WO2009138063A1 - Schutzschicht und verfahren zum herstellen einer schutzschicht - Google Patents

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schutzschicht (100) für ein Bauteil (102), das ein erstes Material mit einem ersten Ruhepotential (211) aufweist. Die Schutzschicht (100) weist ein zweites Material auf, das ausgebildet ist, um eine Schutzwirkung der Schutzschicht zu bewirken und weist ein zweites Ruhepotential auf. Die Schutzschicht (100) weist ferner ein drittes Material mit einem dritten Ruhepotential auf, wobei das dritte Material ausgebildet ist, um eine Potentialdifferenz zwischen dem ersten Ruhepotential und einem vierten Ruhepotential der Schutzschicht zu verringern, wobei das vierte Ruhepotential von dem zweiten und dem dritten Ruhepotential abhängig ist.

Description

Schutzschicht und Verfahren zum Herstellen einer Schutzschicht
Beschreibung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Schutzschicht und ein Verfahren zum Herstellen einer Schutzschicht, beispielsweise zum Schützen eines Bauteils gegen Verschleiß.
Strömungsmechanisch belastete Bauteile, beispielsweise Bauteile einer Gasturbine, unterliegen einem Verschleiß infolge von Korrosion und Erosion. Um die Bauteile vor dem Verschleiß zu schützen können die Bauteile mit einer oder mehreren Schutzschichten überzogen werden.
Die CA 2,332,856 Al befasst sich mit einer Technik zum Abscheiden eines Überzugs auf Metalloberflächen, mit der eine verbesserte Erosions- und Korrosionsresistenz gewährleis- tet wird. Bei den Metalloberflächen kann es sich um Oberflächen von Flugzeugtriebwerksschaufeln aus Titan, Stahl oder einer Nickellegierung handeln. Der Überzug weist mindestens drei oder vier Mikrolagen mit bestimmter Dicke und bestimmten Zusammensetzungen auf. Eine der Mikrolagen kann aus Titannitrid (TiN) geformt sein.
Bauteile aus Eisen-(Fe-)Basislegierungen, beispielsweise aus Stählen, weisen ein negatives Ruhepotential auf. Im Gegensatz dazu weisen Erosionsschutzschichten auf TiN-Basis ein positives Ruhepotential auf. Daher neigen Fe-Basislegierungen in korrosiver Umgebung bei einer Beschichtung mit Erosionsschutzschichten auf TiN-Basis zu Kontaktkorrosion bzw. Bildung galvanischer Kurzschlusszellen an Übergangsstellen von beschichtetem zu unbeschichtetem Grundwerkstoff oder an Stellen wo die Schicht verletzt wurde. Dies führt zu einem verstärkten Abtrag des Grundwerkstoffs im Vergleich zum unbeschichteten Zustand. Neigt der Stahl zusätzlich zu interkristalliner Korrosion oder Kornzerfall wird dessen Zerstörung weiter beschleunigt. Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine verbesserte Schutzschicht, ein verbessertes Bauelement, einen verbesserten Grundstoff für eine Schutzschicht und ein verbessertes Verfahren zum Herstellen einer Schutzschicht zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch eine Schutzschicht gemäß Anspruch 1, ein Bauelement gemäß Anspruch 14, einen Grundstoff für eine Schutzschicht gemäß Anspruch 15 und ein Verfahren zum Herstellen einer Schutzschicht gemäß Anspruch 16 gelöst.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, das sich durch Zulegieren von bestimmten Elementen in die Erosionsschutzschicht die Gefahr der Kontaktkorrosion reduzieren lässt, wenn die Elemente ein Ruhepotential aufweisen, das näher an dem zu beschichtenden Bauteil liegt bzw. das Ruhepotential der Erosionsschutzschicht insgesamt näher an das Ruhepotential des zu beschichtenden Bauteils schiebt.
