WO2006040223A1 - Schichtsystem - Google Patents

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WO2006040223A1
WO2006040223A1 PCT/EP2005/054353 EP2005054353W WO2006040223A1 WO 2006040223 A1 WO2006040223 A1 WO 2006040223A1 EP 2005054353 W EP2005054353 W EP 2005054353W WO 2006040223 A1 WO2006040223 A1 WO 2006040223A1
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WO
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anchoring means
layer
intermediate layer
substrate
continuous
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PCT/EP2005/054353
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English (en)
French (fr)
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Georg Bostanjoglo
Nigel-Philip Cox
Rolf WILKENHÖNER
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Siemens Aktiengesellschaft
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Publication date
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    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T50/00—Aeronautics or air transport
    • Y02T50/60—Efficient propulsion technologies, e.g. for aircraft

Definitions

  • the invention relates to a layer system according to the preamble of claim 1.
  • MrAlX layers metallic corrosion protection layers
  • ceramic thermal barrier layers as well as layer systems with metallic corrosion protection layers and ceramic thermal barrier coatings.
  • plasma-assisted powder spraying processes are used because of their comparatively high cost-effectiveness.
  • No. 5,869,798 discloses a method in which elevations are produced on a surface by means of a welding method, wherein the elevation consists of a different material than the underlying substrate.
  • EP 1 275 748 A2 discloses anchoring means disposed on, but not projecting into, a surface of the substrate or an intermediate layer.
  • EP 0 713 957 A1 discloses anchoring means which protrude into a substrate in order to improve the adhesion of a non-metallic material such as ceramic on the metallic substrate.
  • EP 0 713 957 A1 discloses a method in which a depression in a layer is filled up with material.
  • the object is achieved by a layer system according to claim 1.
  • the layer system according to the invention has separately produced anchoring means which have a very strong connection to the substrate or to an intermediate layer arranged underneath it on the substrate and are bonded to the substrate or the other layer in a different way than the layer.
  • the stronger bonding of the anchoring means compared to the existing layer bonding for example Ver ⁇ clamping by surface roughness
  • a fusion metallurgical bond which is produced for example in a separate process.
  • the cost-effective and economical plasma spraying process can be used to apply the layer.
  • Figure 1 is a layer system according to the prior
  • FIG. 3 shows a perspective top view of a layer system designed according to the invention
  • FIG. 4 shows method steps for producing a layer system
  • FIG. 5 shows method steps for producing a layer system
  • FIGS. 10 to 12 shows method steps for producing a layer system
  • FIGS. 13, 14, 15 process steps for producing a layer system
  • FIGS. 16, 17 process steps for producing a layer system
  • FIG. 18 shows a gas turbine
  • FIG. 19 shows a combustion chamber and FIG. 20 shows a turbine blade.
  • FIG. 1 shows a layer system 1 'according to the prior art.
  • the layer system 1 f has a substrate 4.
  • At least one layer here for example an outer layer 9 with an outer surface 16, is present.
  • This may be a metallic and / or ceramic outer layer 9.
  • the bonding of the outer layer 9 to the substrate 4 or of layers with one another takes place according to the prior art solely by mechanical clamping (surface roughness) to the underlying surface and / or subsequent diffusion heat treatment.
  • FIG. 2 shows, starting from FIG. 1, a layer system 1 according to the invention.
  • the substrate 4 may be metallic or ceramic and be ⁇ in the case of gas turbine components, in particular of an iron-, nickel- or cobalt-based superalloy.
  • an intermediate layer 7 for example a metallic corrosion protection layer 7 of the MCrAlX type, is applied to the substrate 4, whereupon an additional outer layer is additionally provided 9, for example, a ceramic thermal insulation layer 9 (Fig. 6, 7, 8) is applied.
  • At least one inner anchoring means 13 and / or at least one continuous anchoring means 10 are present in the intermediate layer 7 (FIGS. 6, 7) and / or the outer layer 9 (FIGS. 2, 4, 5, 6, 8).
  • the continuous anchoring means 10 or inner anchoring means 13 with a certain proportion 14 of their total volume extend into the substrate 4 (FIGS. 2, 4, 5, 6, 7) or into the intermediate layer 7 (FIGS. 6, 8).
  • the volume fraction of fraction 14 is at most 30% by volume, i. the proportion of the volume of the anchoring means 10, 13 in the layer 7, 9 based on its total volume is at least 70vol% and is less than 100vol%.
  • the volume fraction of the portion 14 is between 20 and 30vol%, between 10 and 20vol% or between 10 and 30vol%.
  • the volume fraction of the fraction 14 can also be a maximum of 20 or at most 10vol%, but never 0vol%.
  • a length fraction can also be specified. If the anchoring means 10, 13 extend along a direction 11 starting from the substrate 4 or an intermediate layer 7 (direction 11, for example, perpendicular to a surface 5, 8, 16), then there is a length lio along the direction 11, which is the total length of the anchoring means 10 represents.
  • a length Ii4, io represents the extent of the portion 14 of the continuous anchoring means 10 in the direction 11.
  • the anchoring means 13 in which the length I1 3 represents the total length of the anchoring means 13 and the length Ii4, i 3, the extension of the portion 14 in the direction 11 of the inner anchoring means thirteenth Likewise, there is a length l s , which represents the layer thickness of the layer 7, 9.
  • the values may be between 20% and 30%, between 10% and 20% or between 10% and 30%. Preferably also values of 20% or 10% are used.
  • the material class of the continuous anchoring means 10 or the inner anchoring means 13 corresponds to the material class of the intermediate layer 7 or the outer layer 9, in which it is arranged for the most part.
  • a class of materials is understood to mean either metals or ceramics.
  • the material of the continuous anchoring means 10 or inner anchoring means 13 is also metallic.
  • the material of the continuous anchoring means 10 or the inner anchoring means 13 corresponds to the material of the intermediate layer 7, wherein slight changes may occur.
  • the material of the intermediate layer 7 consists of an alloy of the MCrAlX type.
  • the material of the continuous anchoring means 10 or the inner anchoring means 13 then for example also consists of an alloy of the type MCrAlX, wherein the chemical
  • the composition is changed so that the continuous anchoring means 10 or the inner anchoring means 13 can be better produced in the intermediate layer 7 or have better mechanical properties.
  • the material of the intermediate layer 7 may be ceramic, in which case the continuous anchoring means 10 or the inner anchoring means 13 also consist of a ceramic, in particular the same ceramic.
  • the material of the continuous anchoring means 10 or the inner anchoring means 13 is also ceramic and corresponds in particular to the material of the outer layer 9.
  • the material of the outer layer 9 and the continuous anchoring means 10 or the inner anchoring means 13 may be metallic (MCrAlX).
  • the continuous anchoring means 10 or the inner anchoring means 13 have, in particular, a different type of connection, in particular with an increased connection force (more precisely: force / per contact surface) to the substrate 4 or to the intermediate layer 7 compared to the type of connection Intermediate layer 7 to the substrate 4 and the outer layer 9 to the intermediate layer. 7
  • the continuous anchoring means 10 or the inner anchoring means 13 are, for example, melt-metallurgically bonded to the substrate 4 or the intermediate layer 7 by a suitably guided laser welding process. Likewise, it is conceivable that the intermediate layer 7 and / or outer layer 9 is applied at certain points by laser cladding (laser powder coating) and thus form continuous anchoring means 10 or inner anchoring means 13.
  • the continuous anchoring means 10 or the inner anchoring means 13 can also be cast or produced in the casting of the substrate 4 with.
  • the continuous anchoring means 10 or the inner anchoring means 13 represent adhesion bridges for the intermediate layer 7 or outer layer 9 surrounding the continuous anchoring means 10 or the inner anchoring means 13.
  • the continuous anchoring means 10 emanate from the substrate 4 or the intermediate layer 7 and extend in particular only to the inner surface 8 of the intermediate layer 7 or the outer surface 16 of the outer layer 9.
  • the inner anchoring means 13 are formed by the intermediate layer 7 or the Covered outer layer 9, so that the inner anchoring means 13 do not extend to the inner surface 8 of the sept ⁇ layer 7 or the outer surface 16 of the outer layer 9, that are within the intermediate layer 7 or the outer layer 9 ending arranged. They extend 13 to at least 10%, 20%, 30%, 40% or more of the thickness of the intermediate layer 7 or the outer layer 9 in the intermediate layer 7 or in the outer layer. 9
  • the continuous anchoring means 10 or the inner anchoring means 13 are for example only locally, so localized ( Figure 3) on the substrate 4 or the intermediate layer 7 is present, namely, where the mechanical load is greatest. This is, for example, the area of the leading edge 409 (FIG. 20) of a turbine blade 120, 130. The remaining blade leaf 406 would then have no continuous anchoring means 10 or inner anchoring means 13.
  • Figure 3 shows a plan view of an inner surface 8 of an intermediate layer 7 or on an outer surface 16 of an outer layer 9. Dashed lines indicate the inner anchoring means
  • the continuous anchoring means 10 or the inner anchoring means 13 may have on the substrate surface 5 different geometries such as circles, stitching (ie they are elongated and intersecting), waveforms, parallel paths and combinations thereof.
  • FIG. 6 shows a further layer system 1 designed according to the invention.
