WO2008034739A1 - Verfahren zum elektrochemischen be- oder entschichten von bauteilen - Google Patents

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WO2008034739A1
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counter electrode
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Jens Dahl Jensen
Ursus KRÜGER
Daniel Körtvelyessy
Volkmar LÜTHEN
Ralph Reiche
Michael Rindler
Raymond Ullrich
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Siemens Aktiengesellschaft
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Definitions

  • the present invention relates to a method for coating or stripping of components, for example for loading or stripping of turbine components with an MCrAlY coating.
  • the component serves as an electrode. Between the component and a counter electrode, an elec- innovative field is established, which leads to the deposition of a dissolved electrolyte in a coating material or Abtra ⁇ gene of a coating material located on the component surface.
  • the component is coated during the deposition or during the removal of structures made of an electrically insulating material.
  • the electrically insulating structures exert a shielding effect on the surface of the component, which leads to the fact that in the region of the structures, the electric field at the
  • the structures of electrically insulating material may be threads, for example, which are connected in the form of a mesh miteinan ⁇ .
  • the surface structure of the coating can be specified by the type of linking of the threads, ie by the structure of the network.
  • the deposition or removal in coating material can be carried out by using a continuously applied electric field or else by using a pulsed electric field, that is to say an electric field which is built up and broken down again in successive pulses.
  • a structured electrode is used as counterelectrode.
  • the structuring can be realized, for example, in the form of burrs on the electrode surface.
  • the structured electrode is used so that the structures protrude in the direction of the component which is to be coated or stripped. Due to the structure of the counter electrode, the field line density of the electric field on the component surface can be influenced. For example, in the range of degrees , the field line density in the area of the component surface is higher than between the ridges. In general, however, the structure of the counter electrode can not be made as fine as the threads of the aforementioned network.
  • a structured counter-electrode is therefore particularly advantageous if the coating surface ⁇ upper surface structures is to have with coarse-scale dimensions.
  • the already mentioned in the description ⁇ introduction structure in the manner of a shark skin was here overall in which a coarse-scale surface structure, namely the scales, is present, which is superimposed by a fine-scale surface structure, namely the grooves in the scales.
  • the coarse-grained structure and the fine-scale structure can be produced simultaneously or sequentially.
  • the structured counterelectrode can also be used alone, ie without the structure of electrically insulating material.
  • a coating surface in the manner of a shark skin in the form of structures of the counter electrode ⁇ de well as the distances between them can be selected so that a shed is formed in the structure located on the surface of the component coating.
  • the patterning of the counterelectrode represents the inverse structure to the coarse-scale structure to be created in the coating surface.
  • the orientation of the electrically insulating threads as well as the distances between them may be selected with respect to each other such that during deposition or Removal of the coating material forming grooves in the individual scales of the scale structure.
  • the resulting structure in the coating surface is a sharkskin-like structure.
  • MCrAlX material as a coating material and a component ei ⁇ ner turbomachine, for example, a running or Leit ⁇ scoop of a gas turbine to find as to be wound or ent harshendes component use.
  • An MCrAlX material is an alloy material in which M is a metal, in particular cobalt
  • X represents a rare earth element or hafnium (Hf) or silicon (Si) or yttrium (Y).
  • Hf hafnium
  • Si silicon
  • Y yttrium
  • Fig. 1 shows a highly schematic of the arrangement of a Bau ⁇ part, a counter electrode and electrically isolie ⁇ render threads in carrying out the inventive method.
  • Fig. 2 shows the field line distribution between the component and the counter electrode during the coating.
  • Fig. 3 shows the field line distribution between the component and the counter electrode during stripping.
  • Fig. 4 shows a network of electrically insulating threads, which can be used in the method according to the invention.
  • Fig. 5 shows the coating of a component using a patterned counter electrode.
  • Fig. 6 shows a rotor or vane of a Gasturbi ⁇ ne.
  • a component 1 to be coated or stripped which serves as an electrode in the coating or Ent harshungsvon and a counter electrode 3 to the component 1 is shown in Fig. 1.
  • the component 1 is coated with a network 5 of electrically non-conductive threads, which represents a structure of electrically insulating material.
  • the electrode 1 and the counter electrode 3 are connected to opposite poles ei ⁇ ner voltage source 7, so that a potential ⁇ difference between the electrode 1 and the counter electrode 3 is formed, which leads to the formation of an electric field between the two.
  • Both the component 1 and the counter electrode 3 are during loading or Ent fürens in an electrolytically th, which is in Fig. 1 does not Darge ⁇ represents the sake of clarity.
  • the plating bath comprising an electrolyte which is ge ⁇ dissolves in the réelleiumdes either a coating material or can resolve an up-to component 1 Be ⁇ coating material.
