WO2007093609A1 - Bauteil mit einer nanoskalige strukturelemente aufweisenden schicht und verfahren zur herstellung dieser schicht - Google Patents

Bauteil mit einer nanoskalige strukturelemente aufweisenden schicht und verfahren zur herstellung dieser schicht Download PDF

Info

Publication number
WO2007093609A1
WO2007093609A1 PCT/EP2007/051409 EP2007051409W WO2007093609A1 WO 2007093609 A1 WO2007093609 A1 WO 2007093609A1 EP 2007051409 W EP2007051409 W EP 2007051409W WO 2007093609 A1 WO2007093609 A1 WO 2007093609A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
nanoparticles
layer
component
shape memory
component according
Prior art date
Application number
PCT/EP2007/051409
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Rene Jabado
Jens Dahl Jensen
Ursus KRÜGER
Daniel Körtvelyessy
Volkmar LÜTHEN
Ralph Reiche
Michael Rindler
Raymond Ullrich
Original Assignee
Siemens Aktiengesellschaft
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens Aktiengesellschaft filed Critical Siemens Aktiengesellschaft
Publication of WO2007093609A1 publication Critical patent/WO2007093609A1/de

Links

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • 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
    • C23C24/00—Coating starting from inorganic powder
    • C23C24/02—Coating starting from inorganic powder by application of pressure only
    • C23C24/04—Impact or kinetic deposition of particles
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y30/00—Nanotechnology for materials or surface science, e.g. nanocomposites
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • 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
    • C23C30/00—Coating with metallic material characterised only by the composition of the metallic material, i.e. not characterised by the coating process
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25D—PROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PRODUCTION OF COATINGS; ELECTROFORMING; APPARATUS THEREFOR
    • C25D5/00—Electroplating characterised by the process; Pretreatment or after-treatment of workpieces
    • C25D5/18—Electroplating using modulated, pulsed or reversing current
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25D—PROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PRODUCTION OF COATINGS; ELECTROFORMING; APPARATUS THEREFOR
    • C25D5/00—Electroplating characterised by the process; Pretreatment or after-treatment of workpieces
    • C25D5/60—Electroplating characterised by the structure or texture of the layers
    • C25D5/615—Microstructure of the layers, e.g. mixed structure
    • C25D5/617—Crystalline layers
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25D—PROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PRODUCTION OF COATINGS; ELECTROFORMING; APPARATUS THEREFOR
    • C25D7/00—Electroplating characterised by the article coated
    • C25D7/006—Nanoparticles
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/12—Blades
    • F01D5/14—Form or construction
    • F01D5/18—Hollow blades, i.e. blades with cooling or heating channels or cavities; Heating, heat-insulating or cooling means on blades
    • F01D5/187—Convection cooling
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/12—Blades
    • F01D5/28—Selecting particular materials; Particular measures relating thereto; Measures against erosion or corrosion
    • F01D5/288—Protective coatings for blades
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03G—SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS; MECHANICAL-POWER PRODUCING DEVICES OR MECHANISMS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR OR USING ENERGY SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03G7/00—Mechanical-power-producing mechanisms, not otherwise provided for or using energy sources not otherwise provided for
    • F03G7/06—Mechanical-power-producing mechanisms, not otherwise provided for or using energy sources not otherwise provided for using expansion or contraction of bodies due to heating, cooling, moistening, drying or the like
    • F03G7/065—Mechanical-power-producing mechanisms, not otherwise provided for or using energy sources not otherwise provided for using expansion or contraction of bodies due to heating, cooling, moistening, drying or the like using a shape memory element

