung der Haftfestigkeit zwischen Beschichtung und Bauteil auftreten.

In weiterer Ausgestaltung kann das Bauteil einer Belastung ausgesetzt werden, derart, daß die Eigenspannungen der Beschichtung im Bereich der wenigstens einen Zusatzbeschichtung erhöht werden oder daß die Eigenspannungen der wenigstens einen lokalen Beschichtung erhöht werden und daß die auftretenden Eigenspannungen mittels des Analyseverfahrens ausgewertet werden. Somit wird eine Bewertung der Haftungseigenschaften von Beschichtungen durch gezielte Ausnutzung von Eigenspannungen möglich. Wenn ein entsprechend präpariertes Bauteil unter einsatznahen

Bedingungen belastet wird, beispielsweise unter erhöhten

Temperaturen, kommt es zur Entstehung von entsprechenden Eigenspannungen. In der Nähe der Schichtverstärkung erhöht sich dann in Abhängigkeit der Dicke und der

Materialeigenschaften der zusätzlichen Beschichtung, beziehungsweise der lokalen Beschichtung, jeweils die zur

Schichtablösung/-Zerstörung verfügbare elastische Energie. In der Folge wird die Schicht, beziehungsweise die Grenzfläche zwischen Schicht und Bauteil, in den Bereichen mit Schichtverstärkung bevorzugt geschädigt, während sie in den unverstärkten Bereichen noch unversehrt am Grundmaterial haftet. Die Eigenspannungen auf Grund der thermischen Belastung können beispielsweise durch unterschiedliche

Ausdehnungskoeffizienten zwischen den einzelnen Materialien und dergleichen auftreten.

In weiterer Ausgestaltung kann bei einer bei Belastung auftretenden Beschädigung der Beschichtung im Bereich der wenigstens einen Zusatzbeschichtung oder der wenigstens einen lokalen Beschichtung aus wenigstens einem für die Zusatzbeschichtung oder die lokale Beschichtung spezifischen Parameter, bei dem es sich beispielsweise um einen Geometrieparameter, einen Materialparameter oder dergleichen handeln kann, mittels des Analyseverfahrens die Haftfestigkeit der Beschichtung auf dem Bauteil ermittelt werden. Durch Vergleich der Schichtschädigung zwischen Bereichen mit unterschiedlicher Zusatzbeschichtungsdicke oder Bereichen mit lokalen Beschichtungen unterschiedlicher Dicke läßt sich beispielsweise eine kritische Dicke der Zusatzbeschichtung, beziehungsweise der lokalen Beschichtung, ermitteln, die für vorgegebene Belastungsbedingungen zur

Schädigung der Beschichtung führt.

In weiterer Ausgestaltung kann die Ermittlung der Haftfestigkeit der Beschichtung auf dem Bauteil oder die

Bestimmung der geeigneten Parameter der Beschichtung für das Bauteil mittels eines numerischen oder analytischen Analyseverfahrens erfolgen. Dabei ist die Erfindung nicht auf bestimmte Analyseverfahren beschränkt. Wenn die Analyse numerisch erfolgt, kann dies unter Einsatz geeigneter Algorithmen erfolgen. Dazu stehen dem Analyseverfahren vorteilhaft geeignete Programmittel, beziehungsweise Software, zur Verfügung, über die die Analyse vorzugsweise automatisch durchgeführt werden kann.

Mittels des Analyseverfahrens kann beispielsweise eine bruchmechanische Auswertung der Haftfestigkeit durchgeführt werden. Mit Hilfe einer geeigneten Belastungsanalyse, beispielsweise mittels FEM (Finite Elemente Methode) oder dergleichen, kann somit eine bruchmechanische Auswertung erfolgen, und ein Wert für die Haftfestigkeit, bei dem es sich beispielsweise um die kritische Energiefreisetzungsrate handelt, ermittelt werden. Dies setzt voraus, daß die äußeren Belastungsbedingungen und die entsprechenden Beschichtungseigenschaften unter den Testbedingungen bekannt sind.

