WO2013072092A1 - Schichtsystem mit strukturierter substratoberfläche und verfahren zur herstellung - Google Patents

Schichtsystem mit strukturierter substratoberfläche und verfahren zur herstellung Download PDF

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WO2013072092A1
WO2013072092A1 PCT/EP2012/068055 EP2012068055W WO2013072092A1 WO 2013072092 A1 WO2013072092 A1 WO 2013072092A1 EP 2012068055 W EP2012068055 W EP 2012068055W WO 2013072092 A1 WO2013072092 A1 WO 2013072092A1
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substrate
boundary surface
layer system
roughness
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Alessandro Casu
Oliver Lüsebrink
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • Y10T428/24355—Continuous and nonuniform or irregular surface on layer or component [e.g., roofing, etc.]

Definitions

  • the invention relates to a layer system and a method for the production in which the substrate surface has a greater roughness than an interface between the layers.
  • Heat input to be protected is preferably done by layers, in which an outer ceramic layer is applied to a metallic adhesion promoter layer which has been applied to a metallic substrate.
  • the roughness of the metallic adhesion promoter layer plays a decisive role for the service life of the ceramic thermal barrier coating
  • Claim 1 and a method for producing a
  • Figure 1 is a layer system according to the prior
  • FIGS. 2, 7, 8 show a layer system according to the invention
  • FIG. 3 shows a gas turbine
  • FIG. 4 shows a turbine blade
  • FIG. 5 shows a combustion chamber
  • thermal coating methods in particular by plasma spraying (APS, VPS, LPPS) or by HVOF.
  • FIG. 1 is a simplified illustration because the application is curved the substrate 4 as with an airfoil 406 (FIG. 4) of a turbine blade 120, 130 (FIG. 4).
  • the maximum difference between the highest elevation 24 'and the deepest depression 21' of the rough surface 10 'of the layer 7' according to the prior art is r s .
  • Highest increase 24 'and deepest pit 21' of these max / min values for r s need not be adjacent.
  • the maximum distance measured from tip to tip between two directly adjacent elevations 24 'of the rough surface 10' of the layer 7 ' is d s .
  • the texture (roughness) of the surface 10 ' is irregular and therefore has no periodicity. Same definition applies to the rough surface 16 'of the
  • Substrate 4 'with r' s (maximum difference between the highest elevation 24 and the deepest depression 21 of the rough surface 16 'of the substrate 4', analogous to r s ) and d ' s (maximum Distance between two peaks of two directly adjacent
  • Elevations 24 of the substrate 4 ' analogous to d s ).
  • the values r ' s and d' s result from the casting or processing,
  • An average line of elevations 24 'and depressions 21' of the rough surface 10 ' would be between the highest elevation 24' and the deepest depression 21 'of the rough surface 10'.
  • Substrate 4 ' i. a line that is the mean of the
  • Ridges 24 'and depressions 21' of the rough surface 16 ' represent a layer thickness center line 33' of the layer 7 ', i. a line running in the middle of the layer 7 'and a layer surface centerline 36', i. a line representing the average of the ridges 24 and the recesses 21 of the rough surface 10 'of the substrate are straight.
  • the layer system 1 according to the invention according to FIG. 2 has a substrate 4 in which the structure of FIG
  • Boundary surface 16 of the substrate 4 was selectively and controlled changed and thus also the boundary surface 10 of the layer 7, on which a ceramic coating 13 takes place.
  • the boundary surface 16 of the substrate 4 has a different structure, ie a higher roughness than the surface 16 '(between substrate 4' and layer 7 ') according to the prior art (FIG. 1).
  • a valley 23 and a mountain 20 or valleys and mountains make the boundary surface 16 of the substrate 4 rougher, the quasi through Undulation of a substrate 4 'is formed and increase the boundary surface 16 with respect to the surface 16' of the substrate 4 '(Fig. 1).
  • the preferably wave-shaped boundary surface 16 also has the superposed roughness R s , which, however, is smaller than the specifically set roughness Ri 4 of the substrate 4.
  • D 'i (maximum distance mountain 20' and valley 23 'of layer 7) is comparable to Di.
  • d 'i, ie the maximum distance between two peaks of adjacent ridges 224 of the wavy rough surface 16 ', here then boundary surface 16, is comparable to d' s .
  • R 7 i is comparable to the value R 4 i, since the metallic layer 7 is not the mountains 20 and valleys 23 of the surface 16 of the substrate 4
  • Boundary surface 16 comparable to r ' s .
  • the value R s ie the maximum difference between the highest elevation 224 'and the deepest depression 221' of the layer 7, for the interface 10 is comparable to the value r s of the prior art (FIG. 1) for the same coating technique and powder.
  • the square or average roughness (Rq or Ra) can also be used.
  • the roughness of the surface 16 of the substrate 4 is at least 20%, in particular 30% rougher than the interface 10 'between the layers 7', 13 'according to the prior art (FIG. 1), ie the value R 7 i or R 4 i is at least 20%, in particular 30% greater than value r s or r ' s .
  • the roughness with the valley 23 and the top 20 of the substrate 4 is preferably uniform at least in places, that is, for example, sinusoidal or has at least one constant wavelength (waviness) or constant
  • the unprocessed surface 16 has no particular
  • the waviness of the boundary surface 16 of the substrate 4 is greater than that of the surface 10 'according to the prior art, ie at least 20%, ie, the distances between two "mountains" 20 are greater
  • the smallest distance Di (FIG. neighboring mountains 20 is at least 20%, in particular 30% larger than the largest distance d ⁇ (or d s ) of adjacent elevations for the boundary surface 10th
  • the waviness of the boundary surface 16 of the substrate 4 is also continued through the coating 7 on the boundary surface 10 with the mountain 20 'of the layer 7 and valley 23 of the layer 7.