Definitions

  • Component with a nano-scale structure elements having layer and method for producing this layer
  • the invention relates to a component with its Oberflä ⁇ che forming layer, the nano-scale structural elements ⁇ .
  • a component with a layer of the type mentioned at the outset is known, for example, from DE 101 37 460 A1 , in which nanoparticles, ie as the microstructure of the layer, have co-determining, elementary, independent structural areas, nanoparticles which are used in a so-called Nanocoating are included.
  • layer properties can be achieved, which probably increases in use the layer as a protective layer of a display so ⁇ the resistance of the layer against scratching as well as their chemical resistance.
  • nanoscale structural elements in layers they can therefore be equipped with improved layer properties.
  • the object of the invention is to provide a component with egg ner layer, the nano-scale structural elements ⁇ and the film properties can be further improved with the.
  • the structural elements from egg ⁇ ner shape memory alloy with a known transition temperature achieved in that the structural elements from egg ⁇ ner shape memory alloy with a known transition temperature.
  • the structure of the nanoscale structure elements as a shape memory alloy opens up advantageous new applications for layers on components, which are associated with such na- Noskaligen structural elements are provided. These properties are based, as will be explained in more detail below, on the phase transformation of the shape memory alloy, which leads to a change in shape of the nanoscale structure elements.
  • the structural elements are formed by nanoparticles which are embedded in the layer.
  • the nanoparticles can be prepared before ⁇ some way before being embedded in the layer by suitable method.
  • the embedding of the nanoparticles in the forming layer then takes place by introducing the prefabricated nanoparticles into the coating process.
  • coating methods known per se in particular to those which are used for embedding particles during the layering process. Growth (eg electrochemical coating or spraying).
  • the nanoparticles can advantageously protrude from the layer on the surface. This is achieved by the fact that
  • the nanoparticles have a ductile sheath having insbeson ⁇ particular of metal.
  • the ductile sheath deforms when the nanoparticle undergoes a phase change due to temperature (exceeding or dropping below the transformation temperature), this deformation remaining if it contains a plastic part.
  • a transformation of the nanoparticle can still be recognized even after a rearward conversion, which is why the nanoparticles with ductile coating are suitable as temperature indicators in the layer.
  • the nanoparticles hüllung a brittle environmental, sen in particular of a ceramic material aufwei ⁇ . If, in this embodiment of the invention, the transition temperature is exceeded (or undershot), for example, then the phase transformation of the nanoparticle causes a brittle breaking of the envelope, so that the destruction of the Envelope remains detectable even after a reverse transformation of the nanoparticle.
  • These nanoparticles are also suitable as temperature indicators.
  • Encapsulated nanoparticles with metallic or ceramic claddings can be obtained, for example, from QinetiQ Nanomaterials Ltd. under the trade name Tesimorph® Nanopowders. This company makes it possible to adapt the required nanopowder with regard to alloy composition and coating to the respective requirements.
  • the structural elements are made formed on the surface of ⁇ nanoneedles.
  • the nanopipes protrude from the surface of the component and thus form a coating on the component.
  • the Formge ⁇ dambatnis binder By free standing of the nanoneedles they may have a change in shape due to the Formge ⁇ dumbletnis bines pass through unhindered, wherein the Formände ⁇ tion of nanoneedles can be used for example for cleaning the surface.
  • encrustations or calcium deposits can be removed from the surface beneficial ⁇ way.
  • the component can, according to a particular embodiment of the invention, be provided by a turbine part, in particular a turbine part. be formed.
  • a turbine part in particular a turbine part. be formed.
  • Feln turbine components such as turbine acting ⁇ subject during operation to a high thermal stress.
  • turbine blades are designed in such a way that the thermal load utilizes the materials used for the application up to the permissible limits.
  • a thermal overload therefore quickly leads to failure of the component. It is therefore important to be able sen such a thermal overload in case of damage nachwei ⁇ to enable error analysis.
  • Suitable for this purpose are the nanoscale structural elements according to the invention, since they make it possible to detect an exceeding of the permissible operating temperatures in the manner already indicated.
  • the transformation temperature of the shape memory alloy must be set according to the requirements of the component.
  • a cooling channel is provided in the turbine component and the layer is mounted on the wall surface of the cooling channel.
  • these temperatures are in the shape memory alloys to be set by temperature ranges.
  • the invention relates to a method for producing a layer on a component by electrochemical coating ⁇ layers.
  • a method for electrochemical coating are well known and registered for example in US 2003/0075450 Al be ⁇ .
  • Electrochemical processes enable a comparatively cost-effective coating of components, wherein the coating of hard-to-reach zones of the component to be coated can be improved, for example, by using a pulsed current profile in the coating according to US 2003/0075450 A1.
  • the object of the invention is to specify a method for producing a layer by electrochemical coating, with which layers can be produced which have improved layer properties.
  • This object is according to the invention take the specified Ver ⁇ achieved in that a surface structure is produced with nanoscale protrusions on the component and the electrochemical coating is carried out in the limiting current range, wherein, starting up of the elevations nanoneedles, and wherein the alloy elements of a Formgedumblet ⁇ memory alloy deposited become.
  • a shape memory alloy can be deposited on the component if the alloying elements necessary for this purpose are in the form of ions in the electrolyte of the coating bath.
  • the alloy composition of the shape memory alloy can be influenced in a manner known per se by various measures (for example, complexation of the ions of an alloying partner, adjustment of the deposition potential, alteration of the ion concentration in the electrolyte, etc.).
  • a surface structure is present ⁇ with nanoscale elevations. These form the underground for the growing nanoparticles. Nanopipes can be generated when the electrochemical coating is carried out in the limiting current range.
  • the surface structure with the nanoscale elevations can be produced by electrochemical coating.
  • a very low separation stream is deliberately chosen, which leads to uneven layer growth and thus to the formation of nanoscale elevations on the surface of the component.
  • the generation of the nanoscale elevations by means of an electrochemical process has the advantage that the same process can be used for the production of the layer and the generation of the starting conditions.
  • the electrochemical coating is carried out in the limiting current range with a pulsed current.
  • hydrogen formation on the surface to be coated can be effectively prevented, which exceeds the limiting current range or its exceeding in the direction of higher deposition currents in conventional electrochemical processes. coating method.
  • Hydrogen formation disturbs the formation of the layer. Is a hydrogen formation is prevented by use of a pulsed Abscheidestroms, it can distinguish the current density are generated he ⁇ on the surface to be coated with the current pulses a waste, hydrogen would be formed in the permanent presence in an already.
  • a particularly advantageous variant of the method is obtained if further particles, in particular further nanoparticles, are added to the electrolyte, which are incorporated into the layer in such a way that they are stored between the nanotubes.
  • particles of suitable size are added to the electrolyte, so that the particles in the coating are applied to the coating.
  • the particles then remain in the resulting interstices, in which they are fixed by the nanotubes. By entering the shape memory effect, the particles can be freed at a later time from the spaces between the nano needles.
  • the invention also relates to a method for producing a layer on a component by cold gas spraying.
  • Cold gas spraying in contrast to thermal spraying processes, is characterized in that the particles used for coating are not heated above their melting temperature, but rather that the adhesion of the particles is produced by acceleration into the supersonic range.
  • the kinetic namely, the energy of the particles is converted, so that a local melting of the particle surface ensures adhesion to the substrate and to neighboring particles. Nevertheless, the thermal stress of the particles in cold gas spraying is much lower than in thermal spraying.
  • a further object of the invention is thus to specify a method for producing a layer on a component by cold gas spraying, with which layers can be produced which have improved properties.
  • the nanoparticles may for example, be introduced into the cold gas jet ⁇ that they are deposited on the surface of the particulate material layer. In this way, a defined composition of the layer can be achieved since all nanoparticles which are deposited on the layer material are incorporated into the layer.
  • the procedural ⁇ rensparameter of cold gas spraying can rely on optimal the layer material used must be adjusted without having to take into account that the shape memory alloy nanoparticles may have to be applied under other coating conditions.
  • the invention also relates to a method for producing a layer on a component, wherein the object to be achieved is that it is possible to produce improved layer properties during the production of the layer.
  • the nanoparticles adhere to the surface of the corresponding molded part before the component to be produced is produced by molding technology. Is selected here ⁇ high enough for example, the aforementioned cold gas spraying are used, the energy input into the cold gas jet ⁇ grade that the nanoparticles of the shape memory alloy stick to the surface of the molding. The adhesion is then so low that the incorporation of the nanoparticles into the surface of the urgeformten Bau ⁇ part leads to a stronger bond.
  • subsequent demolding of the component thus creates a surface of the Component, in which the nanoparticles are embedded as a layer. This layer does not have to form a coherent surface.
  • FIGS. 10 and 11 show an exemplary embodiment of the layer according to the invention with nanowires as side view
  • Figure 12 is a perspective view of a Oberflä ⁇ surface with a shape memory nanoneedles containing layer and Figures 13 and 14 an embodiment of the invention shown SEN method for preparing a nanoparticle-containing layer on a construction part ⁇ in schematic section.
  • a component 11 is shown schematically.
  • a layer 12 is applied, which forms the upper surface 13 of the component ⁇ .
  • nanoparticles 14 are further made of a shape memory alloy such. As nickel titanium (NiTi) introduced. These can be through the
  • Layer 12 may be either completely enclosed or protrude from the layer 12 on the surface 13 a piece.
  • a reconversion of the nanoparticles by cooling and falling below the transformation temperature has taken place.
  • kel 14 remains a plastic deformation portion of the formerly deformed contour 15b obtained, which creates a cavity 16b.
  • This cavity can be detected, for example, by making a grinding of the component by means of a destructive material test, wherein this cavity allows the conclusion that the component was thermally stressed at least once beyond the transition temperature of the nanoparticles.
  • the nanoparticle located on the surface is dissolved out of the surface 13 during its reverse transformation , since the plastic deformation component of the matrix material of the layer leaves a depression on the surface which is too large for the nanoparticle. Due to the absence of the nanoparticle (and other nanoparticles) on the surface, exceeding the transformation temperature can also be detected without destroying the component. In particular, the introduction of the nanoparticles in a process in which the component is integrated, are detected, so that even during operation of the crossing (in the presence of Na ⁇ nopiety in the low temperature phase of the layer) or Un ⁇ fallen short (in the presence of the nanoparticles in the high-temperature phase) of the transformation temperature in the component nachgewie ⁇ sen can be.
  • a single nanoparticle schematically Darge ⁇ is provides. This has to clarify the deformation due to the shape memory effect on a reality deviating from ⁇ rectangular cross-section.
  • the nanoparticle 14 is further provided with a brittle sheath 17.
  • the nanoparticle has a shape due to a phase transformation in the microstructure and the resulting distortion of the monocrystalline crystal lattice diamond-shaped cross-section assumes.
  • the brittle sheath be ⁇ occurs due to the fact that they can not cope with this deformation, cracks 18 deforms the nanoparticles 14 back, so a part of the casing 17 is blown off ( Figure 6), whereby the at least once occurrence of Pha ⁇ transformation of the nanoparticle.
  • the nanoparticle 14 according to figure 7 is provided with a ductile To ⁇ hüllung 19th Again, this nanoparticle is again shown schematically with a rectangular cross-section.
  • the ductile Umhül ⁇ lung follows the deformation of the nanoparticle, wherein a plastic and an elastic deformation amount of the deformation of the sheath is involved. If, according to FIG. 9, the nanoparticle returns to its original shape, the plasti ⁇ cal deformation portion of the envelope remains largely intact, so that a cavity 16b is formed.
  • the component 11 according to FIG. 10 is equipped with a layer 12 of nanowires 20. These can be applied, for example with ⁇ means of an electrochemical process to the component. 11 While the emergence of the layer 12 have been embedded 22 in gaps 21 between the other nanoneedles Na ⁇ nopizer, which are fixed by the nanoneedles 20th During operation of the component 11, a crust 23 has also formed from dirt or lime.
  • FIG. 11 schematically illustrates the occurrence of a shape memory effect of the nanopipes 20.
  • the microstructure distortion leads to a kind of bending of the nanopipes 20, whereby the brittle crust 23 is destroyed and blasted off.
  • the nanoparticles 22 are at least partially released, since the intermediate spaces 21 partially expand between the nanopipes 20.
  • Evidence of the occurrence of the shape memory Effect can thus be detected by the above-mentioned mechanisms.
  • FIG. 12 shows perspectively and schematically a layer consisting of electrochemically produced nanopipes 20.
  • the dimensions of the nanotubes are such that the diameter of the nanotubes is less than 1 micron.
  • nanoparticles 22 can be seen, which are embedded between the nanopipes 20.
  • FIG. 13 shows a section 24 for a turbine blade in section. This consists of two mold halves 25 and a core 26, which is provided for a cooling channel in the turbine blade to be cast. All molded parts, d. H. the mold halves 25 and the core 26 have been coated by cold gas spraying with nanoparticles 14, so that they have adhered to the walls of the moldings.
  • the mold 24 can be filled in a known manner, not shown, the casting material for the turbine blade, wherein after cooling and demolding a turbine blade 27 according to Figure 14 is formed. This is shown cut in the turbine blade profile, wherein the cooling channel 28 which was formed by the core 26 according to FIG. 13 can be seen. Furthermore, a foot 29 of the turbine blade 27 can be seen behind the plane with which this can be mounted in a turbine.
  • the nanoparticles 14, who had stuck with little adhesion to the surface of the molded parts are nowShbet into the surface 13 of the turbine blade ⁇ tet and can be used there to detect an illegal tempera ⁇ turüberschreitung.
  • a coating of the cooling channels 28 of turbine blades can also be used in thermally highly loaded gas turbine blades application, since the cooling channel 28 toward a temperature gradient sets and a possible conversion of shape memory nanoparticles in the cooling channel 28 indirectly a conclusion on a thermal overloading of the blade surface in one allows much higher temperature range.