  • the layer system 1 consists of a substrate 4 and, for example, two layers, an intermediate layer 7 and an outer layer 9.
  • the intermediate layer 7 is, for example, a metallic MCrAlX layer and the outer layer 9 is, for example, a ceramic thermal barrier coating 9 on the intermediate layer 7.
  • Continuous anchoring means 10 or inner anchoring means 13 are present both in the intermediate layer 7 and in the outer layer 9.
  • the intermediate layer 7 does not have to have continuous anchoring means 10 or inner anchoring means 13 in the sense of the present invention (FIG. 8). Likewise, the continuous anchoring means 10 or inner anchoring means 13 may be present only in the intermediate layer 7 ( Figure 7).
  • continuous anchoring means 10 or inner anchoring means 13 in the intermediate layer 7 or the outer layer 9 must have a portion 14 which extends into the substrate 4 or the intermediate layer 7.
  • the continuous anchoring means 10 in the intermediate layer 7 and / or in the outer layer 9 may extend from the substrate surface 5 of the substrate 4 or the inner surface 8 of the intermediate layer 7 to the inner surface 8 of the intermediate layer 7 or the outer Surface 16 of the outer layer 9 extend, but not beyond.
  • the inner anchoring means 13 are covered by the intermediate layer 7 or the outer layer 9, so that the inner anchoring means 13 do not extend to the inner surface 8 of the intermediate layers or the outer surface 16 of the outer layer 9.
  • the continuous anchoring means 10 or inner anchoring means 13 in the intermediate layer 7 improve the bonding of the intermediate layer 7 to the substrate 4.
  • the continuous anchoring means 10 or inner anchoring means 13 are present in particular in thermally and / or mechanically highly loaded areas.
  • this is the inflow edge 409, the trailing edge 422 (FIG. 20) or the transition between the airfoil 406 and the platform 403.
  • the layer system 1 is, for example, a component of a gas 100 (FIG. 18) (also aircraft turbine) or steam turbine.
  • Ther- mically highly loaded components of the turbines have such a layer system, such as e.g. Turbine blades 120, 130, Hit ⁇ zeschild implant 155 a combustion chamber 110 and other housing parts that are along the flow path of a hot Damp ⁇ fes or hot gas.
  • the layer system 1 can be applied to a newly manufactured component and to components that are refurbished after use (refurbishment). In this case, the components 1 are previously freed from degraded layers, cracks are repaired if necessary, and a renewed coating of the substrate 4 takes place.
  • FIG. 7 shows a further exemplary embodiment of a layer system 1 according to the invention.
  • the continuous anchoring means 10 or inner anchoring means 13 are present only in the intermediate layer 7.
  • the outer layer 9 is present on the intermediate layer 7, the outer layer 9 is present.
  • a contact surface of the continuous anchoring means 10 on the inner surface 8 improves the adhesion of the outer layer 9 to a comparable contact surface with the intermediate layer 7. This is achieved, for example, in that the contact surfaces of the continuous anchoring means 10 form germinal points on the inner surface 8, for example epitaxially
  • an improved layer system 1 is achieved in that the continuous anchoring means 10 or inner anchoring means 13 to an improved connection of the outer layer lead to the substrate 4.
  • continuous anchoring means 10 or inner anchoring means 13 extend into the substrate 4 with a portion 14.
  • FIG. 8 shows a further exemplary embodiment of a layer system 1 according to the invention with intermediate layer 7 and outer layer 9.
  • the continuous anchoring means 10 or inner anchoring means 13 are present only in the outer layer 9.
  • continuous anchoring means 10 or inner anchoring means 13 extend into the intermediate layer 7.
  • FIG. 4 shows, by way of example, method steps of a method for producing a layer system 1.
  • a first step an outer layer 9 is applied to the substrate 4 (not shown) in a known manner.
  • the outer layer 9 is treated, for example, with a laser 17 or an electron beam gun 17, which emits a corresponding laser or electron beam 19.
  • a laser 17 or an electron beam gun 17 which emits a corresponding laser or electron beam 19.
  • the material of the outer layer 9 is locally converted to the substrate surface 5 of the substrate 4 or beyond with a proportion 14 into the substrate 4, for example, melted, so that there is a metallurgical fusion of material from the outer layer 9 in the substrate 4 results.
  • continuous anchoring means 10 are produced, which extend from the substrate surface 5 up to the surface 16 of the outer layer 9.
  • the continuous anchoring means 10 are, for example, of a columnar design and can also be concave or convexly curved (FIG. 7).
  • FIG. 5 shows a further production method.
  • the at least one continuous anchoring means 10 or inner anchoring means 13 is first applied to the substrate 4, ie produced separately. This can be done in various ways, such as by a suitably guided laser welding process or Lasercladding.
  • the continuous anchoring means 10 or inner anchoring means 13 have in particular a very strong, in particular melt-metallurgical connection to the substrate 4. However, the continuous anchoring means 10 or inner anchoring means 13 may also have already been produced during the production of the substrate 4, for example by a casting process. In a subsequent process, the outer layer 9 is Jerusalem ⁇ brought, wherein the continuous anchoring means 10 or inner anchoring means 13 are enclosed by the material of the outer layer 9 and provide adhesion bridges for the outer layer 9.
  • FIG. 9a shows a further exemplary embodiment of a component 1 according to the invention (cross section through anchoring means 10, 13).
  • the continuous anchoring means 10 has a larger cross-sectional area at the outer surface 16 than at the lower substrate surface 5 (FIG. 9b, top view of FIG. 9a).
  • the shape of the continuous anchoring means 10 in cross section is here bell-shaped, for example.
  • the cross-sectional contour may also have other shapes, such.
  • the cross section of the continuous anchoring means 10 is formed here, for example, round. Dashed lines indicate the cross-sectional area of the continuous anchoring means 10 on the substrate surface 5 or in the substrate 4.
  • the continuous anchoring means 10 may also extend into the substrate 4 here (not shown).
  • the statements apply analogously to an inner anchoring means 13
  • FIGS. 10 to 12 show a further method for producing the layer system 1.
  • the outer layer 9 and the continuous anchoring means 10 or inner anchoring means 13 are produced, for example, in layers, i. First, the outer layer 9 is produced in partial layers and then or simultaneously the anchoring means 10, 13th
  • the anchoring means are at least mostly or completely produced (FIG. 5) and then the outer layer 9 or vice versa (FIG. 4).
  • the continuous anchoring means 10 or inner anchoring means 13 are generated.
  • the spot is heated and fused, for example by means of a laser, i. the temperature is increased temporarily and locally.
  • an outer layer 9 (for example MCrAlX) is already present on the substrate 4. This is the case, in particular, when it is a component 1 to be repaired which was used, for example, and in particular has a local damage in the form of a depression 34.
  • This depression 34 is, for example, weakened or subjected to increased requirements in use and is treated in a first step, for example by means of a laser 17 (or electron beam gun) and its laser beams 19 (FIG. 13), so that continuous anchoring means 10 or inner anchoring means 13 are formed (FIG. Figure 14).
  • a laser 17 or electron beam gun
  • FIG. 13 laser beams 19
  • the recess 34 is filled with layer material 25, for example, from a material conveyor 22 (for example, by
  • Laser deposition welding wherein either only layer material 25 is filled without the inner anchoring means 13 is further formed according to Figure 14, so that an inner anchoring means 13 is formed, which does not extend to the outer surface 16 or, for example, the laser 17 for laser deposition welding For example, also used to grow the continuous anchoring means 10 according to Figure 14 to the outer surface 16.
  • the continuous anchoring means 10 or inner anchoring means 13 may, but need not also extend with a portion 14 (indicated by dashed lines) in the substrate 4 or have a shape according to Figure 9, 5.
  • the layer material 25 may be a material of the outer layer 9 or the substrate 4, but also have a different composition.
  • no outer layer 9 can be present locally in the recess 34 and layer material 25, for example, of the outer layer 9 is applied, and continuous anchoring means 10 or inner anchoring means 13 are produced.
  • FIGS. 13 to 15 apply analogously to the intermediate layer 7, to which an outer layer 9 is applied.
  • FIGS. 16, 17 show further exemplary embodiments of a method for producing a layer system 1.
  • a plasma torch 31 (FIG. 16) is used.
  • a continuous anchoring means 10 or inner anchoring means 13 is produced in which the layer material 25 at least temporarily at the locations predetermined for the continuous anchoring means 10 or inner anchoring means 13 treated by means of the laser 17, that is, for example, is melted.
  • two lasers 17, 17 ' may be used, using a laser 17' for the deposition process, such as laser deposition welding using a material conveyor 22 (powder feeder) that supplies the laminate 25, and a laser 17, the as in FIG. 16, the continuous anchoring means 10 or inner anchoring means 13 are produced.
  • a laser 17' for the deposition process, such as laser deposition welding using a material conveyor 22 (powder feeder) that supplies the laminate 25, and a laser 17, the as in FIG. 16, the continuous anchoring means 10 or inner anchoring means 13 are produced.
  • the intermediate layer 7 and / or the outer layer 9 and the continuous anchoring means 10 or inner anchoring means 13 can be produced in layers.
  • lasers 17, 17 'or plasma torches 31 electron beam guns can also be used.