  • Adhesive layer 7 the adhesion
  • Overlying layer 13 continues to improve.
  • the substrate 4 may be structured over the entire boundary surface 16 or only locally.
  • the substrate 4 preferably has a cobalt or
  • the substrate 4 can already have the desired structure on the boundary surface 16 after casting by means of a correspondingly shaped casting mold or it can be cast after casting
  • FIG. 3 shows by way of example a gas turbine 100 in a longitudinal partial section.
  • the gas turbine 100 has a rotatably mounted about a rotational axis 102 ⁇ rotor 103 having a shaft 101, which is also referred to as the turbine rotor.
  • a compressor 105 for example, a torus-like
  • Combustion chamber 110 in particular annular combustion chamber, with a plurality of coaxially arranged burners 107, a turbine 108 and the exhaust housing 109th
  • the annular combustion chamber 110 communicates with an annular annular hot gas channel 111, for example.
  • annular annular hot gas channel 111 for example.
  • turbine stages 112 connected in series form the turbine 108.
  • Each turbine stage 112 is formed, for example, from two blade rings . As seen in the direction of flow of a working medium 113, in the hot gas channel 111 of a row of guide vanes 115, a series 125 formed of rotor blades 120 follows.
  • the guide vanes 130 are fastened to an inner housing 138 of a stator 143, whereas the moving blades 120 of a row 125 are attached to the rotor 103 by means of a turbine disk 133, for example.
  • Coupled to the rotor 103 is a generator or work machine (not shown).
  • air 135 is sucked by the compressor 105 through the intake housing and ver ⁇ seals.
  • the 105 ⁇ be compressed air provided at the turbine end of the compressor is ge ⁇ leads to the burners 107, where it is mixed with a fuel.
  • the mixture is then burned to form the working fluid 113 in the combustion chamber 110.
  • the working medium 113 flows along the hot gas channel 111 past the guide vanes 130 and the rotor blades 120.
  • the working medium 113 expands in a pulse-transmitting manner, so that the rotor blades 120 drive the rotor 103 and drive the machine coupled to it.
  • the components exposed to the hot working medium 113 are subject to thermal loads during operation of the gas turbine 100.
  • the guide vanes 130 and rotor blades 120 of the first turbine stage 112, viewed in the flow direction of the working medium 113, are subjected to the greatest thermal stress in addition to the heat shield elements lining the annular combustion chamber 110.
  • substrates of the components may have a directional structure, i. they are monocrystalline (SX structure) or have only longitudinal grains (DS structure).
  • the components in particular for the turbine blade or vane 120, 130 and components of the combustion chamber 110.
  • iron-, nickel- or cobalt-based superalloys are used.
  • Such superalloys are known, for example, from EP 1 204 776 B1, EP 1 306 454, EP 1 319 729 A1, WO 99/67435 or WO 00/44949.
  • the blades 120, 130 may be anti-corrosion coatings (MCrAlX; M is at least one element of the group iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni), X is an active element and is yttrium (Y) and / or silicon , Scandium (Sc) and / or at least one element of the rare earth or hafnium).
  • M is at least one element of the group iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni)
  • X is an active element and is yttrium (Y) and / or silicon , Scandium (Sc) and / or at least one element of the rare earth or hafnium.
  • 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.
  • MCrAlX may still be present a thermal barrier coating, and consists for example of Zr02, Y203-Zr02, ie it is not, partially or completely stabilized by Ytt ⁇ riumoxid and / or calcium oxide and / or magnesium oxide.
  • Electron beam evaporation produces stalk-shaped grains in the thermal barrier coating.
  • the guide blade 130 has a guide blade foot facing the inner housing 138 of the turbine 108 (not shown here). ) and a vane head opposite the vane root.
  • the vane head faces the rotor 103 and fixed to a mounting ring 140 of the stator 143.
  • FIG. 4 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 to each other, a securing region 400, an adjoining blade or vane platform 403 and a blade 406 and a blade tip 415.
  • the vane 130 may be pointed on its shovel 415 have a further platform (not Darge ⁇ asserted).
  • 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, for example, as a hammerhead out staltet ⁇ .
  • Other designs as Christmas tree or Schwalbenschwanzfuß are possible.
  • the blade 120, 130 has a medium felblatt to the Schau- 406 flows past, a leading edge 409 and a trailing edge 412th
  • 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.
  • Workpieces with a monocrystalline structure or structures are used as components for machines which are exposed to high mechanical, thermal and / or chemical stresses during operation.
  • Such monocrystalline workpieces takes place e.g. by directed solidification from the melt.
  • These are casting processes in which the liquid metallic alloy is transformed into a monocrystalline structure, i. to the single-crystal workpiece, or directionally solidified.
  • dendritic crystals are aligned along the heat flow and form either a columnar grain structure (columnar, ie grains that run the entire length of the workpiece and here, in common parlance, referred to as directionally solidified) or a monocrystalline structure, ie the whole workpiece be ⁇ is made of a single crystal.
  • a columnar grain structure columnar, ie grains that run the entire length of the workpiece and here, in common parlance, referred to as directionally solidified
  • a monocrystalline structure ie the whole workpiece be ⁇ is made of a single crystal.