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Nanotechnology (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Composite Materials (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Other Surface Treatments For Metallic Materials (AREA)

Abstract

Gegenstand der Erfindung ist ein Bauteil (11), auf dessen Oberfläche (13) eine Schicht (12) aufgebracht ist. In dieser Schicht sind erfindungsgemäß Nanopartikel (14) aus einer Formgedächtnislegierung vorgesehen, wobei eine Formänderung dieser Nanopartikel (14) Hohlräume (15b) zurücklässt oder an der Oberfläche (13) zu einem Absprengen der Nanopartikel (14) führt. Daher ist mittels der Formgedächtnis-Nanopartikel ein Nachweis des Überschreitens einer bestimmten Temperatur (Umwandlungstemperatur der Nanopartikel) möglich. Hierdurch wird der Schicht vorteilhaft eine neue Funktion implementiert. Alternativ können statt Nanopartikel auch beispielsweise elektrochemisch hergestellte Nanonadeln auf der Oberfläche Verwendung finden, mit der sich beispielsweise Reinigungseffekte erzielen lassen.

Description

Beschreibung
Bauteil mit einer nanoskalige Strukturelemente aufweisenden Schicht und Verfahren zur Herstellung dieser Schicht
Die Erfindung betrifft ein Bauteil mit einer dessen Oberflä¬ che bildenden Schicht, die nanoskalige Strukturelemente auf¬ weist.
Ein Bauteil mit einer Schicht der eingangs genannten Art ist beispielsweise aus der DE 101 37 460 Al bekannt, wobei als nanoskalige Strukturelemente, d. h. als die Gefügestruktur der Schicht mitbestimmende, elementare, eigenständige Gefüge¬ bereiche, Nanopartikel zur Anwendung kommen, die in einer so genannten Nanobeschichtung eingeschlossen sind. Hierdurch können Schichteigenschaften erreicht werden, die bei einer Verwendung der Schicht als Schutzschicht eines Displays so¬ wohl die Widerstandsfähigkeit der Schicht gegen Zerkratzen als auch ihre chemische Beständigkeit erhöht. Mit der Verwen- düng von nanoskaligen Strukturelementen in Schichten können diese also mit verbesserten Schichteigenschaften ausgestattet werden .
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Bauteil mit ei- ner Schicht anzugeben, die nanoskalige Strukturelemente auf¬ weist und mit der sich die Schichteigenschaften weiter verbessern lassen.
Diese Aufgabe wird mit dem eingangs genannten Bauteil erfin- dungsgemäß dadurch gelöst, dass die Strukturelemente aus ei¬ ner Formgedächtnislegierung mit bekannter Umwandlungstemperatur bestehen. Der Aufbau der nanoskaligen Strukturelemente als Formgedächtnislegierung eröffnet vorteilhaft neue Anwendungen für Schichten auf Bauteilen, welche mit derartigen na- noskaligen Strukturelementen versehen sind. Diese Eigenschaften beruhen, wie im Folgenden noch näher erläutert wird, auf der Phasenumwandlung der Formgedächtnislegierung, die zu einer Formänderung der nanoskaligen Strukturelemente führt.
Hinsichtlich der Nutzung des Formgedächtniseffektes bei na¬ noskaligen Strukturelementen hat es sich überraschenderweise gezeigt, dass diese Strukturelemente aufgrund ihrer Abmessun¬ gen im Nanometerbereich (d. h. von weniger als lμm) eine zu- mindest weitgehend einkristalline Gefügestruktur aufweisen. Hierdurch wird die Gitterverzerrung des Gefüges, welche den Formgedächtnislegierungen bei der Umwandlungstemperatur eigen ist, direkt in eine Formänderung des Strukturelementes umge¬ setzt. Anders als bei bekannten Bauelementen oder Halbzeugen aus Formgedächtnislegierungen, die aufgrund ihrer um Größenordnungen größeren Abmessungen zur Nutzung des Formgedächtniseffektes erst nachbehandelt werden müssen, ist aufgrund der einkristallinen oder im Wesentlichen einkristallinen Struktur der nanoskaligen Strukturelemente ein Formgedächt- niseffekt bereits herstellungsbedingt vorhanden. Dies bewirkt vorteilhaft, dass die Herstellung der Schicht mit den na¬ noskaligen Strukturelementen wirtschaftlich möglich ist.
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Strukturelemente durch Nanopartikel gebildet sind, die in die Schicht eingebettet sind. Die Nanopartikel können vor¬ teilhaft vor der Einbettung in die Schicht durch geeignete Verfahren hergestellt werden. Die Einbettung der Nanopartikel in die sich bildende Schicht erfolgt dann durch ein Einbrin- gen der vorgefertigten Nanopartikel in das Beschichtungsver- fahren. Vorteilhaft kann dabei auf an sich bekannte Beschich- tungsverfahren zurückgegriffen werden, insbesondere auf solche, welche zur Einbettung von Partikeln während des Schicht- Wachstums verwendet werden (z. B. elektrochemische Beschich- tungsverfahren oder Spritzverfahren) .
Vorteilhaft können die Nanopartikel an der Oberfläche aus der Schicht herausragen. Dies wird dadurch erreicht, dass beim
Schichtbildungsprozess bis zum Abschluss des Verfahrens Nano¬ partikel in das Beschichtungsverfahren eingebracht werden. Es kann, wenn eine Einbringung von Nanopartikeln lediglich in die Oberfläche gewünscht ist, auch mit dem Einbringen der Na- nopartikel erst kurz vor Abschluss des Schichtbildungsprozes¬ ses begonnen werden. Genauso ist es möglich, das Einbringen von Nanopartikeln früher zu beenden, als den Schichtbildungsprozess, damit die Nanopartikel ausschließlich in die Schicht eingebettet werden, ohne aus der Oberfläche aus der Schicht herauszuragen .
Weiterhin ist es gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung möglich, dass die Nanopartikel eine duktile Umhüllung insbeson¬ dere aus Metall aufweisen. Die duktile Umhüllung verformt sich, wenn der Nanopartikel temperaturbedingt eine Phasenum¬ wandlung (Überschreiten oder Unterschreiten der Umwandlungstemperatur) erfährt, wobei diese Verformung zurückbleibt, wenn ihr ein plastischer Anteil innewohnt. So kann eine Umwandlung des Nanopartikels auch nach einer rückwärtigen Um- Wandlung noch erkannt werden, weswegen sich die Nanopartikel mit duktiler Umhüllung als Temperaturindikatoren in der Schicht eignen.
Genauso ist es möglich, dass die Nanopartikel eine spröde Um- hüllung, insbesondere aus einem keramischen Werkstoff aufwei¬ sen. Wird bei dieser Ausgestaltung der Erfindung die Umwandlungstemperatur beispielsweise überschritten (oder unterschritten) , so bewirkt die Phasenumwandlung des Nanopartikels ein sprödes Brechen der Umhüllung, so dass die Zerstörung der Umhüllung auch nach einer Rückumwandlung des Nanopartikels nachweisbar bleibt. Auch diese Nanopartikel eignen sich als Temperaturindikatoren .
Gemantelte Nanopartikel mit metallischen oder keramischen Umhüllungen können beispielsweise von der Firma QinetiQ Nanoma- terials Ltd. unter dem Handelsnamen Tesimorph® Nanopowders bezogen werden. Diese Firma ermöglicht die Anpassung der erforderlichen Nanopulver hinsichtlich Legierungszusammenset- zung und Umhüllung an die jeweiligen Anforderungen.