Vorteilhaft kann die wenigstens eine Zusatzbeschichtung und die zu untersuchende Beschichtung aus gleichem Material gebildet sein. Es ist jedoch auch denkbar, daß die wenigstens eine Zusatzbeschichtung und die zu untersuchende Beschichtung aus jeweils unterschiedlichen Materialien gebildet sind. Durch die wie vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen

Verfahren wird somit ein Prüfverfahren zur Ermittlung der

Haftfestigkeit von Beschichtungen, auch auf komplex geformten

Bauteilen und unter einsatznahen Bedingungen, ermöglicht. Ein besonders vorteilhaftes Merkmal ist dabei die gezielte lokale

Verstärkung der Beschichtung durch gleichförmige

Zusatzbeschichtungen, beispielsweise mit jeweils unterschiedlicher Fläche und Dicke. Auf diese Weise kann die lokale Belastung der Schicht bei vorgegebener äußerer Belastung, beispielsweise Eigenspannungen infolge

Temperaturänderungen, gezielt überhöht werden, so daß es zur Schädigung, beispielsweise Abplatzungen, der Schicht kommt. Durch eine nachfolgende Schadens- und Belastungsanalyse kann schließlich eine quantitative Bewertung der Haftfestigkeit der Schicht erfolgen. Somit wird eine qualitative und quantitative Bewertung der Haftfestigkeit ermöglicht, wie sie mit bisher bekannten Haftfestigkeitstests nicht möglich ist. Die besondere Bedeutung der erfindungsgemäßen Verfahren besteht dabei in der Möglichkeit, anwendungsrelevante Informationen zu erzeugen, die später als Grundlage einer zuverlässigen Lebensdauervorhersage des Bauteils, beziehungsweise der Beschichtung auf dem Bauteil, genutzt werden können.

Nachfolgend wird die Erfindung an Hand von

Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1 die lokale Verstärkung einer zu untersuchenden Beschichtung mittels Aufbringen von

Zusatzbeschichtungen; und Figur 2 das Ergebnis einer Schadensanalyse nach Belastung der Beschichtung. Bei dem in den Figuren 1 und 2 dargestellten

Ausführungsbeispiel wird beispielhaft die Haftfestigkeit von Wärmeschutzschichten auf Gasturbinenschaufeln unter einsatznahen Bedingungen charakterisiert.

Gasturbinenschaufeln stehen im Einsatz unter extremer thermischer Belastung durch das Arbeitsgas. Zum Schutz des metallischen Grundwerkstoffs der als Bauteil 10 schematisch dargestellten Gasturbinenschaufel, verwendet man deshalb dünne Keramikschichten, die beispielsweise durch Aufdampfen oder Spritzen aufgebracht werden. Im Ausführungsbeispiel handelt es sich bei einer solchen Keramikschicht um die auf dem Bauteil 10 vorgesehene Beschichtung 11. Beim Betrieb der Turbine 10, besonders aber bei Last- /Temperaturwechseln entstehen auf Grund thermischer Gradienten und des thermischen Misfits zwischen metallischem Grundwerkstoff und Keramikschicht sehr große mechanische Spannungen, die zum Versagen, beispielsweise Abplatzen, der Wärmeschutzschicht führen können. Deshalb ist die Haftfestigkeit der Wärmeschutzschicht 11 eine kritische Kenngröße, deren Wert stark von den Herstellungsparametern, aber auch von der Belastung im Einsatz, beispielsweise in bezug auf Temperatur, Lastzyklenzahl, Laufzeit und dergleichen abhängt.

Bisher war es nur möglich, die Haftfestigkeit der

Wärmeschutzschicht 11 nach einer entsprechenden Belastung, beispielsweise in der Turbine oder im Prüfstand, bei Umgebungsbedingungen zu testen. Dies kann beispielsweise mittels modifizierter 4-Punkt-Biegung erfolgen. Dabei wird mittels einer Belastungsapparatur eine mechanische

Ersatzbelastung in die Wärmeschutzschicht 11 eingeleitet und die sogenannte kritische Energiefreisetzungsrate der Grenzfläche zwischen Wärmeschutzschicht 11 und Turbine 10 ermittelt. Auf diese Weise kann zwar die Haftfestigkeit in

Abhängigkeit der Betriebsdauer/-zyklenzahl bewertet werden, der Test gibt allerdings nur bedingt Auskunft über die

Haftfestigkeit während der Belastung.