  • electric field may then be deposited for coating of the component 1 in the electrolyzer ⁇ th dissolved coating material 9 onto the surface of the component 1 (see Fig. 2). If by means of the method a stripping of parts of an already on Coating 11 located on the component 1 (see FIG. 3), coating material is removed from the coating 11 by means of the electrolyte.
  • the applied electric field then ensures that the ions dissolved in the electrolyte are transported away from the surface of the component 1.
  • the threads of electrically non-conductive material ie of a dielectric
  • the threads of electrically non-conductive material ensure that the field line density between the threads is increased and correspondingly reduced in the area of the threads.
  • coating this results in that between the threads 5 more material administrattra ⁇ gene is as below the threads (see FIG. 2).
  • a surface structure in a coating on the component 1 can be produced with the aid of the electrically insulating threads.
  • this can be done both when applying the coating and when removing a coating.
  • this offers the possibility to provide coated parts already subsequently by pel ⁇ les removal of the coating with a surface structure.
  • the network includes first threads 15 which form a re ⁇ tively large-mesh net.
  • second threads 17 are present, which have a relatively small distance from each other and extend diagonally to the first threads 15.
  • the first threads 15 then lead to loading or stripping Formation of the coarse-scale scale structure, whereas the second threads 17 lead to the formation of grooves in the scales.
  • the first and second threads 15 and 17 may in this case in particular also have different diameters.
  • Form network a distance from each other, which is in the range of 10 to 100 microns.
  • the second threads 17 for forming the fine-scale structure in the coating have a distance from each other which is significantly less than 10 microns and is in particular in the range of 0.1 to 2 microns.
  • FIG. 5 shows a component 1 and a counter-electrode 19.
  • the counter electrode shown in Fig. 5 in contrast to the counter ⁇ electrode 3 of Figures 1 to 3, a structured E- lektrodenoberflache on.
  • the structuring is realized by ridges 21, which protrude beyond the actual electrode surface.
  • the counter electrode 19 is oriented with respect to the component 1 such that the burrs 21 point in the direction of the component 1.
  • the field line density is in the range of the burr 21 relative to the other areas of the counter electrode ER höht 19, which also leads to an increase of the field line density at the Be ⁇ rich of the component 1, if the counter electrode 19 is not too far away from the component surface.
  • ⁇ due to the increased field line density is the rate at which coating material sawn up or is removed, in those regions of the component on which the ridges 21 against increased.
  • FIG. 5 shows the deposition of coating material 9.
  • the burrs 21 may be arranged in the shape of a rhombus on the surface of the counter electrode 19.
  • Adjacent ridges then have a distance of about 10 to 100 microns from each other.
  • scale-like structures can then be produced in a coating to be applied to the component 1 or already present.
  • the grooves can be made in the shed.
  • the coating with egg ⁇ ner surface structure in the manner of a shark skin by means of a combination of a structured counter-electrode 19 and the use of electrically non-conductive threads 5 is prepared. If only the coarse-scale structure is to be produced, but can also be dispensed with the network. The production of the coarse-scale scale structure does not necessarily take place simultaneously with the production of the fine-scale groove structure. It is also possible to first create one of the two structures and then form the other structure in the pre-structured surface.
  • the described method can in particular be used for producing a coating with a structured surface on components of turbomachines.
  • the method is suitable for applying an MCrAlX coating on guide vanes or guide vanes, as described below with reference to FIG. 6.
  • FIG. 6 shows a perspective view of a rotor blade 120 or guide vane show ⁇ 130 of a turbomachine, which extends along a longitudinal axis of the 121st
  • the turbomachine may be a gas turbine of an aircraft or a power plant for power generation, 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 and a blade tip 415.
  • the blade 130 may have at its blade tip 415 another platform (not shown).
  • 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 Christmas tree or Schwalbenschwanzfuß are possible.
  • the blade 120, 130 has a leading edge 409 and a trailing edge 412 for a medium flowing past the airfoil 406.
  • massive metallic materials in particular superalloys, are used.
  • superalloys are known, for example, from EP 1 204 776 B1, EP 1 306 454, EP 1 319 729 A1,
  • the blade 120, 130 can be made by a casting process, also by directional solidification, by a forging process, by a milling process or combinations thereof.
  • the blades 120, 130 may have coatings against corrosion or oxidation, e.g. B. (MCrAlX; M is at least one element of the group consisting of iron (Fe), cobalt (Co), Ni ⁇ ckel (Ni), X is an active element and stands for yttrium (Y) and / or silicon and / or at least one element the rare earth, or hafnium (Hf)).
  • M is at least one element of the group consisting of iron (Fe), cobalt (Co), Ni ⁇ ckel (Ni)
  • X is an active element and stands for yttrium (Y) and / or silicon and / or at least one element the rare earth, or hafnium (Hf)).