  • the use of lasers, plasma torches is not limited to the embodiments on anchoring means 10, 13 which extend with a proportion 14 into the substrate 4 or the intermediate layer 7 or to a specific cross-sectional shape as in FIG. 9.
  • FIG. 18 shows a gas turbine 100 in a longitudinal section.
  • the gas turbine 100 has inside a rotatably mounted about a Rotations ⁇ axis 102 rotor 103, which is also referred to as Turbi ⁇ nenexr.
  • a Rotations ⁇ axis 102 rotor 103 which is also referred to as Turbi ⁇ nenexr.
  • an intake housing 104 a compressor 105, a combustion chamber 110, for example a toroidal combustion chamber 110, in particular a ring combustion chamber 106, follow one another with a plurality of coaxially arranged burners
  • the annular combustion chamber 106 communicates with an annular annular hot gas channel 111, for example.
  • annular annular hot gas channel 111 for example.
  • turbine stages 112 connected in series form the turbine
  • Each turbine stage 112 is formed from two blade rings ge. As seen in the direction of flow of a working medium 113, in the hot gas channel 111 of a row of guide vanes 115, a series 125 formed of rotor blades 120 follows.
  • the guide vanes 130 are fastened to the stator 143, whereas the rotor blades 120 of a row 125 are secured by means of a Turbine disk 133 are mounted on the rotor 103. Coupled to the rotor 103 is a generator or a work machine (not shown).
  • air 105 is sucked in by the compressor 105 through the intake housing 104 and sealed.
  • the compressed air provided on the turbine-side end of the compressor 105 is fed to the burners 107 and mixed there with a fuel.
  • the mixture is then burned in the combustion chamber 110 to form the working medium 113.
  • the working medium 113 flows along the hot gas channel 111 past the guide vanes 130 and the rotor blades 120.
  • the working medium 113 unwinds on the rotor blades 120 in a pulse-transmitting manner, so that the rotor blades 120 drive the rotor 103 and this drives the working machine coupled to it ,
  • the components exposed to the hot working medium 113 are subject to thermal loads during the operation of the gas turbine 100.
  • the guide vanes 130 and rotor blades 120 of the first turbine stage 112, viewed in the flow direction of the working medium 113, are subjected to the highest thermal load in addition to the heat shield bricks which line the annular combustion chamber 106. In order to withstand the temperatures prevailing there, they are cooled by means of a coolant.
  • the guide blade 130 has a guide blade root facing the inner housing 138 of the turbine 108 (not illustrated here) and a guide blade head opposite the guide blade root.
  • the vane head faces the rotor 103 and fixed to a mounting ring 140 of the stator 143.
  • FIG. 19 shows a combustion chamber 110 of a gas turbine 100.
  • the combustion chamber 110 is designed, for example, as a so-called annular combustion chamber, in which a multiplicity of burners 107 arranged around the turbine shaft 103 in the circumferential direction open into a common combustion chamber space.
  • combustion chamber 110 is configured in its entirety as a ring-shaped structure which is positioned around the turbine shaft 103.
  • the combustion chamber 110 is designed for a comparatively high temperature of the working medium M of about 1000 ° C to 1600 ° C.
  • the combustion chamber wall 153 is provided on its side facing the working medium M with an inner lining formed of heat shield elements 155.
  • Each heat shield element 155 is equipped on the working medium side with a particularly heat-resistant protective layer or made of high-temperature-resistant material. Due to the high temperatures inside the combustion chamber 110, a cooling system is additionally provided for the heat shield elements 155 or for their holding elements.
  • FIG. 20 shows a perspective view of a moving blade 120 or guide blade 130 of a turbomachine that extends along a longitudinal axis 121.
  • the turbomachine may be a gas turbine of an aircraft or a power plant for generating electricity, a steam turbine or a compressor.
  • the blade 120, 130 has, along the longitudinal axis 121, a fastening area 400, an adjacent blade platform 403 and an airfoil 406, one after another.
  • the blade 130 may have at its blade tip 415 another platform (not illustrated).
  • a blade root 183 is formed, which serves for attachment of the blades 120, 130 to a shaft or a disc (not shown).
  • the blade root 183 is designed, for example, as a hammer head. Other designs as fir tree or Schissebwschwanzfuß are possible.
  • the blade 120, 130 has a leading edge 409 and a discharge edge 412 for a medium that flows past the blade plate 406.
  • the blade 120, 130 can be produced by a casting process, also by directional solidification, by a forging process, by a milling process or combinations thereof.
  • Workpieces with a monocrystalline structure or structures are used as components for machines which are exposed to high mechanical, thermal and / or chemical stresses during operation.
  • dendritic crystals are aligned along the heat flow and form either a columnar crystalline Grain structure (columnar, ie grains that extend over the entire length of the workpiece and here, the general Pull ⁇ use, referred to as directionally solidified) or a monocrystalline structure, ie the entire workpiece consists of a single crystal.
  • a columnar crystalline Grain structure columnar, ie grains that extend over the entire length of the workpiece and here, the general Pull ⁇ use, referred to as directionally solidified
  • a monocrystalline structure ie the entire workpiece consists of a single crystal.
  • directionally solidified structures means both single crystals that have no grain boundaries or at most small-angle grain boundaries, and stem crystal structures that have grain boundaries that are probably in the longitudinal direction but no transverse grain boundaries. These second-mentioned crystalline structures are also known as directionally solidified structures. Such methods are known from US Pat. No. 6,024,792 and EP 0 892 090 A1; These documents are part of the Offenba ⁇ tion.
  • the blades 120, 130 may be coatings against corrosion or oxidation (MCrAlX; M is at least one element of the group iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni), X is an active element and is yttrium (Y) and / or silicon and / or at least one element of the rare earths, or hafnium (Hf)).
  • M is at least one element of the group iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni)
  • X is an active element and is yttrium (Y) and / or silicon and / or at least one element of the rare earths, or hafnium (Hf)).
  • Such alloys are known from EP 0 486 489 B1, EP 0 786 017 Bl, EP 0 412 397 B1 or EP 1 306 454 A1, which are intended to be part of this disclosure.
  • thermal barrier coating On the MCrAlX may still be present a thermal barrier coating and consists for example of ZrÜ2, Y2Ü4-Zr ⁇ 2, ie it is not, partially or completely stabilized by yttrium oxide and / or calcium oxide and / or magnesium oxide.
  • Suitable coating processes such as electron beam evaporation (EB-PVD), produce stalk-shaped grains in the thermal barrier coating.
  • EB-PVD electron beam evaporation
  • Refurbishment means that components 120, 130 may have to be freed from protective layers (eg by sandblasting) after use. This is followed by removal of the corrosion and / or oxidation layers or products. Optionally, even cracks in the component 120, 130 are repaired. This is followed by a re-coating of the component 120, 130 and a renewed use of the component 120, 130.
  • protective layers eg by sandblasting
  • the blade 120, 130 may be hollow or solid. If the blade 120, 130 is to be cooled, it is hollow and may still have film cooling holes 418 (indicated by dashed lines).

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Abstract

Schichtsysteme nach dem Stand der Technik weisen oft aufgrund ihrer Beschichtungsart nur eine geringe Anbindung an das Substrat auf. Bei mechanisch hochbelasteten Bauteilen kann es dann zu einer Ablösung der Schicht kommen. 10 Das erfindungsgemäße Schichtsystem (1) weist durchgehende Verankerungsmittel (10) oder innere Verankerungsmittel (13) auf, die mit einem bestimmten Volumenanteil (14) in das Substrat (4) oder in die Zwischenschicht (7) hineinragen und deren Material ähnlich ist.

Description

SchichtSystem
Die Erfindung betrifft ein SchichtSystem gemäß des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
Bauteile für hohe Temperaturen werden heutzutage in der Regel mit Schutzschichten versehen.
Dies können metallische Korrosionsschutzschichten (MCrAlX- Schichten) oder keramische Wärmedämmschichten sowie Schicht¬ systeme mit metallischen Korrosionsschutzschichten und kera¬ mischen Wärmedämmschichten sein.
Als Beschichtungsverfahren für diese Beschichtungen benutzt man plasmagestützte Pulverspritzverfahren aufgrund ihrer ver- gleichsweise hohen Wirtschaftlichkeit.
Die Anbindung solcher Schichten an das Substrat erfolgt durch mechanische Verklammerung und anschließende Diffusionswärme¬ behandlung. Gelegentlich kann es in hochbelasteten Bereichen oder an ungünstigen, d.h. besonders an mechanisch hoch be- lasteten Stellen des Bauteils zu einer Ablösung der Schicht im Betrieb kommen. Das Abplatzen der Schicht während des Be¬ triebs führt zur Schädigung des Grundwerkstoffs, so dass die Bauteillebensdauer wesentlich verringert ist.
Die US 5,869,798 offenbart ein Verfahren, bei dem mittels eines Schweißverfahrens Erhebungen auf einer Oberfläche er¬ zeugt werden, wobei die Erhebung aus einem anderen Material besteht als das zu Grunde liegende Substrat.
Die EP 1 275 748 A2 offenbart Verankerungsmittel, die auf einer Oberfläche des Substrats oder einer Zwischenschicht angeordnet sind, aber nicht in diese hineinragen.