  • Structures are also called directionally solidified structures. Such methods are known from US Pat. No. 6,024,792 and EP 0 892 090 A1.
  • the blades 120, 130 may have coatings against corrosion or oxidation, e.g. B. (MCrAlX, M is at least one element of the group iron (Fe), cobalt (Co),
  • Nickel (Ni) is an active element and stands for yttrium (Y) and / or silicon and / or at least one element of the rare earths, or hafnium (Hf)).
  • Such alloys are known from EP 0 486 489 B1, EP 0 786 017 B1, EP 0 412 397 B1 or EP 1 306 454 A1.
  • the density is preferably 95% of the theoretical
  • the layer composition comprises Co-30Ni-28Cr-8A1-0, 6Y-0, 7Si or Co-28Ni-24Cr-10Al-0, 6Y.
  • nickel-based protective layers such as Ni-10Cr-12Al-0.6Y-3Re or Ni-12Co-21Cr-IIAl-O, 4Y-2Re or Ni-25Co-17Cr-10A1-0, 4Y-1 are also preferably used , 5Re.
  • a thermal barrier coating which is preferably the outermost layer, and consists for example of Zr0 2 , Y2Ü3-Zr02, ie it is not, partially ⁇ or fully stabilized by yttria
  • the thermal barrier coating covers the entire MCrAlX layer.
  • Electron beam evaporation produces stalk-shaped grains in the thermal barrier coating.
  • the heat insulation layer may have ⁇ porous, micro- or macro-cracked compatible grains for better thermal shock resistance.
  • the Thermal insulation layer is therefore preferably more porous than the
  • 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. Optionally, even cracks in the component 120, 130 are repaired. This is followed by a re-coating of the component 120, 130 and a renewed use of the component 120, 130.
  • 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.
  • FIG. 5 shows a combustion chamber 110 of a gas turbine.
  • the combustion chamber 110 is configured, for example, as so-called an annular combustion chamber, in which a plurality of in the circumferential direction about an axis of rotation 102 arranged burners 107 open into a common combustion chamber space 154 and generate flames 156th
  • the combustion chamber 110 is configured in its entirety as an annular structure, which is positioned around the axis of rotation 102 around.
  • the combustion chamber 110 is designed for a comparatively high temperature of the working medium M of about 1000 ° C to 1600 ° C.
  • the combustion chamber wall 153 is provided on its side facing the working medium M facing side with a formed from heat shield elements 155. liner.
  • Each heat shield element 155 made of an alloy is on the working medium side with a particularly heat-resistant protective layer (MCrAlX layer and / or ceramic coating). equipped or is made of high temperature resistant material (solid ceramic stones).
  • M is at least one element of the group iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni), X is an active element and stands for yttrium (Y) and / or silicon and / or at least one element of the rare earths, or hafnium (Hf).
  • MCrAlX means: M is at least one element of the group iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni), X is an active element and stands for yttrium (Y) and / or silicon and / or at least one element of the rare earths, or hafnium (Hf).
  • Such alloys are known from EP 0 486 489 B1, EP 0 786 017 B1, EP 0 412 397 B1 or EP 1 306 454 A1.
  • a ceramic Wär ⁇ medämm Anlagen be present and consists for example of ZrÜ2, Y203 ⁇ Zr02, ie it is not, partially or completely stabilized by yttrium and / or calcium oxide and / or magnesium oxide.
  • Electron beam evaporation produces stalk-shaped grains in the thermal barrier coating.
  • the heat insulation layer may have ⁇ porous, micro- or macro-cracked compatible grains for better thermal shock resistance.
  • Reprocessing means that heat shield elements may need to be removed 155 after use of protective layers (for example by sandblasting). This is followed by removal of the corrosion and / or oxidation layers or products. If necessary, cracks in the heat shield element 155 are also repaired.
  • the 110 may also be provided for the heat shield elements 155 and for their holding elements, a cooling system.
  • the heat shield elements 155 are then hollow and have, for example possibly still in the combustion chamber 154 opening cooling holes (not shown).

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Abstract

Durch eine strukturierte Oberfläche des Substrats überlagert sich diese Rauheit auf ein Interface der darauf liegenden Schichten, so dass die Haftung der Schichten untereinander verbessert wird.

Description

Schichtsystem mit strukturierter Substratoberfläche und
Verfahren zur Herstellung
Die Erfindung betrifft ein Schichtsystem und ein Verfahren zur Herstellung, bei dem die Substratoberfläche eine größere Rauheit als eine Grenzfläche zwischen den Schichten aufweist.
Bauteile für Hochtemperatureinsätze müssen vor zu hohem
Wärmeeintrag geschützt werden. Dies geschieht vorzugsweise durch Schichten, bei dem eine äußere keramische Schicht auf einer metallischen Haftvermittlerschicht aufgebracht ist, die auf einem metallischen Substrat aufgebracht wurde.
Für die Lebensdauer der keramischen Wärmedämmschicht spielt je nach Auftragungsart der keramischen Schicht die Rauheit der metallischen Haftvermittlerschicht eine entscheidende
Rolle .
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, o. g. Aufgabe weiter zu verbessern.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Schichtsystem gemäß
Anspruch 1 und ein Verfahren zur Herstellung eines
Schichtsystems gemäß Anspruch 14 oder 15.
In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Maßnahmen aufgelistet, die beliebig miteinander kombiniert werden können, um weitere Vorteile zu erzielen.