  • Such alloys are known from EP 0 486 489 B1, EP 0 786 017 B1, EP 0 412 397 B1 or EP 1 306 454 A1, which should be part of this disclosure with regard to the chemical composition of the alloy.
  • the density is
  • a thermal barrier coating which is preferably the outermost layer, and consists for example of ZrO2, Y2O3-ZrO2, ie it is not, partially ⁇ or fully stabilized by yttria and / or calcium oxide and / or magnesium oxide.
  • the heat-insulating layer covers the entire MCrAlX layer. Suitable coating processes, such as electron beam evaporation (EB-PVD), produce stalk-shaped grains in the thermal barrier coating. Other coating methods are conceivable, for example atmospheric plasma spraying (APS), LPPS, VPS or CVD.
  • the heat- insulating layer may have porous, micro- or macro-cracked Kör ⁇ ner for better thermal shock resistance.
  • the thermal barrier coating is therefore preferably more porous than the MCrAlX layer.
  • Refurbishment means that components 120, 130 may need to be deprotected after use (e.g., by sandblasting). This is followed by removal of the corrosion and / or oxidation layers or products. If necessary, will also
  • the blade 120, 130 may be hollow or solid. If the blade 120, 130 is to be cooled, it is hollow and also has, if necessary, film cooling holes 418 (indicated by dashed lines) on.
  • the invention described in the embodiments allows the production of coatings having a structured surface process by means of electrochemical deposition or etching ⁇ . Therefore, it allows not only the additive Her ⁇ provide a structured surface but also the structuring of an existing Be Mrsungsoberfla ⁇ che by partial removal of the coating.

Abstract

Es wir ein Verfahren zum elektrochemischen Be- oder Entschichten von Bauteilen (1) zur Verfügung gestellt, in dem das Bauteil (1) als Elektrode dient und in dem zwischen dem Bauteil (1) und einer Gegenelektrode (3) ein elektrisches Feld aufgebaut wird, welches zum Abscheiden eines in einem Elektrolyten gelösten Beschichtungsmaterials oder zum Abtragen eines auf der Bauteiloberfläche (2) befindlichen Beschichtungsmaterials (11) führt. Das Bauteil (1) ist während des Abscheidens bzw. während des Abtragens von Strukturen (5) aus einem elektrisch isolierenden Material überzogen.

Description

Beschreibung
Verfahren zum elektrochemischen Be- oder Entschichten von Bauteilen
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Be- oder Entschichten von Bauteilen, beispielsweise zum Be- oder Entschichten von Turbinenbauteilen mit einer MCrAlY- Beschichtung.
Das Be- und Entschichten von Bauteilen ist heutzutage in vie¬ len Gebieten der Technik nicht mehr wegzudenken. Zum Aufbringen oder Abtragen einer Beschichtung kommen Spritzprozesse und elektrochemische Prozesse zur Anwendung. Von besonderer Bedeutung sind neben solchen Beschichtungen mit bestimmten physikalischen Eigenschaften Beschichtungen mit einer strukturierten Oberfläche. Als Beispiel sei hier eine Beschichtung von Bauteilen von Strömungsmaschinen genannt, die eine Struktur in Art einer Haifischhaut aufweist. Eine derartige Struk- tur weist Schuppen auf, welche wiederum jeweils mit Rillen versehen sind. Derartige Beschichtungen lassen sich jedoch aufgrund der feinen Strukturen in ihrer Oberfläche nur mit großem Aufwand herstellen. Das Herstellen erfolgt häufig über Spritzverfahren unter Verwendung geeigneter Schablonen bzw. Masken. Spritzverfahren ermöglichen jedoch nur das Additive Herstellen strukturierter Oberflächen, d.h. das Herstellen einer Struktur durch zusätzliches Aufbringen von Material an bestimmten Stellen der Oberfläche.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein alternatives Verfahren zum Herstellen einer Beschichtung mit strukturierter Oberfläche zur Verfügung zu stellen, welches insbesondere auch das Herstellen der Struktur in der Beschich- tungsoberflache durch Abtragen von Material ermöglicht. Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zum elektrochemischen Be- oder Entschichten von Bauteilen, wie es in Anspruch 1 definiert ist, gelöst. Die abhängigen Ansprüche enthalten vor- teilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Im erfindungsgemäßen Verfahren zum elektrochemischen Be- oder Entschichten von Bauteilen dient das Bauteil als Elektrode. Zwischen dem Bauteil und einer Gegenelektrode wird ein elekt- risches Feld aufgebaut, welches zum Abscheiden eines in einem Elektrolyten gelösten Beschichtungsmaterials oder zum Abtra¬ gen eines auf der Bauteiloberfläche befindlichen Beschichtungsmaterials führt. Im erfindungsgemäßen Verfahren ist das Bauteil während des Abscheidens bzw. während des Abtragens von Strukturen aus einem elektrisch isolierenden Material überzogen .