Die DE 100 57 187 Al offenbart Verankerungsmittel, die in ein Substrat hineinragen, um die Haftung eines nicht metallischen Materials wie Keramik auf dem metallischen Substrat zu verbessern. Die EP 0 713 957 Al offenbart ein Verfahren, bei der eine Vertiefung in einer Schicht mit Material aufgefüllt wird.
Weiterer Stand der Technik ist bekannt aus der DE 30 38 416 Al sowie aus der Zeitschrift Journal of Materials Science 24 (1989) , Seite 115 - 123 mit dem Titel „Enhanced metal-ceramic adhesion by sequential sputter deposition and pulsed laser melting of copper films on sapphire Substrates" von A. J. Pedraza, M.J. Godbole.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung ein Schichtsystem aufzu¬ zeigen, das eine bessere Anbindung von einer Schutzschicht an ein Substrat und/oder von Schichten untereinander aufweist.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Schichtsystem gemäß des An¬ spruchs 1.
Das erfindungsgemäße Schichtsystem weist gesondert erzeugte Verankerungsmittel auf, die eine sehr starke Anbindung an das Substrat oder an eine unter ihr auf dem Substrat angeordnete Zwischenschicht aufweisen und auf andere Art und Weise als die Schicht an das Substrat oder die andere Schicht angebunden sind.
Die im Vergleich zur vorhandenen Schichtbindung (z.B. Ver¬ klammerung durch Oberflächenrauhigkeit) stärkere Anbindung der Verankerungsmittel erfolgt beispielsweise durch eine schmelzmetallurgische Bindung, die beispielsweise in einem separaten Prozess erzeugt wird. Somit kann weiterhin das kos¬ tengünstige und wirtschaftliche Plasmaspritzverfahren verwen¬ det werden, um die Schicht aufzubringen.
In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Maßnahmen aufgelistet. Die in den Unteransprüchen aufgelisteten Maßnahmen können in vorteilhafter Weise beliebig miteinander kombiniert werden.
Es zeigen
Figur 1 ein Schichtsystem nach dem Stand der
Technik, Figur 2, 6, 7, 8, 9 erfindungsgemäß ausgebildete
SchichtSysteme, Figur 3 eine perspektivische Draufsicht auf ein erfindungsgemäß ausgestaltetes SchichtSystem, Figur 4 Verfahrensschritte zur Herstellung eines Schichtsystems, Figur 5 Verfahrensschritte zur Herstellung eines Schichtsystems, Figur 10 bis 12 Verfahrensschritte zur Herstellung eines Schichtsystems,
Figur 13, 14, 15 Verfahrensschritte zur Herstellung eines Schichtsystems,
Figur 16, 17 Verfahrensschritte zur Herstellung eines Schichtsystems,
Figur 18 eine Gasturbine,
Figur 19 eine Brennkammer und Figur 20 eine Turbinenschaufel.
Figur 1 zeigt ein Schichtsystem 1 ' nach dem Stand der Tech¬ nik. Das Schichtsystem lf weist ein Substrat 4 auf.
Auf der Substratoberfläche 5 des Substrats 4 ist zumindest eine Schicht, hier beispielsweise eine äußere Schicht 9 mit einer äußeren Oberfläche 16 vorhanden. Dies kann eine metallische und/oder keramische äußere Schicht 9 sein. Die Anbindung der äußeren Schicht 9 an das Substrat 4 bzw. von Schichten untereinander erfolgt nach dem bisherigen Stand der Technik allein durch mechanische Verklammerung (Oberflä¬ chenrauhigkeit) an die zugrunde Oberfläche und/oder anschlie- ßende Diffusionswärmebehandlung.
Figur 2 zeigt ausgehend von Figur 1 ein erfindungsgemäßes Schichtsystem 1.
Das Substrat 4 kann metallisch oder keramisch sein und be¬ steht im Falle von Gasturbinenbauteilen insbesondere aus einer eisen-, nickel- oder kobaltbasierten Superlegierung.
Für Turbinenschaufeln 120, 130 (Fig. 18, 20) wird beispiels¬ weise auf das Substrat 4 eine Zwischenschicht 7 (Fig. 6, 7, 8), beispielsweise eine metallische Korrosionsschutzschicht 7 des Typs MCrAlX aufgebracht, worauf dann zusätzlich noch eine äußere Schicht 9, beispielsweise eine keramische Wärmedämm- schicht 9 (Fig. 6, 7, 8) aufgebracht wird.
In der Zwischenschicht 7 (Fig. 6, 7) und/oder der äußeren Schicht 9 (Fig. 2, 4, 5, 6, 8) ist zumindest ein inneres Verankerungsmittel 13 und/oder zumindest ein durchgehendes Verankerungsmittel 10 vorhanden.
Erfindungsgemäß erstrecken sich die durchgehenden Verankerungsmittel 10 oder inneren Verankerungsmittel 13 mit einem bestimmten Anteil 14 ihres Gesamtvolumens in das Substrat 4 (Fig. 2, 4, 5, 6, 7) oder in die Zwischenschicht 7 (Fig. 6, 8) hinein.
Der Anteil 14, also eine Erstreckung des durchgehenden Verankerungsmittels 10 oder des inneren Verankerungsmittels 13 in das Substrat 4 (Fig. 2, 4, 5, 6, 7) oder in die Zwischenschicht 7 (Fig. 6, 8) stellt bezogen auf das Gesamtvolumen des durchgehenden Verankerungsmittels 10 oder auf das Gesamtvolumen des inneren Verankerungsmittels 13 den geringeren Volumenanteil dar, sodass das durchgehende Verankerungsmittel 10 oder das innere Verankerungsmittel 13 sich mit dem größeren Volumenanteil des durchgehenden Verankerungsmittels 10 oder des inneren Verankerungsmittels 13 in dem weiter außen (Richtung Oberfläche 16) liegenden Bereich, also in der Zwischenschicht 7 (Fig. 6, 7) oder der äußeren Schicht 9 (Fig. 2, 4, 5, 6, 8) befindet.
Der Volumenanteil des Anteils 14 beträgt maximal 30vol%, d.h. der Anteil des Volumens des Verankerungsmittels 10, 13 in der Schicht 7, 9 bezogen auf sein Gesamtvolumen beträgt mindestens 70vol% und ist kleiner 100vol%.
Vorzugsweise liegt der Volumenanteil des Anteils 14 zwischen 20 und 30vol%, zwischen 10 und 20vol% oder zwischen 10 und 30vol%.
Vorzugsweise kann der Volumenanteil des Anteils 14 auch maximal 20 oder maximal 10vol% betragen, aber nie 0vol%.
Anstatt den Anteil 14 durch eine Volumenangabe zu bestimmen kann auch ein Längenanteil angegeben werden. Wenn die Verankerungsmittel 10, 13 sich entlang einer Richtung 11 ausgehend von dem Substrat 4 oder einer Zwischenschicht 7 erstrecken (Richtung 11 beispielsweise senkrecht auf einer Oberfläche 5, 8, 16) , so gibt es eine Länge lio entlang der Richtung 11, die die Gesamtlänge des Verankerungsmittels 10 darstellt. Eine Länge Ii4,io stellt die Ausdehnung des Anteils 14 des durchgehenden Verankerungsmittels 10 in der Richtung 11 dar.
Entsprechendes gilt für das Verankerungsmittel 13, bei dem die Länge I13 die Gesamtlänge des Verankerungsmittels 13 darstellt und die Länge Ii4,i3 die Ausdehnung des Anteils 14 in der Richtung 11 des inneren Verankerungsmittels 13. Ebenso gibt es eine Länge ls, die die Schichtdicke der Schicht 7, 9 darstellt.
Ebenso wie für die Volumenanteile ergeben sich für die Verhältnisse lioio /lio bzw. I1013 /I13 von null verschiedene Werte bis maximal 30%. Vorzugsweise können die Werte zwischen 20% und 30%, zwischen 10% und 20% oder zwischen 10% und 30% liegen. Vorzugsweise werden auch Werte von 20% oder 10% verwendet.
Die Materialklasse der durchgehenden Verankerungsmittel 10 oder der inneren Verankerungsmittel 13 entspricht der Materialklasse der Zwischenschicht 7 oder der äußeren Schicht 9, in der es zum größten Teil angeordnet ist. Unter einer Materialklasse werden entweder Metalle oder Kera¬ miken verstanden.
Wenn sich also das durchgehende Verankerungsmittel 10 oder innere Verankerungsmittel 13 größtenteils in einer metallischen Zwischenschicht 7 befindet (Fig. 6, 7), so ist das Material der durchgehenden Verankerungsmittel 10 oder der inneren Verankerungsmittel 13 ebenfalls metallisch. Insbesondere entspricht das Material der durchgehenden Verankerungsmittel 10 oder der inneren Verankerungsmittel 13 dem Material der Zwischenschicht 7, wobei geringfügige Änderungen auftreten können.
Beispielsweise besteht das Material der Zwischenschicht 7 aus einer Legierung des Typs MCrAlX. Das Material der durchgehenden Verankerungsmittel 10 oder der inneren Verankerungsmittel 13 besteht dann beispielsweise ebenfalls aus einer Legierung des Typs MCrAlX, wobei die chemische
Zusammensetzung gegenüber dem Material der Zwischenschicht 7 in der Art und Weise beispielsweise verändert ist, so dass sich die durchgehenden Verankerungsmittel 10 oder die inneren Verankerungsmittel 13 besser in der Zwischenschicht 7 erzeugen lassen oder bessere mechanische Eigenschaften auf¬ weisen. Ebenso kann das Material der Zwischenschicht 7 keramisch sein, wobei dann die durchgehenden Verankerungsmittel 10 oder die inneren Verankerungsmittel 13 ebenfalls aus einer Keramik, insbesondere derselben Keramik bestehen.
