WO2004048635A1 - Schichtsystem mit einer schicht mit hinterschneidungen - Google Patents

Schichtsystem mit einer schicht mit hinterschneidungen Download PDF

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WO2004048635A1
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Dirk Goldschmidt
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • 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
    • C23C28/00—Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D
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    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
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    • C23C4/00—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge
    • C23C4/12—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge characterised by the method of spraying
    • C23C4/123—Spraying molten metal

Definitions

  • the invention relates to a layer system with a layer with undercuts according to claim 1.
  • Coatings of components e.g. Bond layers or thermal insulation layers of components exposed to high temperatures, e.g. Gas turbine components are often coated by means of plasma spraying, as is described in US Pat. No. 3,839,618 or US Pat. No. 4,447,466.
  • a spray compacting method is known from US Pat. No. 4,418,124, in which solid bodies are produced.
  • Spray compaction processes in which a molten metal is atomized and injected into a mold to produce solid, dense components, are described in the article "Microstructure and properties of spray cast Cu-Zr alloys", Materials Science and Engineering A145 (1991), Pages 243-255 described by RP Singh.
  • the object of the present invention is to be able to produce layers with improved adhesion, in particular thick layers, in a simplified manner.
  • the object is achieved by a layer system according to claim 1.
  • FIG. 1 simplifies a spray compacting plant for the purpose of producing a coating on a component
  • Figure 2 shows a layer system according to the invention and Figure 3 shows another layer system according to the invention.
  • FIG. 1 shows a spray compacting system 1 which is used to produce at least one layer 16 according to the invention (FIG. 2) on a substrate 30 (FIG. 2), the layer 16, which can also be an intermediate layer 16, adhering to the substrate 30 should.
  • the molten particles 7 are not injected into a mold where they are to form a solid body, but instead form a layer 16 on a component 10.
  • this coating method can be used to produce thick layers on a component 10 simply, inexpensively and very quickly.
  • the microstructure of the layer can be set using the process parameters of the spray compacting system. In this way, the porosity and / or undercuts can be set in a targeted manner.
  • FIG. 2 shows a cross section through a layer system 28 of a component 1 that has been produced in a spray compacting system 1.
  • An intermediate layer 16 is present on the component 1 and has been produced by means of spray compaction.
  • the intermediate layer 16 can be dense, but it can also be porous due to the corresponding variation of the process parameters
  • undercuts 22 which enable better anchoring of a layer 19 applied to the layer 16 compared to a layer without undercuts and / or pores.
  • the improved adhesion is achieved not only by the undercuts 22, but also by the increased contact area between the layers 16 and 19.
  • Such layers 16 with undercuts 22 can also be produced using other methods (plasma spraying, CVD; PVD).
  • Layer 19 may, but need not, have been produced in a spray compacting system 1.
  • component 10 is a turbine blade or generally a component 10 that is exposed to high temperatures and whose substrate 30 consists, for example, of a nickel- or cobalt-based superalloy.
  • Layer 16 is a so-called intermediate layer
  • Composition MCrAlX where M represents at least one element of the Group iron, nickel or cobalt and X is yttrium and / or at least one element of the rare earths.
  • Layer 19 can be an anchoring layer or ceramic thermal barrier coating.
  • FIG. 3 shows a layer system 28 which has only one layer 16.
  • the layer 16 has, for example, a low porosity and is, for example, at least 0.5 mm thick.
  • Such thick layers can be produced particularly well by means of a spray compacting system 1.

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Abstract

Beschichtungen für Bauteile können nach dem Stand der Technik auf verschiedene Art und Weise hergestellt werden. Dabei müssen nicht nur bestimmte Anforderungen für bestimmte Einsatzbedingungen erfüllt werden, sondern auch die Herstellung muss schnell, einfach und kostengünstig sein. Die erfindungsgemässe Verwendung einer Sprühkompaktierungsanlage (1) zur Erzeugung einer Schicht (16, 19) ermöglicht dies, indem ein erfindungsgemässes Schichtsystem (28) in bekannten Sprühkompaktierungsanlagen (1) eingebracht wird und dort beschichtet wird.