Die elektrisch isolierenden Strukturen üben einen Abschirmeffekt auf die Oberfläche des Bauteils aus, der dazu führt, dass im Bereich der Strukturen das elektrische Feld an der
Oberfläche des Bauteils geringer ist als zwischen den Struk¬ turen. Je nach Polung des elektrischen Feldes wird daher auf Oberflächenbereichen, die zwischen den isolierenden Strukturen liegen, mehr Material abgeschieden als auf Oberflächenbe- reichen, die von den Strukturen bedeckt sind. Bei umgekehrter Polung des elektrischen Feldes wird in Bereichen zwischen den Strukturen mehr Beschichtungsmaterial abgetragen als in Be¬ reichen, die von den Strukturen bedeckt sind. Da die Struktu¬ ren sehr geringe Abmessungen haben können, lassen sich mit ihnen Oberflächenstrukturen mit sehr geringen Abmessungen auf der Beschichtungsoberflache erzeugen, beispielsweise sehr feine Rillen oder sehr feine Grate. Insbesondere ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren, durch Abtragen von Beschichtungsmaterial nachträglich eine Oberflächenstruktur in die Oberfläche einer bereits auf ein Bauteil aufgebrachten plana- ren Beschichtungsoberflache einzubringen.
Die Strukturen aus elektrisch isolierendem Material können beispielsweise Fäden sein, die in Form eines Netzes miteinan¬ der verbunden sind. Die Oberflächenstruktur der Beschichtung kann dabei durch die Art der Verknüpfung der Fäden, d.h. durch die Struktur des Netzes, vorgegeben werden.
Das Abscheiden bzw. Abtragen in Beschichtungsmaterial kann unter Verwendung eines kontinuierlich anliegenden elektrischen Feldes oder aber unter Verwendung eines gepulsten elektrischen Feldes, also eines elektrischen Feldes, welches in aufeinander folgenden Pulsen auf- und wieder abgebaut wird, erfolgen.
In einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens kommt als Gegenelektrode eine strukturierte Elektrode zum Einsatz. Die Strukturierung kann beispielsweise in Form von Graten auf der Elektrodenoberfläche realisiert sein. Die strukturierte Elektrode kommt so zum Einsatz, dass die Strukturen in Richtung auf das Bauteil, welches zu be- oder entschichten ist, vorstehen. Durch die Struktur der Gegenelektrode kann die Feldliniendichte des elektrischen Feldes auf der Bauteilober- fläche beeinflusst werden. Beispielsweise im Bereich von Gra¬ ten ist die Feldliniendichte im Bereich der Bauteiloberfläche höher als zwischen den Graten. In der Regel kann die Struktur der Gegenelektrode jedoch nicht so fein hergestellt werden wie etwa die Fäden des bereits erwähnten Netzes. Die Verwen- düng einer strukturierten Gegenelektrode ist daher insbesondere dann von Vorteil, wenn die Beschichtungsoberflache Ober¬ flächenstrukturen mit grobskaligen Abmessungen aufweisen soll. Beispielhaft sei hier die bereits in der Beschreibungs¬ einleitung erwähnte Struktur in Art einer Haifischhaut ge- nannt, in der eine grobskalige Oberflächenstruktur, nämlich die Schuppen, vorliegt, welche von einer feinskaligen Oberflächenstruktur, nämlich den Rillen in den Schuppen, überlagert ist. Die grobskalige Struktur und die feinskalige Struk- tur können gleichzeitig oder nacheinander hergestellt werden. Falls jedoch nur eine grobskalige Struktur, beispielsweise Schuppen ohne Rillen, in der Beschichtung auf dem Bauteil erzeugt werden sollen, kann die strukturierte Gegenelektrode auch alleine, d.h. ohne die Struktur aus elektrisch isolie- rendem Material, zum Einsatz kommen.
Zum Herstellen einer Beschichtungsoberflache in Art einer Haifischhaut können die Form der Strukturen der Gegenelektro¬ de sowie die Abstände zwischen ihnen so gewählt sein, dass sich eine Schuppenstruktur in der auf der Oberfläche des Bauteils befindlichen Beschichtung ausbildet. Mit anderen Worten, die Strukturierung der Gegenelektrode stellt die inverse Struktur zu der in der Beschichtungsoberflache zu erzeugenden grobskaligen Struktur dar. Gleichzeitig können die Orientie- rung der elektrisch isolierenden Fäden sowie die Abstände zwischen ihnen so in Bezug aufeinander gewählt sein, dass sich beim Abscheiden oder Abtragen des Beschichtungsmaterials Rillen in den einzelnen Schuppen der Schuppenstruktur ausbilden. Die resultierende Struktur in der Beschichtungsoberflä- che ist eine Struktur in Art einer Haifischhaut. Es ist aber auch möglich, die Struktur in Art einer Haifischhaut alleine mittels elektrisch isolierender Fäden herzustellen, wobei diese beispielsweise ein Netz bilden, in dem grobskalige Strukturen von feinskaligen Strukturen überlagert sind. Ins- besondere können in einem derartigen Netz Fäden unterschiedlicher Dicke Verwendung finden.