Wenn das durchgehende Verankerungsmittel 10 oder das innere Verankerungsmittel 13 größtenteils in der äußeren Schicht 9 (Fig. 2, 4, 5, 8), insbesondere einer keramischen Schicht angeordnet ist, so ist das Material der durchgehenden Verankerungsmittel 10 oder der inneren Verankerungsmittel 13 ebenfalls keramisch und entspricht insbesondere dem Material der äußeren Schicht 9.
Ebenso kann das Material der äußeren Schicht 9 und der durchgehenden Verankerungsmittel 10 oder der inneren Verankerungsmittel 13 metallisch (MCrAlX) sein.
Die durchgehenden Verankerungsmittel 10 oder der inneren Verankerungsmittel 13 weisen insbesondere eine andere Art der Anbindung auf, insbesondere mit einer erhöhten Anbin- dungskraft (genauer: Kraft/pro Kontaktfläche) an das Substrat 4 oder an die Zwischenschicht 7 gegenüber der Art der Anbin¬ dung der Zwischenschicht 7 an das Substrat 4 bzw. der äußeren Schicht 9 an die Zwischenschicht 7.
Die durchgehenden Verankerungsmittel 10 oder die inneren Verankerungsmittel 13 werden beispielsweise durch einen geeignet geführten Laserschweißprozess schmelzmetallurgisch an das Substrat 4 oder die Zwischenschicht 7 angebunden. Ebenso ist es vorstellbar, dass die Zwischenschicht 7 und/oder äußere Schicht 9 an bestimmten Stellen durch Laser- cladding (Laserpulverbeschichten) aufgebracht wird und so durchgehende Verankerungsmittel 10 oder innere Verankerungsmittel 13 bilden. Die durchgehenden Verankerungsmittel 10 oder die inneren Verankerungsmittel 13 können auch angegossen werden oder beim Giessen des Substrats 4 mit hergestellt werden. Die durchgehenden Verankerungsmittel 10 oder die inneren Verankerungsmittel 13 stellen Haftungsbrücken für die die durchgehenden Verankerungsmittel 10 oder die inneren Verankerungsmittel 13 umgebende Zwischenschicht 7 oder äußere Schicht 9 dar.
Die durchgehenden Verankerungsmittel 10 gehen vom Substrat 4 oder der Zwischenschicht 7 aus und erstrecken sich insbeson¬ dere nur bis zur Innenfläche 8 der Zwischenschicht 7 oder der äußeren Oberfläche 16 der äußeren Schicht 9. Die inneren Ver- ankerungsmittel 13 werden durch die Zwischenschicht 7 oder die äußere Schicht 9 abgedeckt, so dass die inneren Veranke¬ rungsmittel 13 sich nicht bis zur Innenfläche 8 der Zwischen¬ schicht 7 oder der äußeren Oberfläche 16 der äußeren Schicht 9 erstrecken, also innerhalb der Zwischenschicht 7 oder der äußeren Schicht 9 endend, angeordnet sind. Dabei erstrecken sie 13 sich bis zumindest zu 10%, 20%, 30%, 40% oder mehr der Dicke der Zwischenschicht 7 oder der äußeren Schicht 9 in die Zwischenschicht 7 oder in die äußeren Schicht 9.
Die durchgehenden Verankerungsmittel 10 oder die inneren Verankerungsmittel 13 sind beispielsweise nur lokal, also örtlich begrenzt (Fig. 3) auf dem Substrat 4 oder der Zwischenschicht 7 vorhanden, nämlich dort, wo die mechanische Belastung am größten ist. Dies ist beispielsweise der Bereich der Anströmkante 409 (Fig. 20) einer Turbinenschaufel 120, 130. Das restliche Schaufelblatt 406 würde dann keine durchgehenden Verankerungsmittel 10 oder inneren Verankerungsmittel 13 auf¬ weisen.
Figur 3 zeigt eine Draufsicht auf eine Innenfläche 8 einer Zwischenschicht 7 oder auf eine äußere Oberfläche 16 einer äußeren Schicht 9. Gestrichelt angedeutet sind die inneren Verankerungsmittel
13, die sich nicht bis zur Innenfläche 8 der Zwischenschicht 7 erstrecken. Die durchgehenden Verankerungsmittel 10 oder die inneren Verankerungsmittel 13 können auf der Substratoberfläche 5 verschiedene Geometrien wie Kreise, Steppnähte (d.h. sie sind länglich und kreuzen sich) , Wellenformen, Parallelbahnen so- wie Kombinationen daraus aufweisen.
Figur 6 zeigt ein weiteres erfindungsgemäß ausgebildetes Schichtsystem 1. Das Schichtsystem 1 besteht aus einem Substrat 4 und bei¬ spielsweise zwei Schichten, einer Zwischenschicht 7 und einer äußeren Schicht 9.
Die Zwischenschicht 7 ist beispielsweise eine metallische MCrAlX-Schicht und die äußere Schicht 9 ist beispielsweise eine keramische Wärmedämmschicht 9 auf der Zwischenschicht 7.
Durchgehende Verankerungsmittel 10 oder innere Verankerungsmittel 13 sind sowohl in der Zwischenschicht 7 als auch in der äußeren Schicht 9 vorhanden.
Die Zwischenschicht 7 muss aber keine durchgehenden Verankerungsmittel 10 oder inneren Verankerungsmittel 13 im Sinne der vorliegenden Erfindung aufweisen (Fig. 8) . Ebenso können die durchgehenden Verankerungsmittel 10 oder inneren Verankerungsmittel 13 nur in der Zwischenschicht 7 vorhanden sein (Fig. 7) .
Dabei müssen einige, aber nicht unbedingt alle durchgehenden Verankerungsmittel 10 oder inneren Verankerungsmittel 13 in der Zwischenschicht 7 oder der äußeren Schicht 9 einen Anteil 14 aufweisen, der sich in das Substrat 4 oder die Zwischenschicht 7 erstreckt.
Die durchgehenden Verankerungsmittel 10 in der Zwischenschicht 7 und/oder in der äußeren Schicht 9 können sich ausgehend von der Substratoberfläche 5 des Substrats 4 bzw. der Innenfläche 8 der Zwischenschicht 7 bis zu der Innenfläche 8 der Zwischenschicht 7 bzw. der äußeren Oberfläche 16 der äußeren Schicht 9 erstrecken, aber nicht darüber hinaus. Die inneren Verankerungsmittel 13 werden durch die Zwischenschicht 7 oder die äußere Schicht 9 abgedeckt, so dass die inneren Verankerungsmittel 13 sich nicht bis zur Innenfläche 8 der Zwischenschichten oder der äußeren Oberfläche 16 der äußeren Schicht 9 erstrecken.
Die durchgehenden Verankerungsmittel 10 oder inneren Verankerungsmittel 13 in der Zwischenschicht 7 verbessern die Anbindung der Zwischenschicht 7 an das Substrat 4.
Die durchgehenden Verankerungsmittel 10 oder inneren Verankerungsmittel 13 sind insbesondere in thermisch und/oder mechanisch hoch belasteten Bereichen vorhanden.
Dies ist bei Turbinenschaufeln beispielsweise die Anström¬ kante 409, die Abströmkante 422 (Fig. 20) oder der Übergang zwischen Schaufelblatt 406 und Plattform 403.
Das Schichtsystem 1 ist beispielsweise ein Bauteil einer Gas- 100 (Fig. 18) (auch Flugzeugturbine) oder Dampfturbine. Ther¬ misch hoch belastete Bauteile der Turbinen weisen ein solches Schichtsystem auf, wie z.B. Turbinenschaufeln 120, 130, Hit¬ zeschildelemente 155 einer Brennkammer 110 sowie weitere Ge- häuseteile, die entlang des Strömungsweges eines heißen Damp¬ fes oder Heißgases sich befinden.
Das Schichtsystem 1 kann auf ein neu hergestelltes Bauteil aufgebracht werden sowie auf Bauteile, die nach dem Einsatz wieder aufgearbeitet werden (Refurbishment) . Dabei werden die Bauteile 1 zuvor von degradierten Schichten befreit, Risse gegebenenfalls repariert und es erfolgt eine erneute Beschichtung des Substrats 4.
Die Figur 7 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines er¬ findungsgemäßen Schichtsystems 1. In diesem SchichtSystem 1 sind die durchgehenden Verankerungsmittel 10 oder inneren Verankerungsmittel 13 nur in der Zwischenschicht 7 vorhanden. Auf der Zwischenschicht 7 ist die äußere Schicht 9 vorhanden. Eine Kontaktfläche der durchgehenden Verankerungsmittel 10 an der Innenfläche 8 verbessert die Haftung der äußeren Schicht 9 gegenüber einer vergleichbaren Kontaktfläche mit der Zwischenschicht 7. Dies wird beispielsweise dadurch erreicht, dass die Kontaktflächen der durchgehenden Verankerungsmittel 10 an der Innenfläche 8 Keimpunkte bilden für ein beispielsweise epitaktisches
Aufwachsen einer äußeren Schicht 9 auf der Zwischenschicht 7. Auch ohne Zwischenschicht 7 (Fig. 4, 5, rechts) wird ein ver¬ bessertes Schichtsystem 1 dadurch erreicht, dass die durchgehenden Verankerungsmittel 10 oder inneren Verankerungsmittel 13 zu einer verbesserten Anbindung der äußeren Schicht 9 an das Substrat 4 führen.