Die Schutzschicht kann mittels physikalischer Gasphasenabscheidung (PVD) auf dem zu beschichtenden Bauteil aufgebracht werden. Durch Dotierung der bei der PVD- Beschichtung eingesetzten Kathoden mit den bestimmten Elementen ist es möglich, bei der Herstellung von Multilayern mittels PVD-Beschichtung die Gefahr der Kontaktkorrosion bei Beschichtung von Eisenbasislegierungen zu reduzieren. Die Herstellung von Multilay- ern mittels PVD-Beschichtung ist beispielsweise in der CA 2,332,856 Al beschrieben.
Die vorliegende Erfindung schafft eine Schutzschicht für ein Bauteil, das ein erstes Material mit einem ersten Ruhepotential aufweist, mit folgenden Merkmalen:
einem zweiten Material mit einem zweiten Ruhepotential, wobei das zweite Material ausgebildet ist, um eine Schutzwirkung der Schutzschicht zu bewirken; und
einem dritten Material mit einem dritten Ruhepotential, wobei das dritte Material ausgebildet ist, um eine Potentialdifferenz zwischen dem ersten Ruhepotential und einem vierten Ruhepotential der Schutzschicht zu verringern, wobei das vierte Ruhepotential von dem zweiten und dem dritten Ruhepotential abhängig ist. Die vorliegende Erfindung schafft femer ein Bauelement, mit folgenden Merkmalen:
einem Bauteil, das ein erstes Material mit einem ersten Ruhepotential aufweist; und
einer Schutzschicht gemäß der vorliegenden Erfindung.
Die vorliegende Erfindung schafft ferner einen Grundstoff für eine Schutzschicht eines Bauteils, wobei das Bauteil ein erstes Material mit einem ersten Ruhepotential aufweist, mit folgenden Merkmalen:
einem zweiten Material mit einem zweiten Ruhepotential, wobei das zweite Material ausgebildet ist, um eine Schutzwirkung der Schutzschicht zu bewirken; und
einem dritten Material mit einem dritten Ruhepotential, wobei das dritte Material ausgebil- det ist, um eine Potentialdifferenz zwischen dem ersten Ruhepotential und einem vierten Ruhepotential der Schutzschicht zu verringern, wobei das vierte Ruhepotential von dem zweiten und dem dritten Ruhepotential abhängig ist.
Die vorliegende Erfindung schafft ferner ein Verfahren zum Herstellen einer Schutzschicht für ein Bauteil, das ein erstes Material mit einem ersten Ruhepotential aufweist, das folgende Schritte aufweist:
Bereitstellen eines Grundstoffs gemäß der vorliegenden Erfindung; und
Erstellen der Schutzschicht aus dem Grundstoff.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine Darstellung eines erfindungsgemäßen Bauteils; und
Fig. 2 eine Darstellung von Ruhepotentialen. In der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausfuhrungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Zeichnungen dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei eine wieder- holte Beschreibung dieser Elemente weggelassen wird.
Fig. 1 zeigt ein beschichtetes Bauelement gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das Bauelement weist eine Schutzschicht 100 und ein Bauteil 102 auf. Die Schutzschicht 100 ist auf einer Oberfläche des Bauteils 102 angeordnet. Bei dem Bau- element kann es sich beispielsweise um ein Element einer Turbine und insbesondere einer Gasturbine handeln. Beispielsweise kann es sich um eine Schaufel einer Gasturbine handeln.
Das Bauteil 102 weist ein erstes Material mit einem ersten Ruhepotential auf. Bei dem ers- ten Material kann es sich um eine Eisenbasislegierung, z.B. Stahl handeln.