Gemäß einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Strukturelemente aus an der Oberfläche aus¬ gebildeten Nanonadeln bestehen. Die Nanonadeln ragen somit von der Oberfläche des Bauteils ab und bilden insofern auf dem Bauteil eine Beschichtung. Durch das Freistehen der Nanonadeln können diese eine Formänderung aufgrund des Formge¬ dächtniseffektes ungehindert durchlaufen, wobei die Formände¬ rung der Nanonadeln beispielsweise zu Reinigungszwecken der Oberfläche verwendet werden kann. Hierdurch können vorteil¬ haft beispielsweise Verkrustungen oder Kalkablagerungen von der Oberfläche entfernt werden. Es ist jedoch auch vorteil¬ haft möglich, dass in den Zwischenräumen zwischen benachbarten Nanonadeln weitere Partikel, insbesondere weitere Nano- partikel eingelagert sind. Hierbei kann es sich beispielswei¬ se um einen Farbstoff handeln. Durch die Formänderung der Nanonadeln verändern sich die Zwischenräume zwischen den Nanonadeln, so dass die weiteren Partikel freigegeben werden. Hierdurch ist vorteilhaft indirekt ein Nachweis möglich, dass eine Formänderung der Nanonadeln beispielsweise durch Überschreiten der Umwandlungstemperatur erfolgt ist.
Das Bauteil kann gemäß einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung durch ein Turbinenteil, insbesondere eine Turbinen- schaufei gebildet sein. Turbinenbauteile wie Turbinenschau¬ feln unterliegen im Betrieb einer starken thermischen Beanspruchung. Dabei werden insbesondere Turbinenschaufeln derart ausgelegt, dass die thermische Beanspruchung die zur Verwen- düng kommenden Werkstoffe bis an die zulässigen Grenzen auslastet. Eine thermische Überbeanspruchung führt daher schnell zu einem Versagen des Bauteils. Es ist daher wichtig, eine solche thermische Überbeanspruchung im Schadensfall nachwei¬ sen zu können, um eine Fehleranalyse zu ermöglichen. Hierzu eignen sich die erfindungsgemäßen nanoskaligen Strukturelemente, da diese eine Überschreitung der zulässigen Betriebstemperaturen in der bereits angegebenen Weise nachweisbar machen. Die Umwandlungstemperatur der Formgedächtnislegierung muss entsprechend der Anforderungen an das Bauteil einge- stellt werden.
Das Freisetzen von Farbstoffen durch Nanonadeln (wie oben beschrieben) ermöglicht weiterhin beim Einsatz in Turbinen ein sofortiges reagieren auf den Fall der Überbeanspruchung, da der Farbstoff im Turbinengehäuse nachgewiesen werden kann.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn in dem Turbinenbauteil ein Kühlkanal vorgesehen ist und die Schicht auf der Wandfläche des Kühlkanals angebracht ist. In diesem Bereich der Turbine herrschen meist geringere Temperaturen als die Betriebstempe¬ ratur des durch die Turbine geleiteten Fluids, wobei diese Temperaturen in den durch Formgedächtnislegierungen einzustellenden Temperaturbereichen liegen.
Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Erzeugung einer Schicht auf einem Bauteil durch elektrochemisches Be¬ schichten . Verfahren zum elektrochemischen Beschichten sind allgemein bekannt und beispielsweise in der US 2003/0075450 Al be¬ schrieben. Elektrochemische Verfahren ermöglichen eine vergleichsweise kostengünstige Beschichtung von Bauteilen, wobei die Beschichtung von schwer zugänglichen Zonen des zu beschichtenden Bauteils beispielsweise durch Anwendung eines gepulsten Stromverlaufes bei der Beschichtung gemäß der US 2003/0075450 Al verbessert werden kann.
Die Aufgabe der Erfindung liegt darin, ein Verfahren zur Erzeugung einer Schicht durch elektrochemisches Beschichten anzugeben, mit dem sich Schichten erzeugen lassen, die verbesserte Schichteigenschaften aufweisen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit dem angegebenen Ver¬ fahren dadurch gelöst, dass auf dem Bauteil eine Oberflächenstruktur mit nanoskaligen Erhebungen hergestellt wird und das elektrochemische Beschichten im Grenzstrombereich durchgeführt wird, wobei ausgehend von den Erhebungen Nanonadeln wachsen, und wobei die Legierungselemente einer Formgedächt¬ nislegierung abgeschieden werden.
Eine Formgedächtnislegierung kann auf dem Bauteil demnach dann abgeschieden werden, wenn die hierzu notwendigen Legie- rungselemente in Form von Ionen im Elektrolyt des Beschich- tungsbades vorliegen. Die Legierungszusammensetzung der Formgedächtnislegierung kann in an sich bekannter Weise durch verschiedene Maßnahmen beeinflusst werden (beispielsweise Komplexierung der Ionen eines Legierungspartners, Einstellen des Abscheidepotentials, Verändern der Ionenkonzentration im Elektrolyt usw.) . Um auf elektrochemischem Wege Nanonadeln auf der Oberfläche des Bauteils abscheiden zu können, ist es erfindungsgemäß einerseits notwendig, dass eine Oberflächen¬ struktur mit nanoskaligen Erhebungen vorliegt. Diese bilden den Untergrund für die aufwachsenden Nanonadeln. Nanonadeln lassen sich erzeugen, wenn das elektrochemische Beschichten im Grenzstrombereich durchgeführt wird. Hierbei entsteht auf¬ grund der hohen Abscheidestromdichte an der Oberfläche und aufgrund der begrenzten Diffusionsgeschwindigkeit der Ionen im Elektrolyt ein Mangel an abscheidbaren Ionen an der im Aufbau befindlichen Schicht, so dass die im Schichtbereich ankommenden Ionen bevorzugt an den Nadelspitzen abgeschieden werden. Dies liegt an der Feldstärkeverteilung des im Elekt- rolyt erzeugten elektrischen Feldes, welches sich an den jeweiligen Nadelspitzen konzentriert. Aufgrund der geringen Abmessungen der Nanonadeln wachsen diese, wie bereits eingangs erläutert, vorzugsweise einkristallin auf der Oberfläche des Bauteils auf, weswegen sich der Formgedächtniseffekt der Na- nonadeln vorteilhaft ohne weitere Behandlungen nutzen lässt.
Gemäß einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann die Oberflächenstruktur mit den nanoskaligen Erhebungen durch elektrochemisches Beschichten hergestellt werden. Hier- bei wird bewusst ein sehr geringer Abscheidestrom gewählt, der zu einem ungleichmäßigen Schichtwachstum und somit zu der Entstehung nanoskaliger Erhebungen auf der Oberfläche des Bauteils führt. Die Erzeugung der nanoskaligen Erhebungen mittels eines elektrochemischen Verfahrens hat den Vorteil, dass für die Herstellung der Schicht und die Erzeugung der Startbedingungen dasselbe Verfahren zur Anwendung kommen kann .
Vorteilhaft ist es auch, wenn das elektrochemische Beschich- ten im Grenzstrombereich mit einem gepulsten Strom durchgeführt wird. Hierdurch kann eine Wasserstoffbildung an der zu beschichtenden Oberfläche wirksam verhindert werden, die den Grenzstrombereich bzw. dessen Überschreiten in Richtung höherer Abscheideströme bei gewöhnlichen elektrochemischen Be- schichtungsverfahren kennzeichnet. Eine Wasserstoffbildung stört nämlich die Ausbildung der Schicht. Wird eine Wasserstoffentstehung durch Verwendung eines gepulsten Abscheidestroms verhindert, so kann mit den Strompulsen eine Ab- scheidestromdichte auf der zu beschichtenden Oberfläche er¬ zeugt werden, bei der bei einem dauerhaften Vorliegen schon Wasserstoff gebildet würde.