Der Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens gestattet hingegen die Bewertung der Haftfestigkeit von

Wärmeschutzschichten unter Einsatzbedingungen, woraus sich besonders wichtige Informationen für eine genaue Lebensdauervorhersage ermitteln lassen. Zum Test wird eine entsprechend präparierte Wärmeschutzschicht unter

Einsatzbedingungen belastet und anschließend in einer

Schadensanalyse untersucht.

Wie in Figur 1 dargestellt ist, wird zur Präparation mit Hilfe einer Fixiereinrichtung 13, die beispielsweise als Stempel ausgebildet ist, oder durch Siebdruck ein Feld von gleichförmigen Zusatzbeschichtungen 12 unterschiedlicher Fläche und Dicke auf die zu untersuchende Wärmeschutzschicht 11 aufgebracht. Das Aufbringen der Zusatzbeschichtungen 12 kann beispielsweise mittels eines geeigneten Fixiermittels 14, beispielsweise mittels Klebung durch einen Keramikkleber, erfolgen. Nach entsprechender Aushärtung des Keramikklebers 14 wird die bedruckte Wärmeschutzschicht 11 in der Turbine 10 oder im Prüfstand belastet und anschließend einer

Schadensanalyse unterzogen.

Im Ergebnis ist zu erwarten, daß die Beschichtung 11 in den Bereichen mit SchichtverStärkung, das heißt in den Bereichen mit Zusatzbeschichtungen 12, stärker geschädigt wird, während sie in den unverstärkten Bereichen noch unversehrt am Bauteil 10 haftet. Dies ist insbesondere in Figur 2 dargestellt. Die Triebkraft zur Schichtschädigung ist dabei proportional zur Dicke der Zusatzbeschichtungen 12. Durch Vergleich der

Schichtschädigung zwischen Bereichen mit unterschiedlicher

Zusatzbeschichtungsdicke läßt sich somit eine kritische Dicke der Zusatzbeschichtung 12 ermitteln, die für vorgegebene

Belastungsbedingungen zur Schädigung der Schicht führt. Die

Dicke der Zusatzbeschichtung 12 stellt somit eine

Vergleichsgröße dar, die zur qualitativen Bewertung der

Haftfestigkeit unterschiedlicher Beschichtungen verwendet werden kann.

Mit Hilfe einer geeigneten Belastungsanalyse, beispielsweise mittels FEM (Finite Elemente Methode) , kann anschließend eine bruchmechanische Auswertung erfolgen und ein Wert für die Haftfestigkeit, beispielsweise die kritische Energiefreisetzungsrate, ermittelt werden. In diesem Fall ist es erforderlich, daß die äußeren Belastungsbedingungen und die entsprechenden Beschichtungseigenschaf en unter den Testbedingungen bekannt sind. Aus der Abhängigkeit der kritischen Zusatzschichtdicke von der Beschichtungsflache lassen sich zusätzlich Informationen über Defektgrößen und deren Verteilung in der zu untersuchenden Beschichtung 11 gewinnen .

Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens ist also die qualitative und quantitative Bewertung der Haftfestigkeit von Wärmedämmschichten 11 unter einsatznahen Bedingungen möglich, wie sie mit bisher bekannten Haftfestigkeitstests nicht realisierbar sind. Die besondere Bedeutung des Verfahrens besteht dabei in der Möglichkeit, anwendungsrelevante Informationen zu generieren, die später als Grundlage einer zuverlässigen Lebensdauervorhersage genutzt werden können.

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zum Bestimmen der Haftfestigkeit einer auf einem Bauteil (10) befindlichen Beschichtung (11), gekennzeichnet durch folgende Schritte: a) Die zu untersuchende Beschichtung (11) wird über wenigstens eine Zusatzbeschichtung (12) mit zumindest einem definierten Geometrieparameter lokal verstärkt; b) das Bauteil (10) wird einer Belastung ausgesetzt, wobei im Bereich der lokalen Verstärkung (12) eine Überhöhung der Belastung erzeugt wird; c) mittels eines Analyseverfahrens wird auf der Basis der lokal überhöhten Belastung im Bereich der lokalen Verstärkung (12) eine quantitative und/oder qualitative Bewertung der Haftfestigkeit durchgeführt.