Die Schutzschicht 100 weist ein viertes Ruhepotential auf, das erfindungsgemäß dem ersten Ruhepotential des Bauteils 102 angenähert ist bzw. dem ersten Ruhepotential entspricht. Dazu weist die Schutzschicht 100 ein zweites Material und ein drittes Material auf. Das zweite Material weist ein zweites Ruhepotential und das dritte Material weist ein drittes Ruhepotential auf. Somit ergibt sich für die aus dem zweiten und dritten Material bestehende Schutzschicht 100 das vierte Ruhepotential. Ein Wert des vierten Ruhepotentials ist zwischen einem Wert des zweiten und einem Wert des dritten Ruhepotentials angeordnet. Die Lage des vierten Ruhepotentials ist ferner abhängig von einem Volumen- oder Massenverhältnis zwischen dem zweiten und dem dritten Material in der Schutzschicht 100.
Das zweite Material ist ausgebildet, um eine Schutzwirkung der Schutzschicht zu bewirken. Die Schutzwirkung kann das Bauteil 102 gegen Verschleiß beispielsweise durch Ero- sion oder Korrosion schützen. Als zweites Material können somit bekannte Materialien, Stoffe oder Elemente verwendet werden, die sich zum Aufbau einer Schutzschicht eignen. Dabei kann das zweite Material ausgebildet sein, um eine metallische Lage oder eine ke- ramische Lage auf dem Bauteil 102 zu bilden. Beispielsweise kann das zweite Material eine TiN-Basis aufweisen.
Das dritte Material ist ausgebildet, um eine Potentialdifferenz zwischen dem Bauteil 102 und der Schutzschicht 100 zu verringern. Erfindungsgemäß kann die Potentialdifferenz mittels des dritten Materials soweit reduziert werden, das die Gefahr der Kontaktkorrosion zwischen dem Bauteil 102 und der Schutzschicht 100 reduziert oder ausgeschlossen werden kann. Somit kann das dritte Material abhängig von dem ersten Ruhepotential des Bauteils 102 und des zweiten Materials der Schutzschicht 100 ausgewählt werden. Beispiels- weise kann das dritte Material eines oder mehrere der Elemente Ni, Cr, Co, Cu, W, In, V, Pd, Nb, Mo oder Ta aufweisen. Neben der Anpassung des vierten Ruhepotentials der Schutzschicht 100 kann das dritte Material zusätzlich zur Schutzwirkung der Schutzschicht 100 beitragen.
Fig. 2 zeigt eine Anordnung der Lagen des ersten Ruhepotentials 211 des Bauteils, des zweiten Ruhepotentials 212 des zweiten Materials der Schutzschicht, des dritten Ruhepotentials 213 des dritten Materials der Schutzschicht und des vierten Ruhepotentials 214 der Schutzschicht gemäß einem Ausfuhrungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Gemäß diesem Ausführungsbeispiel weist das erste Ruhepotential 211 einen negativen Wert und das zweite Ruhepotential 212 einen positiven Wert auf. Das dritte Ruhepotential 213 kann einen Wert aufweisen, der kleiner als das erste Ruhepotential 211 ist. Somit kann das vierte Ruhepotential 214 näher an dem ersten Ruhepotential 211 liegen, als das zweite Ruhepotential 212.
Um das vierte Ruhepotential 214 dem ersten Ruhepotential 211 anzunähern kann als drittes Material ein Element gewählt werden, dessen drittes Ruhepotential 213 in einem Intervall um das erste Ruhepotential 211 angeordnet ist. Dabei ist das Intervall durch das zweite Ruhepotential 212 einseitig begrenzt. Somit kann das dritte Ruhepotential 213 einen Wert aufweisen, der kleiner als das erste Ruhepotential 211 ist, wenn das erste Ruhepotential 211 kleiner als das zweite Ruhepotential 212 ist bzw. einen Wert aufweisen, der größer als das erste Ruhepotential 211 ist, wenn das erste Ruhepotential 211 größer als das zweite Ruhepotential 213 ist. Alternativ kann das dritte Ruhepotential 213 einen Wert aufweisen, der zwischen dem ersten Ruhepotential 211 und dem zweiten Ruhepotential 212 liegt. Ferner kann das dritte Ruhepotential 213 einen Wert aufweisen, der dem ersten Ruhepotential 211 entspricht.