Eine besonders vorteilhafte Variante des Verfahrens wird er- halten, wenn dem Elektrolyt weitere Partikel, insbesondere weitere Nanopartikel zugegeben werden, die derart in die Schicht eingebaut werden, dass sie zwischen den Nanonadeln eingelagert werden. Zu diesem Zweck werden Partikel von geeigneter Größe in das Elektrolyt gegeben, so dass die in BiI- düng befindliche Beschichtung mit den Partikeln beaufschlagt wird. Während des Wachstums der Nanonadeln verbleiben die Partikel dann in den entstehenden Zwischenräumen, in denen sie durch die Nanonadeln fixiert werden. Durch Eintreten des Formgedächtniseffektes können die Partikel zu einem späteren Zeitpunkt aus den Zwischenräumen zwischen den Nanonadeln befreit werden.
Weiterhin bezieht sich die Erfindung auch auf ein Verfahren zur Erzeugung einer Schicht auf einem Bauteil durch Kaltgas- spritzen.
Ein solches Verfahren ist beispielsweise aus der DE 197 47 386 Al bekannt. Das Kaltgasspritzen zeichnet sich im Unterschied zu thermischen Spritzverfahren dadurch aus, dass die Partikel, die zur Beschichtung verwendet werden, nicht oberhalb ihrer Schmelztemperatur erhitzt werden, sondern dass die Haftung der Partikel durch eine Beschleunigung in den Überschallbereich erzeugt wird. Beim Auftreffen der Partikel auf die zu beschichtende Oberfläche wird die kineti- sehe Energie der Partikel nämlich umgewandelt, so dass ein lokales Anschmelzen der Partikeloberfläche eine Haftung auf dem Untergrund und zu benachbarten Partikeln gewährleistet. Dennoch ist die thermische Beanspruchung der Partikel beim Kaltgasspritzen wesentlich geringer als beim thermischen Spritzen .
Auch eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es somit, ein Verfahren zur Erzeugung einer Schicht auf einem Bauteil durch Kaltgasspritzen anzugeben, mit denen sich Schichten erzeugen lassen, die verbesserte Eigenschaften aufweisen.
Diese Aufgabe wird mit dem erwähnten Verfahren erfindungsge¬ mäß dadurch gelöst, dass in den Kaltgasstrahl neben den par- tikulären Schichtmaterial Nanopartikel aus einer Formgedächt¬ nislegierung mit bekannter Umwandlungstemperatur eingebracht werden und der Energieeintrag bei dem Verfahren soweit be¬ grenzt wird, dass die Nanopartikel in ihrer Legierungszusam¬ mensetzung nicht beeinflusst werden. Es hat sich nämlich ge- zeigt, dass aufgrund der geringen thermischen Beanspruchung der Beschichtungspartikel eine Verarbeitung von Nanopartikeln einer Formgedächtnislegierung möglich ist, ohne dass diese ihre Formgedächtniseigenschaften aufgrund einer Veränderung der Legierungszusammensetzung einbüßt. Hierzu müssen die Ver- fahrensparameter in geeigneter Weise eingestellt werden, damit eine schonende Herstellung der Schicht möglich wird.
Die Nanopartikel können beispielsweise dadurch in den Kalt¬ gasstrahl eingebracht werden, dass diese auf der Oberfläche des partikulären Schichtmaterials aufgebracht sind. Hierdurch kann eine definierte Zusammensetzung der Schicht erreicht werden, da alle Nanopartikel, die auf den Schichtmaterial an¬ gelagert sind, in die Schicht eingebaut werden. Die Verfah¬ rensparameter des Kaltgasspritzens können dabei optimal auf das verwendete Schichtmaterial eingestellt werden, ohne dass berücksichtigt werden muss, dass die Nanopartikel aus der Formgedächtnislegierung evtl. unter anderen Beschichtungsbe- dingungen aufgebracht werden müssten.
Zuletzt bezieht sich die Erfindung auch auf ein Verfahren zur Erzeugung einer Schicht auf einem Bauteil, wobei die Aufgabe gelöst werden soll, dass sich bei der Herstellung der Schicht verbesserte Schichteigenschaften erzeugen lassen.
Bei diesem Verfahren ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass Na¬ nopartikel aus einer Formgedächtnislegierung mit bekannter Umwandlungstemperatur vorläufig auf ein Formteil aufgebracht werden, in dem Formteil das Bauteil durch Urformen herge- stellt wird, wobei ein Teil der Nanopartikel in die Oberflä¬ che des Bauteils eingebaut werden und das Bauteil mit den in die Oberfläche eingebauten Nanopartikeln entformt wird. Als Formteile im Sinne der Erfindung werden alle formgebenden Bauteile eines Urformverfahrens angesehen, die eine Grenzflä- che zu der Oberfläche des zu erzeugenden Urformteils aufwei¬ sen. Dies können beispielsweise die Formschalen einer Guss¬ form, jedoch auch diverse Gusskerne sein.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Nanopartikel auf der Oberfläche des entsprechenden Formteils anhaften, bevor das zu erzeugende Bauteil urformtechnisch hergestellt wird. Hier¬ bei kann beispielsweise das bereits erwähnte Kaltgasspritzen verwendet werden, wobei der Energieeintrag in den Kaltgas¬ strahl grade hoch genug gewählt wird, dass die Nanopartikel der Formgedächtnislegierung auf der Oberfläche des Formteils haften bleiben. Die Haftung ist dann so gering, dass der Einbau der Nanopartikel in die Oberfläche des urgeformten Bau¬ teils zu einer stärkeren Bindung führt. Durch anschließendes Entformen des Bauteils entsteht somit eine Oberfläche des Bauteils, in die die Nanopartikel als Schicht eingelagert sind. Diese Schicht muss keine zusammenhängende Oberfläche bilden. Vielmehr ist es auch möglich, dass ein Teil der Oberfläche des urgeformten Bauteils von der Schicht frei bleibt. Mit dem Verfahren ist es vorteilhaft möglich, urgeformte Bau¬ teile mit einer Beschichtung herzustellen, die ohne einen nachgelagerten Beschichtungsvorgang für die Schicht auf der Bauteiloberfläche auskommen.
Weitere Einzelheiten der Erfindung werden im Folgenden anhand der Zeichnung beschrieben. Gleiche oder sich entsprechende Zeichnungselemente sind hierbei mit jeweils den gleichen Be¬ zugszeichen versehen und werden nur insoweit mehrfach erläutert, wie sich Unterschiede zwischen den einzelnen Figuren ergeben. Es zeigen
Figur 1 bis 3 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemä¬ ßen Schicht mit Formgedächtnis-Nanopartikeln und deren Wirkungsweise im schematischen Schnitt, Figur 4 bis 9 Ausführungsbeispiele von ummantelten Formge¬ dächtnis-Nanopartikeln und die Wirkungsweise des Formgedächtniseffektes im schematischen Schnitt,
Figur 10 und 11 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemä- ßen Schicht mit Nanonadeln als Seitenansicht,
Figur 12 eine perspektivische Ansicht einer Oberflä¬ che mit einer Formgedächtnis-Nanonadeln enthaltenden Schicht und Figur 13 und 14 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemä¬ ßen Verfahrens zur Herstellung einer Nanopartikel enthaltenden Schicht auf einem Bau¬ teil im schematischen Schnitt. In Figur 1 ist ein Bauteil 11 schematisch dargestellt. Auf diesem Bauteil ist eine Schicht 12 aufgebracht, die die Ober¬ fläche 13 des Bauteils bildet. In der Schicht sind weiterhin Nanopartikel 14 aus einer Formgedächtnislegierung wie z. B. Nickeltitan (NiTi) eingebracht. Diese können durch die
Schicht 12 entweder vollständig umschlossen sein oder an der Oberfläche 13 ein Stück aus der Schicht 12 herausragen.