Es zeigen:
Figur 1 ein Schichtsystem nach dem Stand der
Technik,
Figuren 2, 7, 8 ein erfindungsgemäßes Schichtsystem,
Figur 3 eine Gasturbine,
Figur 4 eine Turbinenschaufel,
Figur 5 eine Brennkammer,
Figur 6 eine Liste von Superlegierungen . Die Beschreibung und die Figuren stellen nur
Ausführungsbeispiele der Erfindung dar.
Die Figur 1 zeigt ein Schichtsystem 1' nach dem Stand der Technik .
Auf einem Substrat 4' ist eine metallische
Haftvermittlerschicht 7' (MCrAlX) aufgebracht, die an ihrer Oberfläche 10' zu der äußeren Schicht, einer keramischen Wärmedämmschicht 13' eine gewisse Rauheit aufweist. Dies ergibt sich aufgrund der bekannten Beschichtungsverfahren, insbesondere durch thermische Beschichtungsverfahren, ganz insbesondere durch Plasmaspritzen (APS, VPS, LPPS) oder durch HVOF.
Die Figur 1 ist eine vereinfachte Darstellung, weil die Anwendung wie bei einem Schaufelblatt 406 (Fig. 4) einer Turbinenschaufel 120, 130 (Fig. 4) das Substrat 4 gekrümmt ist .
Der maximale Unterschied zwischen höchster Erhöhung 24' und tiefster Vertiefung 21' der rauen Oberfläche 10' der Schicht 7' nach dem Stand der Technik beträgt rs. Höchste Erhöhung 24' und tiefste Vertiefung 21' dieser Max/Min-Werte für rs müssen nicht benachbart sein.
Der maximale Abstand gemessen von der Spitze zu Spitze zwischen zwei direkt benachbarten Erhöhungen 24' der rauen Oberfläche 10' der Schicht 7' beträgt ds .
Die Werte rs, ds ergeben sich durch die Beschichtung, also durch das Beschichtungsverfahren, -parameter, Pulver, ....
Die Struktur (Rauheit) der Oberfläche 10' ist unregelmäßig und weist daher keine Periodizität auf. Gleiche Definition gilt für die raue Oberfläche 16' des
Substrats 4' mit r' s (maximaler Unterschied zwischen höchster Erhöhung 24 und tiefster Vertiefung 21 der rauen Oberfläche 16' des Substrats 4'; analog zu rs) und d' s (maximaler Abstand zweier Spitzen von zwei direkt benachbarten
Erhöhungen 24 des Substrats 4'; analog zu ds) . Die Werte r' s und d' s ergeben sich durch das Gießen bzw. Bearbeiten,
Glätten des Substrats 4'.
Eine Mittelwertlinie von Erhöhungen 24' und Vertiefungen 21' der rauen Oberfläche 10' würde zwischen höchster Erhöhung 24' und tiefster Vertiefung 21' der rauen Oberfläche 10'
verlaufen. Gleiches gilt für die Oberfläche 16' des Substrats 4' . Die Werte rs und r' s bzw. ds und d' s sind nicht
zwangsläufig gleich.
Eine Substrat-Mittellinie 30' der Oberfläche 16' des
Substrats 4', d.h. eine Linie, die den Mittelwert der
Erhöhungen 24' und Vertiefungen 21' der rauen Oberfläche 16' darstellt, eine Schichtdicken-Mittelinie 33' der Schicht 7', d.h. eine Linie, die in der Mitte der Schicht 7' verläuft und eine Schichtoberfläche-Mittellinie 36', d.h. eine Linie, die den Mittelwert der Erhöhungen 24 und der Vertiefungen 21 der rauen Oberfläche 10' des Substrats darstellt, verlaufen gerade .
Beim realen Bauteil 120, 130 auf dem Schaufelblatt sind sie 30', 33', 36' einfach gebogen (Fig. 7) oder verlaufen wie eine Oberfläche eines Bauteils 120, 130 nach dem Stand der Technik.
Hingegen weist das erfindungsgemäße Schichtsystem 1 gemäß Figur 2 ein Substrat 4 auf, bei dem die Struktur der
Grenzoberfläche 16 des Substrats 4 gezielt und kontrolliert verändert wurde und damit auch die Grenzoberfläche 10 der Schicht 7, auf die eine keramische Beschichtung 13 erfolgt.
Die Grenzoberfläche 16 des Substrats 4 weist eine andere Struktur, also eine höhere Rauheit als die Oberfläche 16' (zwischen Substrat 4' und Schicht 7') nach dem Stand der Technik (Fig. 1) auf.
Ein Tal 23 und ein Berg 20 bzw. Täler und Berge gestalten die Grenzoberfläche 16 des Substrats 4 rauer, die quasi durch Wellung eines Substrats 4' entstanden ist und vergrößern die Grenzoberfläche 16 gegenüber der Oberfläche 16' des Substrats 4' (Fig. 1) . Eine Substratoberflächenmittellinie 30 der Grenzoberfläche 16, d.h. eine Linie, die den Mittelwert von Erhöhungen 224 und Vertiefungen 221 darstellt oder eine
Schichtdickenmittellinie 33 der Schicht 7 oder eine
Oberflächenmittellinie 36 der Schicht 7 (Definition von 30, 33, 36 wie bei 30', 33', 36') verlaufen nicht gerade, sondern gewellt, wobei sie mindestens 5mal gewellt (Fig. 8),
insbesondere periodisch gewellt, sind. Eine Mittelwertlinie durch Berge 20 und Täler 23 würde ebenso verlaufen wie im Stand der Technik.