Im erfindungsgemäßen Verfahren kann insbesondere eine Gegenelektrode Verwendung finden, die in ihrer Form an die Form des Bauteils angepasst ist. Auf diese Weise lässt sich ein konstanter Abstand zwischen der mittleren Elektrodenoberfläche und der Bauteiloberfläche realisieren.
Im erfindungsgemäßen Verfahren kann insbesondere ein sog.
MCrAlX-Material als Beschichtungsmaterial und ein Bauteil ei¬ ner Strömungsmaschine, beispielsweise eine Lauf- oder Leit¬ schaufel einer Gasturbine, als zu be- oder entschichtendes Bauteil Verwendung finden. Ein MCrAlX-Material ist ein Legie- rungsmaterial, in dem M für ein Metall, insbesondere Kobalt
(Co) oder Nickel (Ni) , und X für ein Element der seltenen Erden oder Hafnium (Hf) oder Silizium (Si) oder Yttrium (Y) steht. Derartige Materialien kommen als oxidationshemmen- de/korrosionshemmende Beschichtungen in Strömungsmaschinen, wie etwa Gasturbinen, zum Einsatz.
Weitere Merkmale, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beiliegen- den Figuren.
Fig. 1 zeigt stark schematisiert die Anordnung eines Bau¬ teils, einer Gegenelektrode und elektrisch isolie¬ render Fäden bei der Durchführung des erfindungsge- mäßen Verfahrens.
Fig. 2 zeigt die Feldlinienverteilung zwischen dem Bauteil und der Gegenelektrode während des Beschichtens.
Fig. 3 zeigt die Feldlinienverteilung zwischen dem Bauteil und der Gegenelektrode während des Entschichtens . Fig. 4 zeigt ein Netz aus elektrisch isolierenden Fäden, welches im erfindungsgemäßen Verfahren zum Einsatz kommen kann.
Fig. 5 zeigt das Beschichten eines Bauteils unter Verwendung einer strukturierten Gegenelektrode.
Fig. 6 zeigt eine Lauf- oder Leitschaufel einer Gasturbi¬ ne .
Die Anordnung eines zu be- oder entschichtenden Bauteils 1, welches als Elektrode im Be- oder Entschichtungsverfahren dient und einer Gegenelektrode 3 zum Bauteil 1 ist in Fig. 1 dargestellt. Das Bauteil 1 ist mit einem Netz 5 aus elekt- risch nicht leitenden Fäden überzogen, welches eine Struktur aus elektrisch isolierendem Material darstellt. Die Elektrode 1 und die Gegenelektrode 3 sind an entgegengesetzte Pole ei¬ ner Spannungsquelle 7 angeschlossen, so dass eine Potenzial¬ differenz zwischen der Elektrode 1 und der Gegenelektrode 3 gebildet wird, die zur Ausbildung eines elektrischen Feldes zwischen beiden führt.
Sowohl das Bauteil 1 als auch die Gegenelektrode 3 befinden sich während des Be- oder Entschichtens in einem Elektroly- ten, das der Übersichtlichkeit halber in Fig. 1 nicht darge¬ stellt ist. Das galvanische Bad umfasst einen Elektrolyten, in dem entweder ein aufzubringendes Beschichtungsmaterial ge¬ löst ist oder der ein auf dem Bauteil 1 befindliches Be¬ schichtungsmaterial auflösen kann. Mittels des zwischen dem Bauteil 1 und der Gegenelektrode 3 ausgebildeten elektrischen Feldes kann dann zum Beschichten des Bauteils 1 im Elektroly¬ ten gelöstes Beschichtungsmaterial 9 auf die Oberfläche des Bauteils 1 abgeschieden werden (siehe Fig. 2) . Falls mittels des Verfahrens ein Entschichten von Teilen einer bereits auf dem Bauteil 1 befindlichen Beschichtung 11 erfolgen soll (vgl. Fig. 3), so wird mittels des Elektrolyten Beschich- tungsmaterial aus der Beschichtung 11 gelöst. Das anliegende elektrische Feld sorgt dann dafür, dass die im Elektrolyten gelösten Ionen von der Oberfläche des Bauteils 1 wegtransportiert werden.