In Figur 2 ist zu erkennen, wie die Nanopartikel 14 aufgrund einer Phasenumwandlung des Gefüges oberhalb einer Umwand¬ lungstemperatur ihre Form verändern. Dies ist zurückzuführen auf eine austenitisch-martensitische Phasenumwandlung, die zu einer Verzerrung des Gefügegitters der Nanopartikel führt. Aufgrund der Nanoskaligkeit der Nanopartikel liegt diese näm- lieh zumindest im Wesentlichen einkristallin vor, so dass sich die Verzerrung des Gitters auch auf die Form des gesamten Nanopartikels auswirkt. Hier besteht ein Unterschied zu Konstruktions-Bauteilen aus Formgedächtnislegierungen, die eine Vielzahl von Gefügekörnern mit unterschiedlicher kri- stalliner Ausrichtung aufweisen, weswegen sich ein Formgedächtniseffekt auf die Gesamtgeometrie des Bauteils nicht auswirkt, da sich die Verzerrungseffekte statistisch aufhe¬ ben. Bei konstruktiven Bauteilen hat daher nach der Herstellung des Bauteils eine Nachbehandlung zu erfolgen, die den Formgedächtniseffekt nutzbar macht. Eine solche Nachbehand¬ lung kann bei Nanopartikeln jedoch entfallen. Zu erkennen ist in Figur 2 weiterhin die Verformung der Nanopartikel, wobei die Schicht beispielsweise aus einem Polymer (Lack) bestehen kann. Eine Kontur 15a des unverformten Nanopartikels lässt sich in Figur 2 als Hohlraum erkennen.
In Figur 3 hat eine Rückumwandlung der Nanopartikel durch Abkühlung und Unterschreiten der Umwandlungstemperatur stattgefunden. Bei dem in die Schicht 12 eingeschlossenen Nanoparti- kel 14 bleibt jedoch ein plastischer Verformungsanteil der ehemals verformten Kontur 15b erhalten, der einen Hohlraum 16b schafft. Dieser Hohlraum kann beispielsweise durch Anfertigen eines Schliffes des Bauteils mittels einer zerstörenden Werkstoffprüfung nachgewiesen werden, wobei dieser Hohlraum den Schluss zulässt, dass das Bauteil mindestens einmal über die Umwandlungstemperatur der Nanopartikel hinaus thermisch beansprucht wurde.
Das an der Oberfläche befindliche Nanopartikel wird bei sei¬ ner Rückumwandlung aus der Oberfläche 13 herausgelöst, da der plastische Verformungsanteil des Matrixwerkstoffes der Schicht an der Oberfläche eine Vertiefung zurücklässt, die für das Nanopartikel zu groß ist . Durch das Fehlen des Nano- partikels (und anderer Nanopartikel) an der Oberfläche kann eine Überschreitung der Umwandlungstemperatur auch nachgewiesen werden, ohne das Bauteil zu zerstören. Insbesondere kann die Einbringung der Nanopartikel in einen Prozess, in den das Bauteil integriert ist, nachgewiesen werden, so dass auch während des Betriebs das Überschreiten (bei Vorliegen der Na¬ nopartikel in der Tieftemperaturphase der Schicht) oder Un¬ terschreiten (bei Vorliegen der Nanopartikel in der Hochtemperaturphase) der Umwandlungstemperatur im Bauteil nachgewie¬ sen werden kann.
In Figur 4 ist ein einzelnes Nanopartikel schematisch darge¬ stellt. Dieses weist zur Verdeutlichung der Verformung aufgrund des Formgedächtniseffektes einen von der Realität ab¬ weichenden rechteckigen Querschnitt auf. Das Nanopartikel 14 ist weiterhin mit einer spröden Umhüllung 17 versehen.
Gemäß Figur 5 ist dargestellt, wie aufgrund einer Phasenum¬ wandlung im Gefüge und der daraus resultierenden Verzerrung des einkristallinen Kristallgitters das Nanopartikel einen rautenförmigen Querschnitt annimmt. Die spröde Umhüllung be¬ kommt aufgrund der Tatsache, dass sie dieser Verformung nicht gewachsen ist, Risse 18. Verformt sich das Nanopartikel 14 wieder zurück, so wird ein Teil der Umhüllung 17 abgesprengt (Figur 6) , wodurch das zumindest einmalige Auftreten der Pha¬ senumwandlung des Nanopartikels nachweisbar wird.
Das Nanopartikel 14 gemäß Figur 7 ist mit einer duktilen Um¬ hüllung 19 versehen. Auch dieses Nanopartikel ist wieder schematisch mit rechteckigem Querschnitt dargestellt. Bei ei¬ ner Phasenumwandlung gemäß Figur 8 folgt die duktile Umhül¬ lung der Verformung des Nanopartikels, wobei ein plastischer und ein elastischer Verformungsanteil an der Verformung der Umhüllung beteiligt ist . Findet gemäß Figur 9 das Nanoparti- kel in seine ursprüngliche Form zurück, so bleibt der plasti¬ sche Verformungsanteil der Umhüllung weitgehend erhalten, so dass ein Hohlraum 16b entsteht.
Das Bauteil 11 gemäß Figur 10 ist mit einer Schicht 12 aus Nanonadeln 20 ausgestattet. Diese können beispielsweise mit¬ tels eines elektrochemischen Verfahrens auf das Bauteil 11 aufgebracht werden. Während des Entstehens der Schicht 12 sind in Zwischenräume 21 zwischen den Nanonadeln weitere Na¬ nopartikel 22 eingebettet worden, die durch die Nanonadeln 20 fixierte werden. Während des Betriebs des Bauteils 11 hat sich weiterhin eine Kruste 23 aus Schmutz oder Kalk gebildet.
In Figur 11 ist das Auftreten eines Formgedächtniseffektes der Nanonadeln 20 schematisch dargestellt. Die Gefügeverzer- rung führt zu einer Art Verbiegung der Nanonadeln 20, wodurch die spröde Kruste 23 zerstört und abgesprengt wird. Weiterhin werden die Nanopartikel 22 zumindest zum Teil freigegeben, da sich die Zwischenräume 21 zwischen den Nanonadeln 20 teilweise erweitern. Ein Nachweis des Auftretens des Formgedächtnis- effektes (Überschreiten oder Unterschreiten der Umwandlungstemperatur) kann damit nach den oben bereits erwähnten Mechanismen nachgewiesen werden.
In Figur 12 ist eine Schicht bestehend aus elektrochemisch hergestellten Nanonadeln 20 perspektivisch und schematisch dargestellt. Die Dimensionen der Nanonadeln sind dergestalt, dass der Durchmesser der Nanonadeln geringer als lμm ist. Weiterhin sind Nanopartikel 22 zu erkennen, die zwischen den Nanonadeln 20 eingebettet sind.
In Figur 13 ist eine Form 24 für eine Turbinenschaufel im Schnitt zu erkennen. Diese besteht aus zwei Formhälften 25 und einen Kern 26, der für einen Kühlkanal in der zu gießen- den Turbinenschaufel vorgesehen ist. Alle Formteile, d. h. die Formhälften 25 und der Kern 26 sind durch Kaltgasspritzen mit Nanopartikeln 14 beschichtet worden, so dass diese auf den Wandungen der Formteile haften geblieben sind.
In die Form 24 kann in bekannter, nicht dargestellter Weise der Gusswerkstoff für die Turbinenschaufel eingefüllt werden, wobei nach dem Abkühlen und Entformen eine Turbinenschaufel 27 gemäß Figur 14 entsteht. Diese ist im Turbinenschaufelpro- fil geschnitten dargestellt, wobei der Kühlkanal 28 der durch den Kern 26 gemäß Figur 13 gebildet wurde, zu erkennen ist. Weiterhin ist hinter der Zeichenebene ein Fuß 29 der Turbi¬ nenschaufel 27 zu erkennen, mit dem diese in einer Turbine montiert werden kann. Die Nanopartikel 14, die ohne große Haftung auf der Oberfläche der Formteile gehaftet hatten, sind nun in die Oberfläche 13 der Turbinenschaufel eingebet¬ tet und können dort zum Nachweis einer unzulässigen Tempera¬ turüberschreitung genutzt werden. Eine Anwendung der Nanopartikel auf der das Profil ausbildenden Oberfläche der Turbi¬ nenschaufel ist aufgrund des durch Formgedächtnislegierungen einstellbaren Umwandlungstemperaturbereiches insbesondere für Dampfturbinenschaufeln geeignet. Eine Beschichtung der Kühlkanäle 28 von Turbinenschaufeln kann auch bei thermisch höher belasteten Gasturbinenschaufeln Anwendung finden, da sich zum Kühlkanal 28 hin ein Temperaturgradient einstellt und eine evtl. Umwandlung von Formgedächtnis-Nanopartikeln in dem Kühlkanal 28 indirekt einen Rückschluss auf eine thermische Überbeanspruchung der Schaufeloberfläche in einem wesentlich höheren Temperaturbereich ermöglicht .