Dem Berg 20 und dem Tal 23 ist noch eine kleinere Rauheit (Rs = minimaler Unterschied von höchstens Erhöhung 224' der
Schicht 7 und tiefste Vertiefung 221' der Schicht 7), wie aus dem Stand der Technik bekannt, überlagert.
Der Unterschied zwischen einem höchsten Berg 20 und einem tiefsten Tal 23 (in Fig. 2 zufällig direkt
aufeinanderfolgend) des Substrats 4, die durch die Wellung eines Substrats 4' nach dem Stand der Technik entstanden sind, beträgt R4i .
Die vorzugsweise wellenförmige Grenzoberfläche 16 weist auch die überlagerte Rauheit Rs auf, die jedoch kleiner ist als die gezielt eingestellte Rauheit Ri4 des Substrats 4.
Der maximale Abstand von benachbarten Berg 20 und Tal 23 des Substrats 4 beträgt D' i . Analog gilt dies für die Oberfläche 10 der Schicht 7 mit Di .
D' i (maximaler Abstand Berg 20' und Tal 23' der Schicht 7) ist vergleichbar mit Di .
Der Wert d' i , d.h. der maximale Abstand zwischen zwei Spitzen benachbarter Erhöhungen 224 der gewellten rauen Oberfläche 16', hier dann Grenzoberfläche 16, ist vergleichbar mit d's.
Entsprechend definiert ist R7i . Der Wert R7i ist vergleichbar mit dem Wert R4i , da die metallische Schicht 7 die Berge 20 und Täler 23 der Oberfläche 16 des Substrats 4 nicht
ausgleicht
Ebenso ist der Wert R's, d.h. der maximale Unterschied zwischen höchster Erhöhung 224 und tiefster Vertiefung 221 der gewellten rauen Oberfläche 16', hier also der
Grenzoberfläche 16, vergleichbar mit r's.
Die raue Oberfläche 10' einer Schicht 7' (Fig. 1) wird daher quasi zusätzlich nur gewellt zu der Haftvermittlerschicht 7 und weist daher vergleichbare Werte ds (Fig. 1) für d± (= maximaler Abstand zweier benachbarter Erhöhungen 224') auf.
Der Wert Rs, d.h. der maximale Unterschied zwischen höchster Erhöhung 224' und tiefster Vertiefung 221' der Schicht 7, für die Grenzfläche 10 ist bei gleicher Beschichtungstechnik und gleichem Pulver vergleichbar mit dem Wert rs aus dem Stand der Technik (Fig. 1) .
Zur Ermittlung der Rauheit kann auch die quadratische oder mittlere Rauheit (Rq bzw. Ra) herangezogen werden.
Vorzugsweise ist die Rauheit der Oberfläche 16 des Substrats 4 mindestens 20%, insbesondere 30% rauer als die Grenzfläche 10' zwischen den Schichten 7', 13' nach dem Stand der Technik (Fig. 1), d.h. der Wert R7i bzw. R4i ist mindestens 20%, insbesondere 30% größer als Wert rs bzw. r's.
Die Rauheit mit Tal 23 und Berg 20 des Substrats 4 ist vorzugsweise zumindest stellenweise gleichmäßig ausgebildet, also beispielsweise sinusförmig oder weist zumindest eine konstante Wellenlänge auf (Welligkeit) oder konstante
Abstände zwischen direkt benachbarten Bergen. Die unbearbeitete Oberfläche 16' weist insbesondere keine
Gleichmäßigkeit oder Periodizität auf.
Vorzugsweise ist die Welligkeit der Grenzoberfläche 16 des Substrats 4 größer als die der Oberfläche 10' nach dem Stand der Technik, also mindestens 20%, d.h., die Abstände zwischen zwei „Bergen" 20 sind größer. Der kleinste Abstand Di (Fig. 2) benachbarter Berge 20 ist mindestens 20%, insbesondere 30% größer als der größte Abstand d± (bzw. ds) von benachbarten Erhöhungen für die Grenzoberfläche 10.
Die Welligkeit der Grenzoberfläche 16 des Substrats 4 setzt sich auch durch die Beschichtung 7 an der Grenzoberfläche 10 mit dem Berg 20' der Schicht 7 und Tal 23 der Schicht 7 fort.
Durch die Überlagerung der höheren Rauheit bzw. Welligkeit der Grenzoberfläche 16 des Substrats 4 und der Rauheit der innenliegenden, insbesondere metallischen
Haftvermittlerschicht 7, wird die Haftung, der
darüberliegenden Schicht 13 weiterhin verbessert.
Das Substrat 4 kann über die gesamte Grenzoberfläche 16 strukturiert sein oder auch nur lokal.
Bei einer Turbinenschaufel 120, 130 wäre dies das
Schaufelblatt 406.
Das Substrat 4 weist vorzugsweise eine kobalt- oder
nickelbasierte Legierung auf, insbesondere aus Figur 6. Das Substrat 4 kann durch eine entsprechend geformte Gussform schon die gewünschte Struktur auf der Grenzoberfläche 16 nach dem Gießen aufweisen oder sie wird nach dem Gießen
bearbeitet, insbesondere durch Laserbearbeitung, um die gewünschte Oberflächenstruktur einzustellen.
Die Figur 3 zeigt beispielhaft eine Gasturbine 100 in einem Längsteilschnitt . Die Gasturbine 100 weist im Inneren einen um eine Rotations¬ achse 102 drehgelagerten Rotor 103 mit einer Welle 101 auf, der auch als Turbinenläufer bezeichnet wird.