Dabei erstrecken sich einige, aber nicht unbedingt alle durchgehenden Verankerungsmittel 10 oder inneren Verankerungsmittel 13 in das Substrat 4 mit einem Anteil 14 hinein.
Figur 8 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfin- dungsgemäßen Schichtsystems 1 mit Zwischenschicht 7 und äuße¬ rer Schicht 9.
In diesem Ausführungsbeispiel sind die durchgehenden Verankerungsmittel 10 oder inneren Verankerungsmittel 13 nur in der äußeren Schicht 9 vorhanden.
Dabei erstrecken sich einige, aber nicht unbedingt alle durchgehenden Verankerungsmittel 10 oder inneren Verankerungsmittel 13 in die Zwischenschicht 7 hinein.
Figur 4 zeigt beispielhaft Verfahrensschritte eines Verfah¬ rens zur Herstellung eines Schichtsystems 1. In einem ersten Schritt wird auf das Substrat 4 (nicht dargestellt) in bekannter Art und Weise die eine äußere Schicht 9 aufgebracht.
Die äußere Schicht 9 wird bspw. mit einem Laser 17 oder einer Elektronenstrahlkanone 17 behandelt, die einen entsprechenden Laser- oder Elektronenstrahl 19 aussendet. Durch diese Art der Behandlung wird das Material der äußeren Schicht 9 bis hin zur Substratoberfläche 5 des Substrats 4 oder darüber hinaus mit einem Anteil 14 in das Substrat 4 hinein lokal umgewandelt, beispielsweise aufgeschmolzen, so dass sich eine schmelzmetallurgische Anbindung von Material aus der äußeren Schicht 9 in das Substrat 4 ergibt. Mit diesem Verfahren werden durchgehende Verankerungsmittel 10 erzeugt, die sich von der Substratoberfläche 5 bis hin zur Oberfläche 16 der äußeren Schicht 9 erstrecken.
Die durchgehenden Verankerungsmittel 10 sind beispielsweise säulenartig ausgebildet und können auch konkav oder konvex gekrümmt ausgeführt sein (Fig. 7) .
Die Ausführungen gelten analog für eine Zwischenschicht 7, auf die noch eine äußere Schicht 9 aufgebracht wird.
Figur 5 zeigt ein weiteres Herstellungsverfahren. In einem ersten Schritt wird auf das Substrat 4 zuerst das zumindest eine durchgehende Verankerungsmittel 10 oder innere Verankerungsmittel 13 aufgebracht, also gesondert erzeugt. Dies kann auf verschiedene Art und Weise, wie etwa durch einen geeignet geführten Laserschweißprozess oder Lasercladding erfolgen.
Die durchgehenden Verankerungsmittel 10 oder inneren Verankerungsmittel 13 weisen insbesondere eine sehr starke, insbesondere schmelzmetallurgische Anbindung an das Substrat 4 auf. Die durchgehenden Verankerungsmittel 10 oder inneren Verankerungsmittel 13 können aber auch bereits bei der Herstellung des Substrats 4 erzeugt worden sein, bei¬ spielsweise durch einen Gießprozess. In einem nachfolgenden Prozess wird die äußere Schicht 9 auf¬ gebracht, wobei die durchgehenden Verankerungsmittel 10 oder inneren Verankerungsmittel 13 von dem Material der äußeren Schicht 9 umschlossen werden und Haftungsbrücken für die äußere Schicht 9 darstellen.
Die Ausführungen gelten analog für eine Zwischenschicht 7, auf die noch eine äußere Schicht 9 aufgebracht wird.
Figur 9a zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfin¬ dungsgemäßen Bauteils 1 (Querschnitt durch Verankerungsmittel 10, 13) .
Das durchgehende Verankerungsmittel 10 weist an der äußeren Oberfläche 16 eine größere Querschnittsfläche auf als an der unten liegenden Substratoberfläche 5 (Fig. 9b, Draufsicht auf Fig. 9a) .
Die Form des durchgehenden Verankerungsmittels 10 im Querschnitt ist hier beispielsweise glockenförmig ausgebildet. Die Querschnittskontur kann auch andere Formen aufweisen, wie z. B. einen parabelförmigen Verlauf, wobei die Parabel nach oben 8, 16 (Fig. 9b) oder nach unten 9, 8 offen sein kann.
Der Querschnitt des durchgehenden Verankerungsmittels 10 ist hier beispielsweise rund ausgebildet. Gestrichelt angedeutet ist die Querschnittsfläche des durchgehenden Verankerungsmittels 10 an der Substratoberfläche 5 oder im Substrat 4.
Das durchgehende Verankerungsmittel 10 kann sich hier ebenfalls bis in das Substrat 4 hinein erstrecken (nicht dargestellt) . Die Ausführungen gelten analog für ein inneres Verankerungsmittel 13
Die Figuren 10 bis 12 zeigen ein weiteres Verfahren zur Her¬ stellung des Schichtsystems 1.
Die äußere Schicht 9 und die durchgehenden Verankerungsmittel 10 oder inneren Verankerungsmittel 13 werden beispielsweise schichtweise hergestellt, d.h. zuerst wird die äußere Schicht 9 in Teilschichten erzeugt und danach oder gleichzeitig die Verankerungsmittel 10, 13.
Keinesfalls werden zuerst die Verankerungsmittel zumindest größtenteils oder ganz erzeugt (Fig. 5) und dann die äußere Schicht 9 oder umgekehrt (Fig. 4) .
So wird ausgehend von dem Substrat 4, das noch keine äußere Schicht 9 aufweist, schichtweise Material für die äußere Schicht 9 aufgetragen und ebenso schichtweise werden die durchgehenden Verankerungsmittel 10 oder inneren Verankerungsmittel 13 erzeugt.
Je nachdem, ob durchgehende Verankerungsmittel 10 oder innere Verankerungsmittel 13 erzeugt werden sollen, wird an den Stellen, wo ein durchgehendes Verankerungsmittel 10 oder inneres Verankerungsmittel 13 ausgebildet sein soll, die Stelle beispielsweise mittels eines Lasers erwärmt und aufgeschmolzen, d.h. die Temperatur wird temporär und lokal erhöht.
Soll ein inneres Verankerungsmittel 13 erzeugt werden (Fig. 11) , das sich nicht bis zur Oberfläche 16 der äußeren Schicht 9 erstrecken soll, so wird ab einer bestimmten Höhe die äußere Schicht 9 nicht mehr lokal aufgeschmolzen (Figur 12) .
Die Ausführungen gelten analog für eine Zwischenschicht 7, auf die noch eine äußere Schicht 9 aufgebracht wird. Die Figuren 13 bis 15 zeigen ein weiteres Herstellungsverfah¬ ren.
Hier ist auf dem Substrat 4 schon eine äußere Schicht 9 (bei¬ spielsweise MCrAlX) vorhanden. Dies ist insbesondere der Fall, wenn es sich um ein zu reparierendes Bauteil 1 handelt, das beispielsweise im Einsatz war und insbesondere eine lo¬ kale Beschädigung in Form einer Vertiefung 34 aufweist.
Diese Vertiefung 34 ist beispielsweise geschwächt oder war im Einsatz erhöhten Anforderungen ausgesetzt und wird in einem ersten Schritt beispielsweise mittels eines Lasers 17 (oder Elektronenstrahlkanone) und seiner Laserstrahlen 19 behandelt (Figur 13) , so dass sich durchgehende Verankerungsmittel 10 oder innere Verankerungsmittel 13 bilden (Figur 14) .
In einem weiteren Verfahrensschritt wird die Vertiefung 34 mit Schichtmaterial 25 beispielsweise aus einem Materialförderer 22 aufgefüllt (beispielsweise durch
Laserauftragsschweißen) , wobei entweder nur Schichtmaterial 25 aufgefüllt wird, ohne dass das innere Verankerungsmittel 13 gemäß Figur 14 weiter ausgebildet wird, so dass ein inneres Verankerungsmittel 13 entsteht, das sich nicht bis zur äußeren Oberfläche 16 erstreckt oder beispielsweise der Laser 17 für das Laserauftragsschweißen wird beispielsweise ebenfalls benutzt, um das durchgehende Verankerungsmittel 10 gemäß Figur 14 bis zur äußeren Oberfläche 16 wachsen zu lassen.
Das durchgehende Verankerungsmittel 10 oder innere Verankerungsmittel 13 kann sich, muss aber nicht ebenfalls mit einem Anteil 14 (gestrichelt angedeutet) in das Substrat 4 erstrecken bzw. eine Form gemäß Figur 9, 5 aufweisen. Das Schichtmaterial 25 kann ein Material der äußeren Schicht 9 oder des Substrats 4 sein, aber auch eine andere Zusammensetzung aufweisen.