Claims

Patentansprüche
1. Bauteil mit einer dessen Oberfläche (13) bildenden Schicht (12), die nanoskalige Strukturelemente (14, 20) aufweist dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturelemente (14, 20) aus einer Formgedächtnis¬ legierung mit bekannter Umwandlungstemperatur bestehen.
2. Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturelemente durch Nanopartikel (14) gebildet sind, die in die Schicht (12) eingebettet sind.
3. Bauteil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Nanopartikel (14) an der Oberfläche (13) aus der Schicht herausragen.
4. Bauteil nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Nanopartikel (14) eine duktile Umhüllung (19) insbe¬ sondere aus einem Metall aufweisen.
5. Bauteil nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Nanopartikel (14) eine spröde Umhüllung (17) insbe¬ sondere aus einem keramischen Werkstoff aufweisen.
6. Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturelemente aus an der Oberfläche (13) ausge¬ bildeten Nanonadeln (20) bestehen.
7. Bauteil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass in den Zwischenräumen (21) zwischen benachbarten Nanon- adeln (20) weitere Partikel, insbesondere weitere Nanoparti- kel (22) eingelagert sind.
8. Bauteil nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil durch ein Turbinenbauteil, insbesondere eine Turbinenschaufel (27) gebildet ist.
9. Bauteil nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass dieses einen Kühlkanal (28) aufweist und die Schicht (12) auf der Wandfläche des Kühlkanals (28) angebracht ist.
10. Verfahren zur Erzeugung einer Schicht (12) auf einem Bauteil (11) durch elektrochemisches Beschichten, dadurch gekennzeichnet, dass
- auf dem Bauteil eine Oberflächenstruktur mit nanoskaligen Erhebungen hergestellt wird und
- das elektrochemische Beschichten im Grenzstrombereich durchgeführt wird, wobei ausgehend von den Erhebungen Na- nonadeln wachsen,
- wobei die Legierungselemente einer Formgedächtnislegierung abgeschieden werden.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenstruktur mit den nanoskaligen Erhebungen durch elektrochemisches Beschichten hergestellt wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrochemische Beschichten im Grenzstrombereich mit einem gepulsten Strom durchgeführt wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass dem Elektrolyt weitere Partikel, insbesondere weitere Nanopartikel (22) zugegeben werden, die derart in die Schicht eingebaut werden, dass sie zwischen den Nanonadeln eingelagert werden.
14. Verfahren zur Erzeugung einer Schicht (12) auf einem Bauteil (11) durch Kaltgasspritzen, dadurch gekennzeichnet, dass in den Kaltgasstrahl neben dem partikulären Schichtmaterial Nanopartikel (14) aus einer Formgedächtnislegierung mit bekannter Umwandlungstemperatur eingebracht werden und der Energieeintrag bei dem Verfahren soweit begrenzt wird, dass die Nanopartikel (14) in ihrer Legierungszusammensetzung nicht beeinflusst werden.
15. Verfahren zur Erzeugung einer Schicht (12) auf einem Bauteil (11), dadurch gekennzeichnet, dass
- Nanopartikel (14) aus einer Formgedächtnislegierung mit bekannter Umwandlungstemperatur vorläufig auf ein Formteil
(25, 26) aufgebracht werden, - in dem Formteil (25, 26) das Bauteil durch Urformen herge¬ stellt wird, wobei zumindest ein Teil der Nanopartikel in die Oberfläche (13) des Bauteils (11) eingebaut werden und
- das Bauteil mit den in die Oberfläche (13) eingebauten Na- nopartikeln (14) entformt wird.
PCT/EP2007/051409 2006-02-16 2007-02-14 Bauteil mit einer nanoskalige strukturelemente aufweisenden schicht und verfahren zur herstellung dieser schicht WO2007093609A1 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102006008027A DE102006008027B3 (de) 2006-02-16 2006-02-16 Bauteil mit einer nanoskalige Strukturelemente aufweisenden Schicht und Verfahren zur Herstellung dieser Schicht
DE102006008027.0 2006-02-16