Entlang des Rotors 103 folgen aufeinander ein Ansauggehäuse 104, ein Verdichter 105, eine beispielsweise torusartige
Brennkammer 110, insbesondere Ringbrennkammer, mit mehreren koaxial angeordneten Brennern 107, eine Turbine 108 und das Abgasgehäuse 109.
Die Ringbrennkammer 110 kommuniziert mit einem beispielsweise ringförmigen Heißgaskanal 111. Dort bilden beispielsweise vier hintereinander geschaltete Turbinenstufen 112 die Turbine 108.
Jede Turbinenstufe 112 ist beispielsweise aus zwei Schaufel¬ ringen gebildet. In Strömungsrichtung eines Arbeitsmediums 113 gesehen folgt im Heißgaskanal 111 einer Leitschaufelreihe 115 eine aus Laufschaufeln 120 gebildete Reihe 125.
Die Leitschaufeln 130 sind dabei an einem Innengehäuse 138 eines Stators 143 befestigt, wohingegen die Laufschaufeln 120 einer Reihe 125 beispielsweise mittels einer Turbinenscheibe 133 am Rotor 103 angebracht sind.
An dem Rotor 103 angekoppelt ist ein Generator oder eine Arbeitsmaschine (nicht dargestellt) . Während des Betriebes der Gasturbine 100 wird vom Verdichter 105 durch das Ansauggehäuse 104 Luft 135 angesaugt und ver¬ dichtet. Die am turbinenseitigen Ende des Verdichters 105 be¬ reitgestellte verdichtete Luft wird zu den Brennern 107 ge¬ führt und dort mit einem Brennmittel vermischt. Das Gemisch wird dann unter Bildung des Arbeitsmediums 113 in der Brennkammer 110 verbrannt. Von dort aus strömt das Arbeitsmedium 113 entlang des Heißgaskanals 111 vorbei an den Leitschaufeln 130 und den Laufschaufeln 120. An den Laufschaufeln 120 entspannt sich das Arbeitsmedium 113 impulsübertragend, so dass die Laufschaufeln 120 den Rotor 103 antreiben und dieser die an ihn angekoppelte Arbeitsmaschine. Die dem heißen Arbeitsmedium 113 ausgesetzten Bauteile unterliegen während des Betriebes der Gasturbine 100 thermischen Belastungen. Die Leitschaufeln 130 und Laufschaufeln 120 der in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums 113 gesehen ersten Turbinenstufe 112 werden neben den die Ringbrennkammer 110 auskleidenden Hitzeschildelementen am meisten thermisch belastet .
Um den dort herrschenden Temperaturen standzuhalten, können diese mittels eines Kühlmittels gekühlt werden.
Ebenso können Substrate der Bauteile eine gerichtete Struktur aufweisen, d.h. sie sind einkristallin ( SX-Struktur) oder weisen nur längsgerichtete Körner auf (DS-Struktur) .
Als Material für die Bauteile, insbesondere für die Turbinen¬ schaufel 120, 130 und Bauteile der Brennkammer 110 werden beispielsweise eisen-, nickel- oder kobaltbasierte Superle- gierungen verwendet.
Solche Superlegierungen sind beispielsweise aus der EP 1 204 776 Bl, EP 1 306 454, EP 1 319 729 AI, WO 99/67435 oder WO 00/44949 bekannt.
Ebenso können die Schaufeln 120, 130 Beschichtungen gegen Korrosion (MCrAlX; M ist zumindest ein Element der Gruppe Eisen (Fe) , Kobalt (Co) , Nickel (Ni) , X ist ein Aktivelement und steht für Yttrium (Y) und/oder Silizium, Scandium (Sc) und/oder zumindest ein Element der Seltenen Erden bzw. Hafnium) . 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 AI.
Auf der MCrAlX kann noch eine Wärmedämmschicht vorhanden sein, und besteht beispielsweise aus Zr02, Y203-Zr02, d.h. sie ist nicht, teilweise oder vollständig stabilisiert durch Ytt¬ riumoxid und/oder Kalziumoxid und/oder Magnesiumoxid.
Durch geeignete Beschichtungsverfahren wie z.B. Elektronen- strahlverdampfen (EB-PVD) werden stängelförmige Körner in der Wärmedämmschicht erzeugt.
Die Leitschaufel 130 weist einen dem Innengehäuse 138 der Turbine 108 zugewandten Leitschaufelfuß (hier nicht darge- stellt) und einen dem Leitschaufelfuß gegenüberliegenden Leitschaufelkopf auf. Der Leitschaufelkopf ist dem Rotor 103 zugewandt und an einem Befestigungsring 140 des Stators 143 festgelegt .
Die Figur 4 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 Schaufel- spitze 415 eine weitere Plattform aufweisen (nicht darge¬ stellt) .
Im Befestigungsbereich 400 ist ein Schaufelfuß 183 gebildet, der zur Befestigung der Laufschaufeln 120, 130 an einer Welle oder einer Scheibe dient (nicht dargestellt) .
Der Schaufelfuß 183 ist beispielsweise als Hammerkopf ausge¬ staltet. Andere Ausgestaltungen als Tannenbaum- oder Schwalbenschwanzfuß sind möglich.
Die Schaufel 120, 130 weist für ein Medium, das an dem Schau- felblatt 406 vorbeiströmt, eine Anströmkante 409 und eine Ab¬ strömkante 412 auf.
Bei herkömmlichen Schaufeln 120, 130 werden in allen 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 AI, WO 99/67435 oder WO 00/44949 bekannt.