In beiden Fällen sorgen die Fäden aus elektrisch nicht leitendem Material, also aus einem Dielektrikum, dafür, dass die Feldliniendichte zwischen den Fäden erhöht und im Bereich der Fäden entsprechend verringert ist. Beim Beschichten führt dies dazu, dass zwischen den Fäden 5 mehr Material aufgetra¬ gen wird als unterhalb der Fäden (siehe Fig. 2) . Beim Ent- schichten führt dies hingegen dazu, dass zwischen den Fäden mehr Material abgetragen wird als unterhalb der Fäden (siehe Fig. 3) .
Auf diese Weise kann mit Hilfe der elektrisch isolierenden Fäden eine Oberflächenstruktur in einer Beschichtung auf dem Bauteil 1 hergestellt werden. Insbesondere kann dies sowohl beim Auftragen der Beschichtung erfolgen als auch beim Abtragen einer Beschichtung. Dies bietet insbesondere die Möglichkeit, bereits beschichtete Teile nachträglich durch partiel¬ les Abtragen der Beschichtung mit einer Oberflächenstruktur zu versehen.
Ein Netz 13, welches als Struktur aus elektrisch isolierendem Material insbesondere zum Herstellen einer Oberflächenstruktur in Art einer Haifischhaut geeignet ist, ist in Fig. 4 dargestellt. Das Netz umfasst erste Fäden 15, welche ein re¬ lativ grobmaschiges Netz bilden. Weiterhin sind zweite Fäden 17 vorhanden, welche einen relativ geringen Abstand voneinander haben und diagonal zu den ersten Fäden 15 verlaufen. Die ersten Fäden 15 führen dann beim Be- oder Entschichten zur Ausbildung der grobskaligen Schuppenstruktur, wohingegen die zweiten Fäden 17 zur Ausbildung von Rillen in den Schuppen führen. Die ersten und zweiten Fäden 15 und 17 können hierbei insbesondere auch unterschiedliche Durchmesser aufweisen. Im Netz 13 haben die ersten Fäden 15, welche das grobskalige
Netz bilden, einen Abstand voneinander, der im Bereich von 10 bis 100 μm liegt. Die zweiten Fäden 17 zum Ausbilden der feinskaligen Struktur in der Beschichtung haben dagegen einen Abstand voneinander, der deutlich geringer als 10 μm ist und insbesondere im Bereich von 0,1 bis 2 μm liegt.
Eine alternative Möglichkeit zum Herstellen insbesondere der grobskaligen Strukturen ist in Fig. 5 dargestellt, die ein Bauteil 1 und eine Gegenelektrode 19 zeigt. Die in Fig. 5 dargestellte Gegenelektrode weist im Gegensatz zur Gegen¬ elektrode 3 aus den Figuren 1 bis 3 eine strukturierte E- lektrodenoberflache auf. Die Strukturierung ist durch Grate 21 realisiert, die über die eigentliche Elektrodenoberfläche vorstehen. Zum Be- oder Entschichten des Bauteils 1 wird die Gegenelektrode 19 so in Bezug auf das Bauteil 1 orientiert, dass die Grate 21 in Richtung auf das Bauteil 1 zeigen. Bei Anlegen einer Spannung zwischen dem Bauteil 1 und der Gegenelektrode 19 ist die Feldliniendichte im Bereich des Grates 21 gegenüber den übrigen Bereichen der Gegenelektrode 19 er- höht, was auch zu einer Erhöhung der Feldliniendichte im Be¬ reich des Bauteils 1 führt, sofern die Gegenelektrode 19 nicht zu weit von der Bauteiloberfläche entfernt ist. Auf¬ grund der erhöhten Feldliniendichte ist die Rate, mit der Be- schichtungsmaterial auf- oder abgetragen wird, in denjenigen Bereichen des Bauteils, die den Graten 21 gegenüber liegen, erhöht. In Fig. 5 ist das Abscheiden von Beschichtungsmateri- al 9 dargestellt. Es kann jedoch auch Material einer bereits auf dem Bauteil 1 befindlichen Beschichtung abgetragen werden . Zum Herstellen einer Struktur in Art einer Haifischhaut können die Grate 21 rautenförmig auf der Oberfläche der Gegenelektrode 19 angeordnet sein. Benachbarte Grate haben dann einen Abstand von ca. 10 bis 100 μm voneinander. Mit Hilfe der Grate 21 lassen sich dann schuppenartige Strukturen in einer auf dem Bauteil 1 aufzubringenden oder bereits vorhandenen Beschichtung erzeugen. Mittels eines zusätzlich über dem Bauteil 1 angeordneten Netzes, welches lediglich die fei- nen Fäden 17 aus Fig. 4 aufweist und welches mit einer geeig¬ neten Orientierung über der Bauteiloberfläche 1 angeordnet ist, können die Rillen in den Schuppen hergestellt werden. In dieser Ausführungsvariante wird also die Beschichtung mit ei¬ ner Oberflächenstruktur in Art einer Haifischhaut mit Hilfe einer Kombination aus strukturierter Gegenelektrode 19 und der Verwendung elektrisch nicht leitender Fäden 5 hergestellt. Sofern lediglich die grobskalige Struktur hergestellt werden soll, kann aber auch auf das Netz verzichtet werden. Das Herstellen der grobskaligen Schuppenstruktur braucht da- bei nicht notwendiger Weise gleichzeitig mit dem Herstellen der feinskaligen Rillenstruktur zu erfolgen. Es ist auch möglich, zuerst eine der beiden Strukturen zu erzeugen und danach die andere Struktur in der vorstrukturierten Oberfläche zu bilden.