Description

Schichtsystem mit einer Schicht mit Hinterschneidungen
Die Erfindung betrifft ein Schichtsystem mit einer Schicht mit Hinterschneidungen gemäß dem Anspruch 1.
Beschichtungen von Bauteilen, wie z.B. Bondschichten oder Wärmedämmschichten von hochtemperaturbelasteten Bauteilen, wie z.B. Gasturbinenbauteilen, werden oft mittels Plasmaspritzen beschichtet, wie es in der US-PS 3,839,618 oder US- PS 4,447,466 beschrieben ist.
Ein Sprühkompaktierungsverfahren ist aus der US-PS 4,418,124 bekannt, bei dem massive Körper hergestellt werden.
Sprühkompaktierungsverfahren, bei dem ein geschmolzenes Metall verdüst wird und in eine Form gespritzt wird um massive dichte Bauteile herzustellen, sind in dem Artikel „Micro- structure and properties of spray cast Cu-Zr-alloys", Materials Science and Engineering A145(1991), Seite 243-255 von R.P. Singh beschrieben.
Die Herstellungsbedingungen von massiven dichten Bauteilen mittels einem Sprühkompaktierungsverfahren sind in dem Artikel „Impingement Behavior of a Spray Cast Aluminum Alloy" in dem Proceedings Conference „Solidification 1993 in San Antonia, Texas, Februar 15-19, 1998 von D.P. M Matson" beschrieben.
In der US-PS 6,444,331 ist beschrieben, dass eine poröse Bondschicht, die mittels Plasmaspritzen hergestellt wird, zur besseren Haftung dient.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, auf vereinfachte Art und Weise Schichten mit verbesserter Haftung, insbesondere dicke Schichten, herstellen zu können. Die Aufgabe wird gelöst durch ein Schichtsystem gemäß Anspruch 1.
In dem Unteranspruch ist eine weitere vorteilhafte Ausge- staltung des Schichtsystems beschrieben.
Es zeigen
Figur 1 vereinfacht eine Sprühkompaktierungsanlage zwecks Verwendung zur Erzeugung einer Beschichtung auf einem Bauteil,
Figur 2 ein erfindungsgemäßes Schichtsystem und Figur 3 ein weiteres erfindungsgemäßes Schichtsystem.
Figur 1 zeigt eine Sprühkompaktierungsanlage 1, die verwendet wird, um zumindest eine erfindungsgemäße Schicht 16 (Figur 2) auf einem Substrat 30 (Figur 2) zu erzeugen, wobei die Schicht 16, die auch eine Zwischenschicht 16 sein kann, auf dem Substrat 30 haften soll.
In der Sprühkompaktierungsanlage 1 wird beispielsweise aus einer Düse 4 aufgeschmolzenes, bspw. metallisches, Material ausgedüst, so dass ein Materialstrom aus zumindest teilweise flüssigen Teilchen 7 entsteht, die auf die Oberfläche 13 eines Bauteils 10 auftreffen und dort eine Schicht 16, 19 (Fig. 2, 3) erzeugen.
Im Gegensatz zu den herkömmlichen Sprühkompaktierungsanlagen werden die geschmolzenen Teilchen 7 nicht in eine Form ein- gedüst, wo sie einen massiven Körper bilden sollen, sondern bilden eine Schicht 16 auf einem Bauteil 10.
Insbesondere können mit dieser Beschichtungsmethode einfach, kostengünstig und sehr schnell dicke Schichten auf einem Bauteil 10 hergestellt werden. Die MikroStruktur der Schicht kann durch die Verfahrensparameter der Sprühkompaktierungsanlage eingestellt werden. So können die Porosität und/oder Hinterschneidungen gezielt eingestellt werden.
Figur 2 zeigt einen Querschnitt durch ein Schichtsystem 28 eines Bauteils 1, das in einer Sprühkompaktierungsanlage 1 hergestellt worden ist.
Auf dem Bauteil 1 ist eine Zwischenschicht 16 vorhanden, die mittels Sprühkompaktierung hergestellt worden ist.
Die Zwischenschicht 16 kann dicht sein aber auch durch ent- sprechende Variation der Verfahrensparameter eine poröse
Struktur ggf. auch mit Hinterschneidungen 22 aufweisen, die eine bessere Verankerung einer auf der Schicht 16 aufgebrachten Schicht 19 gegenüber einer Schicht ohne Hinterschneidungen und/oder Poren ermöglichen. Die verbesserte Haftung wird nicht nur durch die Hinterschneidungen 22 erreicht, sondern auch durch die vergrößerte Kontaktfläche zwischen der Schicht 16 und 19.
Solche Schichten 16 mit Hinterschneidungen 22 können auch mit anderen Methoden (Plasmaspritzen, CVD; PVD) hergestellt werden.
Die Schicht 19 kann, muss aber nicht in einer Sprühkompaktierungsanlage 1 hergestellt worden sein.
Beispielsweise ist das Bauteil 10 eine Turbinenschaufel oder allgemein ein Bauteil 10, das hochtemperaturbelastet ist, und dessen Substrat 30 beispielsweise aus einer nickel- oder kobaltbasierten Superlegierung besteht. Die Schicht 16 ist eine so genannte Zwischenschicht der
Zusammensetzung MCrAlX, wobei M für zumindest ein Element der Gruppe Eisen, Nickel oder Cobalt steht und X Yttrium und/oder zumindest ein Element der Seltenen Erden ist.
Die Schicht 19 kann eine Verankerungsschicht oder keramische Wärmedämmschicht sein.
Figur 3 zeigt ein Schichtsystem 28, das nur eine Schicht 16 aufweist . Die Schicht 16 hat bspw. eine geringe Porosität und ist beispielsweise mindestens 0,5 mm dick.
Solche dicken Schichten lassen sich besonders gut mittels in einer Sprühkompaktierungsanlage 1 herstellen.

Claims

Patentansprüche
1. Schichtsystem, bestehend aus einem Substrat (30) , einer Zwischenschicht (16) und zumindest einer Schicht (19) auf der Zwischenschicht (16), wobei die Zwischenschicht (16) Hinterschneidungen (22) und/oder Poren aufweist, wobei die Zwischenschicht (16) in einer Sprühkompaktierungsanlage herstellbar ist
2. Schichtsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
die Schicht (16, 19) mindestens 0,3mm dick ist,
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