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 wer- den als Bauteile für Maschinen eingesetzt, die im Betrieb hohen 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 Struktur, d.h. zum einkristallinen Werkstück, oder gerichtet erstarrt.
Dabei werden dendritische Kristalle entlang dem Wärmefluss ausgerichtet und bilden entweder eine stängelkristalline Kornstruktur (kolumnar, d.h. Körner, die über die ganze Länge des Werkstückes verlaufen und hier, dem allgemeinen Sprachgebrauch nach, als gerichtet erstarrt bezeichnet werden) oder eine einkristalline Struktur, d.h. das ganze Werkstück be¬ steht aus einem einzigen Kristall. In diesen Verfahren muss man den Übergang zur globulitischen (polykristallinen) Erstarrung meiden, da sich durch ungerichtetes Wachstum notwendigerweise transversale und longitudinale Korngrenzen ausbil¬ den, welche die guten Eigenschaften des gerichtet erstarrten oder einkristallinen Bauteiles zunichte machen.
Ist allgemein von gerichtet erstarrten Gefügen die Rede, so sind damit sowohl Einkristalle gemeint, die keine Korngrenzen oder höchstens Kleinwinkelkorngrenzen aufweisen, als auch Stängelkristallstrukturen, die wohl in longitudinaler Richtung verlaufende Korngrenzen, aber keine transversalen Korn- grenzen aufweisen. Bei diesen zweitgenannten kristallinen
Strukturen spricht man auch von gerichtet erstarrten Gefügen (directionally solidified structures) . Solche Verfahren sind aus der US-PS 6,024,792 und der EP 0 892 090 AI bekannt.
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) ,
Nickel (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 AI.
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) .
Vorzugsweise weist die SchichtZusammensetzung Co-30Ni-28Cr- 8A1-0, 6Y-0, 7Si oder Co-28Ni-24Cr-10Al-0, 6Y auf. Neben diesen kobaltbasierten Schutzbeschichtungen werden auch vorzugsweise nickelbasierte Schutzschichten verwendet wie Ni-10Cr-12Al- 0,6Y-3Re oder Ni-12Co-21Cr-llAl-0, 4Y-2Re oder Ni-25Co-17Cr- 10A1-0, 4Y-1, 5Re . Auf der MCrAlX kann noch eine Wärmedämmschicht vorhanden sein, die vorzugsweise die äußerste Schicht ist, und besteht beispielsweise aus Zr02, Y2Ü3-Zr02, 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 Beschichtungsverfahren wie z.B. Elektronen- strahlverdampfen (EB-PVD) werden stängelförmige Körner in der Wärmedämmschicht erzeugt.
Andere Beschichtungsverfahren sind denkbar, z.B. atmosphäri- sches 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 Figur 5 zeigt eine Brennkammer 110 einer Gasturbine.
Die Brennkammer 110 ist beispielsweise als so genannte Ring¬ brennkammer ausgestaltet, bei der eine Vielzahl von in Um- fangsrichtung um eine Rotationsachse 102 herum angeordneten Brennern 107 in einen gemeinsamen Brennkammerraum 154 münden, die Flammen 156 erzeugen. Dazu ist die Brennkammer 110 in ihrer Gesamtheit als ringförmige Struktur ausgestaltet, die um die Rotationsachse 102 herum positioniert ist.
Zur Erzielung eines vergleichsweise hohen Wirkungsgrades ist die Brennkammer 110 für eine vergleichsweise hohe Temperatur des Arbeitsmediums M von etwa 1000°C bis 1600°C ausgelegt. Um auch bei diesen, für die Materialien ungünstigen Betriebsparametern eine vergleichsweise lange Betriebsdauer zu ermög¬ lichen, ist die Brennkammerwand 153 auf ihrer dem Arbeitsme¬ dium M zugewandten Seite mit einer aus Hitzeschildelementen 155 gebildeten Innenauskleidung versehen.
Jedes Hitzeschildelement 155 aus einer Legierung ist arbeits- mediumsseitig mit einer besonders hitzebeständigen Schutzschicht (MCrAlX-Schicht und/oder keramische Beschichtung) ausgestattet oder ist aus hochtemperaturbeständigem Material (massive keramische Steine) gefertigt.
Diese Schutzschichten können ähnlich der Turbinenschaufeln sein, also bedeutet beispielsweise MCrAlX: M ist zumindest ein Element der Gruppe Eisen (Fe) , Kobalt (Co) , Nickel (Ni) , X ist ein Aktivelement und steht für Yttrium (Y) und/oder Silizium und/oder zumindest ein Element der Seltenen Erden, bzw. 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 AI.
Auf der MCrAlX kann noch eine beispielsweise keramische Wär¬ medämmschicht vorhanden sein und besteht beispielsweise aus ZrÜ2, Y203~Zr02, d.h. sie ist nicht, teilweise oder vollstän- dig stabilisiert durch Yttriumoxid und/oder Kalziumoxid und/oder Magnesiumoxid.
Durch geeignete Beschichtungsverfahren wie z.B. Elektronen- strahlverdampfen (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. Wiederaufarbeitung (Refurbishment ) bedeutet, dass Hitze¬ schildelemente 155 nach ihrem Einsatz gegebenenfalls von Schutzschichten befreit werden müssen (z.B. durch Sandstrahlen) . Danach erfolgt eine Entfernung der Korrosions- und/oder Oxidationsschichten bzw. -produkte. Gegebenenfalls werden auch noch Risse in dem Hitzeschildelement 155 repariert.