Bei Verwendung einer strukturierten Gegenelektrode 19 kann über deren Abstand von der Bauteiloberfläche 2 eingestellt werden, wie diffus die Struktur in der Oberfläche der Be¬ schichtung sein soll. Je weiter die Gegenelektrode von der Oberfläche 2 des Bauteils 1 entfernt ist, desto geringer wirkt sich die erhöhte Feldliniendichte im Bereich der Grate 21 an der Oberfläche 2 des Bauteils 1 aus. Mit anderen Wor¬ ten, je weiter die Gegenelektrode vom Bauteil 1 entfernt ist, desto gleichmäßiger ist die Feldliniendichte im Bereich der Bauteiloberfläche und desto diffuser wird die erzeugte Ober¬ flächenstruktur .
Das beschriebene Verfahren kann insbesondere zum Herstellen einer Beschichtung mit strukturierter Oberfläche auf Bauteilen von Strömungsmaschinen zur Anwendung kommen. Insbesondere eignet sich das Verfahren zum Aufbringen einer MCrAlX-Be- schichtung auf Lauf- oder Leitschaufeln, wie sie nachfolgend mit Bezug auf Fig. 6 beschrieben sind.
Die Figur 6 zeigt in perspektivischer Ansicht eine Laufschau¬ fel 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 Dampfturbine 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 und eine Schaufelspitze 415 auf. Als Leitschaufel 130 kann die Schaufel 130 an ihrer Schaufelspitze 415 eine weitere Plattform aufweisen (nicht dargestellt) .
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 ausgestaltet. Andere Ausgestaltungen als Tannenbaum- oder Schwalbenschwanzfuß sind möglich. Die Schaufel 120, 130 weist für ein Medium, das an dem Schaufelblatt 406 vorbeiströmt, eine Anströmkante 409 und eine Abströmkante 412 auf. Bei herkömmlichen Schaufeln 120, 130 werden in allen Bereichen 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 bzgl . der chemischen Zusammensetzung der Legierung Teil der Offenbarung. Die Schaufel 120, 130 kann hierbei durch ein Gussverfahren, auch mittels gerichteter Erstarrung, durch ein Schmiedeverfahren, durch ein Fräsverfahren oder Kombinationen daraus gefertigt sein.
Werkstücke mit einkristalliner Struktur oder Strukturen werden als Bauteile für Maschinen eingesetzt, die im Betrieb ho- hen mechanischen, thermischen und/oder chemischen Belastungen ausgesetzt sind. Die Fertigung von derartigen einkristallinen Werkstücken erfolgt z.B. durch gerichtetes Erstarren aus der Schmelze. Es handelt sich dabei um Gießverfahren, bei denen die flüssige metallische Legierung zur einkristallinen Struk- tur, d.h. zum einkristallinen Werkstück, oder gerichtet erstarrt. Dabei werden dendritische Kristalle entlang dem Wär- mefluss ausgerichtet und bilden entweder eine stängelkristal- line Kornstruktur (kolumnar, d.h. Körner, die über die ganze Länge des Werkstückes verlaufen und hier, dem allgemeinen Sprachgebrauch nach, als gerichtet erstarrt bezeichnet wer¬ den) oder eine einkristalline Struktur, d.h. das ganze Werk¬ stück besteht aus einem einzigen Kristall. In diesen Verfahren muss man den Übergang zur globulitischen (polykristallinen) Erstarrung meiden, da sich durch ungerichtetes Wachstum notwendigerweise transversale und longitudinale Korngrenzen ausbilden, 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 Stängel- kristallstrukturen, die wohl in longitudinaler Richtung verlaufende Korngrenzen, aber keine transversalen Korngrenzen aufweisen. Bei diesen zweitgenannten kristallinen Strukturen spricht man auch von gerichtet erstarrten Gefügen (directio- nally solidified structures) . Solche Verfahren sind aus der US-PS 6,024,792 und der EP 0 892 090 Al bekannt; diese Schriften sind bzgl. des Erstarrungsverfahrens Teil der Of¬ fenbarung .