2. Verfahren zum Bestimmen der Haftfestigkeit einer

Beschichtung auf einem Bauteil (10) und/oder zum Bestimmen geeigneter Parameter einer Beschichtung für ein Bauteil (10), gekennzeichnet durch folgende Schritte: a) Wenigstens eine Beschichtung mit zumindest einem definierten Geometrieparameter wird lokal auf das Bauteil (10) aufgebracht; b) das Bauteil (10) wird einer Belastung ausgesetzt; c) mittels eines Analyseverfahrens wird auf der Basis der im Bereich der wenigstens einen lokalen Beschichtung auftretenden Belastung eine quantitative und/oder qualitative Bewertung der Haftfestigkeit durchgeführt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß dieses unter einsatznahen Bedingungen für das Bauteil (10) durchgeführt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die wenigstens eine Zusatzbeschichtung (12) oder die wenigstens eine lokale Beschichtung an definierten Stellen des Bauteils (10) aufgebracht wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die wenigstens eine Zusatzbeschichtung (12) oder die wenigstens eine lokale Beschichtung mit definierter Dicke und/oder Fläche auf die zu untersuchende Beschichtung (11) des Bauteils (10) oder das Bauteil (10) aufgebracht wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der Ansprüche 3 bis 5, soweit auf Anspruch 1 rückbezogen, dadurch gekennzeichnet, daß mehr als eine Zusatzbeschichtung (12) auf die zu untersuchende Beschichtung (11) aufgebracht wird und daß wenigstens eine erste Zusatzbeschichtung im Vergleich zu wenigstens einer zweiten Zusatzbeschichtung zumindest einen unterschiedlichen Geometrieparameter aufweist und/oder aus einem unterschiedlichen Material besteht .

7. Verfahren nach Anspruch 2 oder einem der Ansprüche 3 bis 5, soweit auf Anspruch 2 rückbezogen, dadurch gekennzeichnet, daß mehr als eine lokale Beschichtung auf das Bauteil (10) aufgebracht wird und daß wenigstens eine erste Beschichtung im Vergleich zu wenigstens einer zweiten Beschichtung zumindest einen unterschiedlichen Geometrieparameter aufweist und/oder aus einem unterschiedlichen Material besteht.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauteil (10) einer Belastung ausgesetzt wird derart, daß die Triebkraft für

Schädigungen im Bereich der wenigstens einen

Zusatzbeschichtung (12) oder im Bereich der wenigstens einen lokalen Beschichtung erhöht wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauteil (10) einer Belastung ausgesetzt wird derart, daß die Eigenspannungen der

Beschichtung (11) im Bereich der wenigstens einen Zusatzbeschichtung (12) erhöht werden oder daß die

Eigenspannungen der wenigstens einen lokalen Beschichtung erhöht werden und daß die auftretenden Eigenspannungen mittels des Analyseverfahrens ausgewertet werden.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer bei Belastung auftretenden Schädigung der Beschichtung (11) im Bereich der wenigstens einen Zusatzbeschichtung (12) oder der wenigstens einen lokalen Beschichtung aus wenigstens einem für die Zusatzbeschichtung (12) oder die lokale Beschichtung spezifischen Parameter mittels des Analyseverfahrens die Haftfestigkeit der Beschichtung (11) auf dem Bauteil (10) ermittelt wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Ermittlung der Haftfestigkeit der Beschichtung (11) auf dem Bauteil (10) oder die Bestimmung der geeigneten Parameter der Beschichtung für das Bauteil mittels eines numerischen oder analytischen Analyseverfahrens erfolgt.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß mittels des Analyseverfahrens eine bruchmechanische Auswertung der Haftfestigkeit durchgeführt wird.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 3 bis 12, soweit auf Anspruch 1 rückbezogen, dadurch gekennzeichnet, daß die wenigstens eine Zusatzbeschichtung (12) und die zu untersuchende Beschichtung (11) aus gleichem Material gebildet sind.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 3 bis 12, soweit auf Anspruch 1 rückbezogen, dadurch gekennzeichnet, daß die wenigstens eine Zusatzbeschichtung (12) und die zu untersuchende Beschichtung (11) aus unterschiedlichen Materialien gebildet sind.