Ein Verfahren zum Herstellen der erfindungsgemäßen Schutzschicht kann einen ersten Schritt des Bereitstellens eines Grundstoffs und einen zweiten Schritt des Erstellens der Schutzschicht aus dem Grundstoff aufweisen. Der Grundstoff kann das zweite Material und das dritte Material in einer vorbestimmten Zusammensetzung aufweisen. Die vorbe- stimmte Zusammensetzung kann so gewählt werden, dass das Ruhepotential der Schutzschicht an das Ruhepotential des zu beschichtenden Bauteils zumindest angenähert wird. Der Grundstoff kann ein Gemisch aus dem zweiten und dem dritten Material sein. Alternativ kann der Grundstoff das zweite und das dritte Material getrennt bereitstellen. In diesem Fall können das zweite und das dritte Material im Schritt des Erstellens der Schutzschicht zusammengeführt werden.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die Schutzschicht mittels physikalischer Gasab- scheidung auf dem Bauteil angeordnet werden. Dazu kann eine eingesetzte Kathode, die das zweite Material aufweist mit dem dritten Material dotiert werden.
Ferner kann das dritte Material dem zweiten Material zulegiert werden. Ist die Schutzsicht als Multilayer ausgeführt, so kann das Zulegieren insbesondere in den metallischen Lagen aber auch in den keramischen Lagen des Multilayers erfolgen. Bevorzugte Elemente sind Ni, Cr, Co, Cu, W, In, V, Pd, Nb, Mo, Ta. Je nach Lage des Ruhepotentials kann mit mehr oder weniger Volumen des zulegierten Anteils die gewünschte Anpassung erreicht werden.
Die erfindungsgemäße Schutzschicht kann eine beanspruchungsgerechte Erosionsschutz- schichtbeschichtung darstellen. Beispielsweise kann es sich um eine spezielle Erosionsschutzschicht für Fe-Basislegierungen, also Stähle handeln, wobei die Schutzschicht durch Zugabe spezieller Elemente die Gefahr einer Kontaktkorrosion bzw. einer interkristallinen
Korrosion des Stahls reduzieren kann. Die beschriebenen Ausfuhrungsbeispiele sind nur beispielhaft gewählt und können miteinander kombiniert werden. Die ersten, zweiten und dritten Materialien können aus Elementen, beispielsweise Metallen oder Elementverbindungen, beispielsweise Metalllegierungen oder anderen geeigneten Stoffen bestehen. Erfindungsgemäß kann eine einzelne Schutz- schicht oder eine Mehrzahl von Schutzschichten erstellt werden, die beispielsweise in mehreren Lagen in Form von Erosionsschutz-Multilayern auf dem Bauteil angeordnet werden. Dabei kann das Ruhepotential jeder Schutzschicht oder ausgewählter Schutzschichten erfindungsgemäß an das Ruhepotential des Bauteils oder angrenzender Schutzschichten an- gepasst sein.
Bei dem Ruhepotential kann es sich um ein Elektrodenpotential oder ein Normalpotential handeln und kann eine in Volt gemessene Spannung des Materials gegenüber einer Bezugselektrode angeben. Dabei weisen die Standardpotentiale der edlen Metalle ein positives Vorzeichen und die Standardpotentiale der unedlen Metalle ein negatives Vorzeichen auf.

Claims

Patentansprüche
1. Schutzschicht (100) für ein Bauteil (102), das ein erstes Material mit einem ersten Ruhepotential (211) aufweist, mit folgenden Merkmalen:
einem zweiten Material mit einem zweiten Ruhepotential (212), wobei das zweite Material ausgebildet ist, um eine Schutzwirkung der Schutzschicht zu bewirken; und
einem dritten Material mit einem dritten Ruhepotential (213), wobei das dritte Material ausgebildet ist, um eine Potentialdifferenz zwischen dem ersten Ruhepotential und einem vierten Ruhepotential (212) der Schutzschicht zu verringern, wobei das vierte Ruhepotential von dem zweiten und dem dritten Ruhepotential abhängig ist.