Ebenso kann in der Vertiefung 34 lokal keine äußere Schicht 9 vorhanden sein und es wird Schichtmaterial 25 beispielsweise der äußeren Schicht 9 aufgetragen und durchgehende Verankerungsmittel 10 oder innere Verankerungsmittel 13 werden erzeugt.
Die Ausführungen zu den Figuren 13 bis 15 gelten analog für die Zwischenschicht 7, auf die noch eine äußere Schicht 9 aufgebracht wird.
Figur 16, 17 zeigen weitere Ausführungsbeispiele eines Ver¬ fahrens zur Herstellung eines Schichtsystems 1.
Zur Herstellung der äußeren Schicht 9 wird beispielsweise ein Plasmabrenner 31 (Figur 16) verwendet.
Mittels eines Lasers 17 und seiner Laserstrahlen 19 wird da¬ bei beispielsweise gleichzeitig, beispielsweise durch Auf¬ schmelzen ein durchgehendes Verankerungsmittel 10 oder inneres Verankerungsmittel 13 erzeugt, in dem zumindest zeitweise an den für die durchgehenden Verankerungsmittel 10 oder inneren Verankerungsmittel 13 vorgegebenen Stellen das Schichtmaterial 25 mittels des Lasers 17 behandelt, also beispielsweise aufgeschmolzen wird.
Ebenso können zwei Laser 17, 17' (Fig. 17) verwendet werden, wobei ein Laser 17' für das Auftragsverfahren verwendet wird, beispielsweise Laserauftragsschweißen unter Zuhilfenahme eines Materialförderers 22 (Pulverförderer) , der das Schichtmaterial 25 liefert, und ein Laser 17, der wie in Figur 16 die Durchgehende Verankerungsmittel 10 oder innere Verankerungsmittel 13 erzeugt. In den Figuren 13, 14, 15, sowie 16, 17 können die Zwischen¬ schicht 7 und/oder die äußere Schicht 9 und die durchgehenden Verankerungsmittel 10 oder inneren Verankerungsmittel 13 schichtweise erzeugt werden.
Anstelle der Laser 17, 17' oder Plasmabrenner 31 können auch Elektronenstrahlkanonen verwendet werden. Die Verwendung von Lasern, Plasmabrennern ist nicht beschränkt auf die Ausfüh- rungsformen auf Verankerungsmittel 10, 13, die sich mit einem Anteil 14 in das Substrat 4 oder die Zwischenschicht 7 erstrecken bzw. auf eine spezielle Querschnittsform wie in Fig. 9.
Die Ausführungen gelten analog für eine Zwischenschicht 7, auf die noch eine äußere Schicht 9 aufgebracht wird.
Die Figur 18 zeigt eine Gasturbine 100 in einem Längsteil- schnitt.
Die Gasturbine 100 weist im Inneren einen um eine Rotations¬ achse 102 drehgelagerten Rotor 103 auf, der auch als Turbi¬ nenläufer bezeichnet wird. Entlang des Rotors 103 folgen auf¬ einander ein Ansauggehäuse 104, ein Verdichter 105, eine bei- spielsweise torusartige Brennkammer 110, insbesondere Ring¬ brennkammer 106, mit mehreren koaxial angeordneten Brennern
107, eine Turbine 108 und das Abgasgehäuse 109. Die Ring¬ brennkammer 106 kommuniziert mit einem beispielsweise ring¬ förmigen Heißgaskanal 111. Dort bilden beispielsweise vier hintereinander geschaltete Turbinenstufen 112 die Turbine
108. Jede Turbinenstufe 112 ist aus zwei Schaufelringen ge¬ bildet. In Strömungsrichtung eines Arbeitsmediums 113 gesehen folgt im Heißgaskanal 111 einer Leitschaufelreihe 115 eine aus Laufschaufeln 120 gebildete Reihe 125.
Die Leitschaufeln 130 sind dabei am Stator 143 befestigt, wo¬ hingegen die Laufschaufeln 120 einer Reihe 125 mittels einer Turbinenscheibe 133 am Rotor 103 angebracht sind. An dem Rotor 103 angekoppelt ist ein Generator oder eine Arbeitsma¬ schine (nicht dargestellt) .
Während des Betriebes der Gasturbine 100 wird vom Verdichter 105 durch das Ansauggehäuse 104 Luft 135 angesaugt und ver¬ dichtet. Die am turbinenseitigen Ende des Verdichters 105 be¬ reitgestellte verdichtete Luft wird zu den Brennern 107 ge¬ führt und dort mit einem Brennmittel vermischt. Das Gemisch wird dann unter Bildung des Arbeitsmediums 113 in der Brenn¬ kammer 110 verbrannt. Von dort aus strömt das Arbeitsmedium 113 entlang des Heißgaskanals 111 vorbei an den Leitschaufeln 130 und den Laufschaufeln 120. An den Laufschaufeln 120 ent¬ spannt sich das Arbeitsmedium 113 impulsübertragend, so dass die Laufschaufeln 120 den Rotor 103 antreiben und dieser die an ihn angekoppelte Arbeitsmaschine.
Die dem heißen Arbeitsmedium 113 ausgesetzten Bauteile unter¬ liegen während des Betriebes der Gasturbine 100 thermischen Belastungen. Die Leitschaufeln 130 und Laufschaufeln 120 der in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums 113 gesehen ersten Turbinenstufe 112 werden neben den die Ringbrennkammer 106 auskleidenden Hitzeschildsteinen am meisten thermisch be¬ lastet. Um den dort herrschenden Temperaturen standzuhalten, werden diese mittels eines Kühlmittels gekühlt. Ebenso können die Schaufeln 120, 130 Beschichtungen gegen Korrosion (MCrAlX; M = Fe, Co, Ni, X=Y, Seltenen Erden) und Wärme (Wär¬ medämmschicht, beispielsweise ZrC>2, Y2Ü4-Zrθ2) aufweisen.
Die Leitschaufel 130 weist einen dem Innengehäuse 138 der Turbine 108 zugewandten Leitschaufelfuß (hier nicht darge¬ stellt) und einen dem Leitschaufelfuß gegenüberliegendem Leitschaufelkopf auf. Der Leitschaufelkopf ist dem Rotor 103 zugewandt und an einem Befestigungsring 140 des Stators 143 festgelegt. Die Figur 19 zeigt eine Brennkammer 110 einer Gasturbine 100. Die Brennkammer 110 ist beispielsweise als so genannte Ring¬ brennkammer ausgestaltet, bei der eine Vielzahl von in Um- fangsrichtung um die Turbinenwelle 103 herum angeordneten Brennern 107 in einen gemeinsamen Brennkammerraum münden.
Dazu ist die Brennkammer 110 in ihrer Gesamtheit als ringför¬ mige Struktur ausgestaltet, die um die Turbinenwelle 103 herum positioniert ist.
Zur Erzielung eines vergleichsweise hohen Wirkungsgrades ist die Brennkammer 110 für eine vergleichsweise hohe Temperatur des Arbeitsmediums M von etwa 1000°C bis 1600°C ausgelegt. Um auch bei diesen, für die Materialien ungünstigen Betriebspa¬ rametern eine vergleichsweise lange Betriebsdauer zu ermög- liehen, ist die Brennkammerwand 153 auf ihrer dem Arbeitsme¬ dium M zugewandten Seite mit einer aus Hitzeschildelementen 155 gebildeten Innenauskleidung versehen. Jedes Hitzeschild¬ element 155 ist arbeitsmediumsseitig mit einer besonders hit¬ zebeständigen Schutzschicht ausgestattet oder aus hochtempe- raturbeständigem Material gefertigt. Aufgrund der hohen Tem¬ peraturen im Inneren der Brennkammer 110 ist zudem für die Hitzeschildelemente 155 bzw. für deren Halteelemente ein Kühlsystem vorgesehen.
Figur 20 zeigt in perspektivischer Ansicht eine Laufschaufel 120 oder Leitschaufel 130 einer Strömungsmaschine, die sich entlang einer Längsachse 121 erstreckt.
Die Strömungsmaschine kann eine Gasturbine eines Flugzeugs oder eines Kraftwerks zur Elektrizitätserzeugung, eine Dampf¬ turbine oder ein Kompressor sein.
Die Schaufel 120, 130 weist entlang der Längsachse 121 auf- einander folgend einen Befestigungsbereich 400, eine daran angrenzende Schaufelplattform 403 sowie ein Schaufelblatt 406 auf. Als Leitschaufel 130 kann die Schaufel 130 an ihrer Schaufel¬ spitze 415 eine weitere Plattform aufweisen (nicht darge¬ stellt) .
Im Befestigungsbereich 400 ist ein Schaufelfuß 183 gebildet, der zur Befestigung der Laufschaufeln 120, 130 an einer Welle oder einer Scheibe dient (nicht dargestellt) . Der Schaufelfuß 183 ist beispielsweise als Hammerkopf ausge¬ staltet. Andere Ausgestaltungen als Tannenbaum- oder Schwal- benschwanzfuß sind möglich.
Die Schaufel 120, 130 weist für ein Medium, das an dem Schau¬ felblatt 406 vorbeiströmt, eine Anströmkante 409 und eine Ab¬ strömkante 412 auf.