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2007093609A1 true WO2007093609A1 (de) 2007-08-23

Family

ID=38001170

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2007/051409 WO2007093609A1 (de) 2006-02-16 2007-02-14 Bauteil mit einer nanoskalige strukturelemente aufweisenden schicht und verfahren zur herstellung dieser schicht

Country Status (2)

Country Link
DE (1) DE102006008027B3 (de)
WO (1) WO2007093609A1 (de)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2009103268A1 (de) * 2008-02-20 2009-08-27 Mtu Aero Engines Gmbh Verfahren zur beschichtung von bauteilen
FR2960904A1 (fr) * 2010-06-04 2011-12-09 Snecma Element de paroi d'une piece de turbomachine, telle qu'une aube, comportant des nanotubes
EP3205846A1 (de) * 2016-02-11 2017-08-16 General Electric Company Flugzeugtriebwerk mit einem aufprallpaneel
CN108431372A (zh) * 2015-12-30 2018-08-21 西门子股份公司 燃气轮机、密封盖板、密封遥测组件及其制造方法

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102007026510A1 (de) * 2007-06-08 2008-12-11 Laser Zentrum Hannover E.V. Als Werkzeug oder Stellglied für den Mikro- und Nanobereich einsetzbare Vorrichtung und Verfahren zu deren Herstellung

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10137460A1 (de) * 2001-08-02 2003-02-13 Woehr Richard Gmbh Eingabe- und/oder Anzeigevorrichtung
US20050112399A1 (en) * 2003-11-21 2005-05-26 Gray Dennis M. Erosion resistant coatings and methods thereof
WO2005056879A1 (en) * 2003-09-29 2005-06-23 General Electric Company Nano-structured coating systems

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19747386A1 (de) * 1997-10-27 1999-04-29 Linde Ag Verfahren zum thermischen Beschichten von Substratwerkstoffen
US6827833B2 (en) * 2001-10-15 2004-12-07 Faraday Technology Marketing Group, Llc Electrodeposition of metals in high-aspect ratio cavities using modulated reverse electric fields

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10137460A1 (de) * 2001-08-02 2003-02-13 Woehr Richard Gmbh Eingabe- und/oder Anzeigevorrichtung
WO2005056879A1 (en) * 2003-09-29 2005-06-23 General Electric Company Nano-structured coating systems
US20050112399A1 (en) * 2003-11-21 2005-05-26 Gray Dennis M. Erosion resistant coatings and methods thereof

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2009103268A1 (de) * 2008-02-20 2009-08-27 Mtu Aero Engines Gmbh Verfahren zur beschichtung von bauteilen
FR2960904A1 (fr) * 2010-06-04 2011-12-09 Snecma Element de paroi d'une piece de turbomachine, telle qu'une aube, comportant des nanotubes
CN108431372A (zh) * 2015-12-30 2018-08-21 西门子股份公司 燃气轮机、密封盖板、密封遥测组件及其制造方法
EP3205846A1 (de) * 2016-02-11 2017-08-16 General Electric Company Flugzeugtriebwerk mit einem aufprallpaneel

Also Published As

Publication number Publication date
DE102006008027B3 (de) 2007-09-06

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP2646590B1 (de) Oberflächenstrukturierte metallische gläser und verfahren zur herstellung
EP2732072B1 (de) Verfahren zum reparieren einer schadstelle in einem gussteil und verfahren zum erzeugen eines geeigneten reparaturmaterials
EP1173657B1 (de) Turbinenschaufel und verfahren zur herstellung einer turbinenschaufel
EP2576862B1 (de) Verfahren zum kaltgasspritzen einer schicht mit einer metallischen gefügephase und einer gefügephase aus kunststoff, bauteil mit einer solchen schicht sowie verwendungen dieses bauteils
DE2813892A1 (de) Pulvermetallurgisches verfahren zur herstellung von metallteilen aus metallpulver unter isostatischem heisspressen
WO2007093609A1 (de) Bauteil mit einer nanoskalige strukturelemente aufweisenden schicht und verfahren zur herstellung dieser schicht
DE102009018685A1 (de) Verfahren zur Herstellung einer Panzerung einer Schaufelspitze sowie entsprechend hergestellte Schaufeln und Gasturbinen
DE102009011913A1 (de) Wärmedämmschichtsystem
DE102010022594A1 (de) Radsatzwelle für ein schienengebundenes Fahrzeug mit Steinschlagschutz und Verfahren zu deren Herstellung
EP2013920B1 (de) Piezoaktor mit gradient-verkapselungsschicht und verfahren zu seiner herstellung
DE102016201838A1 (de) Verfahren zur Herstellung eines Bauteils und Vorrichtung
EP2737103B1 (de) Verfahren zum aufbringen einer verschleissschutzschicht auf eine strömungsmaschinenkomponente
WO2017037015A1 (de) Additive herstellung eines formkörpers
EP3408532A2 (de) Holmgurt und herstellungsverfahren
DE102010005389A1 (de) Strukturierte Oberflächenbeschichtung mittels kinetischem Kaltgasspritzen
EP3529224B1 (de) Feuerfestformkörper und verfahren zu dessen herstellung
DE102006029070B3 (de) Verfahren zum Beschichten eines Bauteils, in dessen Oberfläche Löcher vorgesehen sind
EP0836931A2 (de) Schichtkörper und Verfahren zur Herstellung eines Schichtkörpers
DE102020201450A1 (de) Verfahren zum Herstellen einer Stützstruktur in der additiven Herstellung, Computerprogrammprodukt und Steuerung
DE102010055791A1 (de) Verfahren zur Fertigung von Bauteilen aus Refraktärmetallen
DE102006021260A1 (de) Bauteil mit in dessen Gefügematrix eingelagerten Nanopartikeln
DE102020134438A1 (de) Zusatzfläche für Flugobjekte und Flugobjekt hierzu
DE102017212731A1 (de) Faserverstärktes Bauteil und Herstellungsverfahren dazu
DE102008015464A1 (de) Bauteil mit einer elektrischen Kontaktfläche für ein elektrisches Kontaktelement, insbesondere Stromschiene
WO2008034774A2 (de) Verfahren zum herstellen einer schicht auf einem träger

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application
NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 07726365

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1