2. Schutzschicht (100) gemäß Anspruch 1, bei der das dritte Ruhepotential (213) in ei- nem Intervall um das erste Ruhepotential (211) angeordnet ist, wobei das Intervall durch das zweite Ruhepotential (212) einseitig begrenzt ist.
3. Schutzschicht (100) gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, bei der ein Anteilsverhältnis zwischen dem zweiten Material und dem dritten Material abhängig von einem Verhält- nis zwischen dem ersten Ruhepotential (211) und dem zweiten Ruhepotential (212) sowie einem Verhältnis zwischen dem ersten Ruhepotential und dem dritten Ruhepotential (213) ist.
4. Schutzschicht (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei das erste Ruhepotential (211) einen negativen Wert aufweist.
5. Schutzschicht (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei das erste Material eine Fe-Basislegierung aufweist.
6. Schutzschicht (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei der das zweite Ruhepotential (212) einen positiven Wert aufweist.
7. Schutzschicht (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei der das zweite Material eine TiN-Basis aufweist.
8. Schutzschicht (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei der das zweite Material ausgebildet ist, um eine metallische Lage zu bilden.
9. Schutzschicht (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, bei der das zweite Material ausgebildet ist, um eine keramische Lage zu bilden.
10. Schutzschicht (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei der das dritte Material eines der Elemente Ni, Cr, Co, Cu, W, In, V, Pd, Nb, Mo öder Ta aufweist.
11. Schutzschicht (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei der das zweite und das dritte Material mittels physikalischer Gasabscheidung auf dem Bauteil (102) an- geordnet werden kann.
12. Schutzschicht (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, die ausgebildet ist, um das Bauteil (102) gegen Korrosion und Erosion zu schützen.
13. Schutzschicht (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, die ausgebildet ist, um eine Schaufel (102) einer Turbine zu schützen.
14. Bauelement, mit folgenden Merkmalen:
einem Bauteil (102), das ein erstes Material mit einem ersten Ruhepotential (211) aufweist; und
einer Schutzschicht (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche.
15. Grundstoff für eine Schutzschicht (100) eines Bauteils (102), wobei das Bauteil ein erstes Material mit einem ersten Ruhepotential (211) aufweist, mit folgenden Merkmalen: einem zweiten Material mit einem zweiten Ruhepotential (212), wobei das zweite Material ausgebildet ist, um eine Schutzwirkung der Schutzschicht zu bewirken; und
einem dritten Material mit einem dritten Ruhepotential (213), wobei das dritte Material ausgebildet ist, um eine Potentialdifferenz zwischen dem ersten Ruhepotential und einem vierten Ruhepotential (214) der Schutzschicht zu verringern, wobei das vierte Ruhepotential von dem zweiten und dem dritten Ruhepotential abhängig ist.
16. Verfahren zum Herstellen einer Schutzschicht (100) für ein Bauteil (102), das ein ers- tes Material mit einem ersten Ruhepotential (211) aufweist, das folgende Schritte aufweist:
Bereitstellen eines Grundstoffs gemäß Anspruch 15; und
Erstellen der Schutzschicht aus dem Grundstoff.
17. Verfahren gemäß Anspruch 16, bei dem der Schritt des Bereitstellens ein Bereitstellen des zweiten Materials und ein Bereitstellen des dritten Materials und der Schritt des Erstel- lens ein Erstellen der Schutzschicht (100) aus dem zweiten Material und dem dritten Material umfasst.
18. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 16 oder 17, bei dem der Schritt des Bereitsteilens ein Zulegieren des dritten Materials zu dem zweiten Material umfasst.
19. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 16 bis 18, bei dem der Schritt des Bereitstel- lens ein Dotieren einer Kathode, die das zweite Material aufweist mit dem dritten Material umfasst und bei dem der Schritt des Erstellens auf einer physikalischen Gasabscheidung basiert.
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