Bei herkömmlichen Schaufeln 120, 130 werden in allen Berei¬ chen 400, 403, 406 der Schaufel 120, 130 beispielsweise mas¬ sive metallische Werkstoffe, insbesondere Superlegierungen verwendet. Solche Superlegierungen sind beispielsweise aus der EP 1 204 776 Bl, EP 1 306 454, EP 1 319 729 Al, WO 99/67435 oder WO
00/44949 bekannt; diese Schriften sind Teil der Offenbarung. Die Schaufel 120, 130 kann hierbei durch ein Gussverfahren, auch mittels gerichteter Erstarrung, durch ein Schmiedever¬ fahren, durch ein Fräsverfahren oder Kombinationen daraus ge- fertigt sein.
Werkstücke mit einkristalliner Struktur oder Strukturen wer¬ den als Bauteile für Maschinen eingesetzt, die im Betrieb hohen mechanischen, thermischen und/oder chemischen Belastun- gen ausgesetzt sind.
Die Fertigung von derartigen einkristallinen Werkstücken er¬ folgt z.B. durch gerichtetes Erstarren aus der Schmelze. Es handelt sich dabei um Gießverfahren, bei denen die flüssige metallische Legierung zur einkristallinen Struktur, d.h. zum einkristallinen Werkstück, oder gerichtet erstarrt.
Dabei werden dendritische Kristalle entlang dem Wärmefluss ausgerichtet und bilden entweder eine stängelkristalline Kornstruktur (kolumnar, d.h. Körner, die über die ganze Länge des Werkstückes verlaufen und hier, dem allgemeinen Sprach¬ gebrauch nach, als gerichtet erstarrt bezeichnet werden) oder eine einkristalline Struktur, d.h. das ganze Werkstück be- steht aus einem einzigen Kristall. In diesen Verfahren muss man den Übergang zur globulitischen (polykristallinen) Er¬ starrung meiden, da sich durch ungerichtetes Wachstum notwen¬ digerweise transversale und longitudinale Korngrenzen ausbil¬ den, welche die guten Eigenschaften des gerichtet erstarrten oder einkristallinen Bauteiles zunichte machen.
Ist allgemein von gerichtet erstarrten Gefügen die Rede, so sind damit sowohl Einkristalle gemeint, die keine Korngrenzen oder höchstens Kleinwinkelkorngrenzen aufweisen, als auch Stängelkristallstrukturen, die wohl in longitudinaler Rich- tung verlaufende Korngrenzen, aber keine transversalen Korn¬ grenzen aufweisen. Bei diesen zweitgenannten kristallinen Strukturen spricht man auch von gerichtet erstarrten Gefügen (directionally solidified structures) . Solche Verfahren sind aus der US-PS 6,024,792 und der EP 0 892 090 Al bekannt; diese Schriften sind Teil der Offenba¬ rung.
Ebenso können die Schaufeln 120, 130 Beschichtungen gegen Korrosion oder Oxidation (MCrAlX; M ist zumindest ein Element der Gruppe Eisen (Fe) , Kobalt (Co) , Nickel (Ni) , X ist ein Aktivelement und steht für Yttrium (Y) und/oder Silizium und/oder zumindest ein Element der Seltenen Erden, bzw. Haf¬ nium (Hf) ) . Solche Legierungen sind bekannt aus der EP 0 486 489 Bl, EP 0 786 017 Bl, EP 0 412 397 Bl oder EP 1 306 454 Al, die Teil dieser Offenbarung sein sollen.
Auf der MCrAlX kann noch eine Wärmedämmschicht vorhanden sein und besteht beispielsweise aus ZrÜ2, Y2Ü4-Zrθ2, d.h. sie ist nicht, teilweise oder vollständig stabilisiert durch Yttrium- oxid und/oder Kalziumoxid und/oder Magnesiumoxid. Durch geeignete Beschichtungsverfahren wie z.B. Elektronen- strahlverdampfen (EB-PVD) werden stängelförmige Körner in der Wärmedämmschicht erzeugt.
Wiederaufarbeitung (Refurbishment) bedeutet, dass Bauteile 120, 130 nach ihrem Einsatz gegebenenfalls von Schutzschich¬ ten befreit werden müssen (z.B. durch Sandstrahlen) . Danach erfolgt eine Entfernung der Korrosions- und/oder Oxidations- schichten bzw. -produkte. Gegebenenfalls werden auch noch Risse im Bauteil 120, 130 repariert. Danach erfolgt eine Wie- derbeschichtung des Bauteils 120, 130 und ein erneuter Ein¬ satz des Bauteils 120, 130.
Die Schaufel 120, 130 kann hohl oder massiv ausgeführt sein. Wenn die Schaufel 120, 130 gekühlt werden soll, ist sie hohl und weist ggf. noch Filmkühllöcher 418 (gestrichelt angedeu¬ tet) auf.

Claims

Patentansprüche
1. SchichtSystem (1), zumindest bestehend aus einem Substrat (4) und einer äußeren Schicht (9) auf dem Substrat (4), insbesondere mit zumindest einer Zwischenschicht (7) zwi¬ schen Substrat (4) und äußerer Schicht (9), wobei in der äußeren Schicht (9) und/oder in der zumindest einen Zwischenschicht (7)
Verankerungsmittel mit dem überwiegenden Anteil des Gesamtvolumens der Verankerungsmittel vorhanden sind,
dadurch gekennzeichnet,
dass in der äußeren Schicht (9) und/oder dass in der Zwischenschicht (7) durchgehende Verankerungsmittel (10) und/oder innere Verankerungsmittel (13) vorhanden sind, dass die durchgehenden Verankerungsmittel (10) oder inneren Verankerungsmittel (13) für die Zwischenschicht (7) in das Substrat (4) oder eine andere Zwischenschicht (7) oder dass die durchgehenden Verankerungsmittel (10) oder inneren Verankerungsmittel (13) für die äußere Schicht (9) in die Zwischenschicht (7) oder in das Substrat (4) hineinragen und dass das Material der durchgehenden Verankerungsmittel (10) oder der inneren Verankerungsmittel (13) der Materialklasse (Metall, Keramik) der Zwischenschicht (7) oder der äußeren Schicht (9) entspricht, in der (7, 9) es mit dem überwiegenden Anteil eines Gesamtvolumens angeordnet ist, wobei der Anteil in der Schicht (7, 9) mindestens 70vol% und kleiner 100vol% beträgt.
2. SchichtSystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
das SchichtSystem (1) eine Zwischenschicht (7), insbesondere bestehend aus einer Legierung des Typs MCrAlX, aufweist.
3. Schichtsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass
nur in der Zwischenschicht (7) durchgehende Verankerungsmittel (10) oder innere Verankerungsmittel (13) vorhanden sind.
4. Schichtsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass
in der Zwischenschicht (7) und in der äußeren Schicht (9) durchgehende Verankerungsmittel (10) oder innere Verankerungsmittel (13) vorhanden sind.
5. Schichtsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass
nur in der äußeren Schicht (9) durchgehende
Verankerungsmittel (10) oder innere Verankerungsmittel (13) vorhanden sind.
6. SchichtSystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
die durchgehenden Verankerungsmittel (10) oder die inneren Verankerungsmittel (13) eine andere Anbindungsart an das Substrat (4) oder an die Zwischenschicht (7) aufweisen als die äußere Schicht (9) an die Zwischenschicht (7) oder an das Substrat (4) oder als die Zwischenschicht (7) an das Substrat (4) .
7. Schichtsystem nach Anspruch 1 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass
die durchgehenden Verankerungsmittel (10) oder inneren Verankerungsmittel (13) schmelzmetallurgisch mit dem Substrat (4) und/oder der Zwischenschicht (7) verbunden sind.
8. Schichtsystem nach Anspruch 1, 2, 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass
zumindest ein, insbesondere mehrere durchgehende Verankerungsmittel (10) oder innere Verankerungsmittel (13) und die Zwischenschicht (7) metallisch sind.
9. Schichtsystem nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
die durchgehenden Verankerungsmittel (10) oder inneren Verankerungsmittel (13) lokal begrenzt auf dem Substrat (4) oder der Zwischenschicht (7) vorhanden sind.
10. SchichtSystem nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
die durchgehenden Verankerungsmittel (10) oder die inneren Verankerungsmittel (13) säulenartig ausgebildet sind.
11. Schichtsystem nach Anspruch 1, 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass
die durchgehenden Verankerungsmittel (10) sich nur bis zu einer Innenfläche (8) der Zwischenschicht (7) oder nur bis zu der äußeren Oberfläche (16) der äußeren Schicht (9) erstrecken.
12. Schichtsystem nach Anspruch 1, 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass
die inneren Verankerungsmittel (13) sich nur innerhalb der Zwischenschicht (7) oder der äußeren Schicht (9) erstre¬ cken, insbesondere über mindestens 10% der Dicke der Zwischenschicht (7) oder der äußeren Schicht (9) .
13. Schichtsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
das Schichtsystem (1) ein neu hergestelltes oder wieder¬ aufgearbeitetes Bauteil einer Gas (100)- oder Dampfturbine ist, insbesondere eine Turbinenschaufel (120, 130) , eine Hitze- schildelement (155) oder ein Gehäuseteil entlang des Strö¬ mungsweges eines Heißgases .
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