Ebenso können die Schaufeln 120, 130 Beschichtungen gegen Korrosion oder Oxidation aufweisen, z. B. (MCrAlX; M ist zumindest ein Element der Gruppe Eisen (Fe) , Kobalt (Co) , Ni¬ ckel (Ni) , X ist ein Aktivelement und steht für Yttrium (Y) und/oder Silizium und/oder zumindest ein Element der Seltenen Erden, bzw. Hafnium (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 bzgl. der chemischen Zusammensetzung der Legierung Teil dieser Offenbarung sein sollen. Die Dichte liegt vorzugsweise bei 95% der theoretischen Dichte.
Auf der MCrAlX-Schicht (als Zwischenschicht oder als äußerste Schicht) bildet sich eine schützende Aluminiumoxidschicht (TGO = thermal grown oxide layer) .
Auf der MCrAlX kann noch eine Wärmedämmschicht vorhanden sein, die vorzugsweise die äußerste Schicht ist, und besteht beispielsweise aus ZrO2, Y2O3-ZrO2, d.h. sie ist nicht, teil¬ weise oder vollständig stabilisiert durch Yttriumoxid und/ oder Kalziumoxid und/oder Magnesiumoxid. Die Wärmedämmschicht bedeckt die gesamte MCrAlX-Schicht .Durch geeignete Beschich- tungsverfahren wie z.B. Elektronenstrahlverdampfen (EB-PVD) werden stängelförmige Körner in der Wärmedämmschicht erzeugt. Andere Beschichtungsverfahren sind denkbar, z.B. atmosphärisches Plasmaspritzen (APS), LPPS, VPS oder CVD. Die Wärme- dämmschicht kann poröse, mikro- oder makrorissbehaftete Kör¬ ner zur besseren Thermoschockbeständigkeit aufweisen. Die Wärmedämmschicht ist also vorzugsweise poröser als die MCrAlX-Schicht .
Wiederaufarbeitung (Refurbishment ) bedeutet, dass Bauteile 120, 130 nach ihrem Einsatz gegebenenfalls von Schutzschichten 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 Einsatz 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.
Die in den Ausführungsbeispielen beschriebene Erfindung ermöglicht das Herstellen von Beschichtungen mit strukturierter Oberfläche mit Hilfe elektrochemischer Abscheide- oder Ätz¬ verfahren. Sie ermöglicht daher nicht nur das additive Her¬ stellen einer strukturierten Oberfläche, sondern auch das Strukturieren einer bereits vorhandenen Beschichtungsoberfla¬ che durch partielles Abtragen der Beschichtung .

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum elektrochemischen Be- oder Entschichten von Bauteilen (1), in dem das Bauteil (1) als Elektrode dient und in dem zwischen dem Bauteil (1) und einer Gegenelektrode (3, 19) ein elektrisches Feld aufgebaut wird, welches zum Ab¬ scheiden eines in einem Elektrolyten gelösten Beschichtungs- materials oder zum Abtragen eines auf der Bauteiloberfläche (2) befindlichen Beschichtungsmaterials (11) führt, wobei das Bauteil (1) während des Abscheidens bzw. während des Abtra- gens von Strukturen (5) aus einem elektrisch isolierenden Material überzogen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturen Fäden (5) umfassen, die in Form eines Netzes um das Bauteil (1) herum angeordnet werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Feld in aufeinander folgenden Pulsen auf- und wieder abgebaut wird.
3. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Gegenelektrode (19) eine strukturierte Elektrode derart zum Einsatz kommt, dass die Strukturen (21) der strukturierten Elektrode (19) in Richtung auf das Bauteil (1) vor¬ stehen .
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Strukturen in der Gegenelektrode (19) Grate (21) in der Elektrodenoberfläche zum Einsatz kommen.
5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Form der Strukturen (21) der Gegenelektrode (19) so¬ wie die Abstände zwischen ihnen so gewählt sind, dass sich beim Abscheiden oder Abtragen des Beschichtungsmaterials eine Schuppenstruktur in dem auf der Oberfläche (2) des Bauteils (1) befindlichen Beschichtungsmaterial ausbildet und dass die Orientierung der elektrisch isolierenden Fäden (5) sowie die Abstände zwischen ihnen so im Bezug aufeinander gewählt sind, dass sich beim Abscheiden oder Abtragen des Beschichtungsmaterials Rillen in den einzelnen Schuppen der Schuppenstruktur ausbilden .
6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Gegenelektrode (3, 19) eine in Ihrer Form an die Form des Bauteils (1) angepasste Elektrode zum Einsatz kommt.
7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Beschichtungsmaterial ein MCrAlX-Material und als Bauteil ein Turbinenbauteil Verwendung finden.
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