Danach erfolgt eine Wiederbeschichtung der Hitzeschildelemente 155 und ein erneuter Einsatz der Hitzeschildelemente 155. Aufgrund der hohen Temperaturen im Inneren der Brennkammer
110 kann zudem für die Hitzeschildelemente 155 bzw. für deren Halteelemente ein Kühlsystem vorgesehen sein. Die Hitzeschildelemente 155 sind dann beispielsweise hohl und weisen ggf. noch in den Brennkammerraum 154 mündende Kühllöcher (nicht dargestellt) auf.

Claims

Patentansprüche
1. Schichtsystem (1),
das zumindest zwei Schichten (7, 13) aufweist,
eine innenliegende Schicht (7) auf der Grenzoberfläche (16) eines Substrats (4),
insbesondere direkt auf der Grenzoberfläche (16),
wobei die innenliegende Schicht (7) eine gewisse Rauheit (Rs) im Bereich der Oberfläche (10) zu der äußeren Schicht (13),
aufgrund der bekannten Beschichtungsverfahren,
insbesondere durch thermische Beschichtungsverfahren, ganz insbesondere durch Plasmaspritzen und/oder durch HVOF aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Rauheit (R4i ) der Grenzoberfläche (16) des
Substrats (4) gezielt eingestellt wird
oder
nach seiner Herstellung, insbesondere nach dem Gießen, bearbeitet wird,
insbesondere vergrößert wird.
2. Schichtsystem nach Anspruch 1,
bei dem eine Schichtdicken-Mittellinie (33) der Schicht (7) mehrfach gebogen,
insbesondere mindestens 5mal,
ganz insbesondere zumindest stellenweise periodisch gebogen ist .
3. Schichtsystem nach einem oder beiden der Ansprüche 1 oder 2,
bei dem das Substrat (4) auf seiner Grenzoberfläche (16) zumindest stellenweise, insbesondere vollständig eine Periodizität aufweist.
4. Schichtsystem nach einem oder mehreren der
vorhergehenden Ansprüche 1, 2 oder 3,
bei dem die Grenzoberfläche (16) des Substrats (4) mit
Bergen (20) und Täler (23) eine Welligkeit mit einer
Periodizität aufweist und
die Oberfläche (10) keine Periodizität aufweist,
wenn Berge (20) und Täler (23) nicht vorhanden wären.
5. Schichtsystem nach Anspruch 3,
bei dem die Periodizität der Welligkeit der Grenzoberfläche (16) mit Berg (20) und Tal (23) mindestens 20%,
insbesondere 30% größer ist als die Periodizität der
Oberfläche (10) der Schicht (7),
wenn Berge (20) und Täler (23) nicht vorhanden wären.
6. Schichtsystem nach einem oder mehreren der
vorhergehenden Ansprüche,
bei dem die Rauheit die mittlere Rauheit (Ra) ist.
7. Schichtsystem nach einem oder mehreren der
vorhergehenden Ansprüche,
bei dem die Rauheit die quadratische Rauheit (Rq) ist.
8. Schichtsystem nach einem oder mehreren der
vorhergehenden Ansprüche,
bei dem die Rauheit (R4i ) der Grenzoberfläche (16) des Substrats (4) mit Bergen (20) und Tälern (23) mindestens 20%, insbesondere mindestens 30% größer ist als die Rauheit (Rs) der Grenzfläche (16)
wenn Berge (20) und Täler (23) nicht vorhanden wären.
9. Schichtsystem nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche,
bei dem der Unterschied (R7i) zwischen höchstem Berg (20') und tiefstem Tal (23') der Schicht (7) im Vergleich zum maximalen Unterschied (Rs) zwischen höchster Erhöhung
(224') einer innenliegenden Schicht (7) und tiefstem Tal (221') der innenliegenden Schicht (7) mindestens 20%, insbesondere 30%, beträgt,
wenn Berge (20) und Täler (23) nicht vorhanden wären.
10. Schichtsystem nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche,
bei dem der maximale Abstand zwischen zwei benachbarten Erhöhungen (224') der Grenzoberfläche (10) zur äußeren
Schicht (13) d± beträgt,
bei dem der kleinste Abstand zwischen zwei Bergen (20') einer Grenzoberfläche (10) der Schicht (7) Di beträgt und bei dem Di mindestens 20%, insbesondere 30% größer ist als d±.
11. Schichtsystem nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche,
bei dem der maximale Abstand zwischen zwei benachbarten
Erhöhung (224) und tiefster Vertiefung (221) beträgt, bei dem der kleinste Unterschied zwischen Berg (20) und Tal (23) der bearbeiteten Grenzoberfläche (16) des Substrats (4) D'i beträgt und
bei dem D'i mindestens 20%, insbesondere 30% größer ist als d'i.
12. Schichtsystem nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche,
bei dem die innenliegende Schicht (7) eine metallische Haftschicht ist,
auf der eine äußere keramische Schicht (13) aufgebracht ist .
13. Schichtsystem nach einem oder mehreren der
vorhergehenden Ansprüche,
bei dem das Substrat (4) nur lokal eine größere Rauheit oder eine Periodizität aufweist,
insbesondere bei einer Turbinenschaufel (120, 130) das Schaufelblatt (406) zumindest teilweise,
ganz insbesondere vollständig.
14. Schichtsystem nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche,
bei dem das Substrat (4) metallisch ist.
15. Verfahren zur Herstellung eines Schichtsystems nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 14, bei dem durch eine Laserbearbeitung eine Struktur in der Grenzoberfläche (16) des Substrats (4) erzeugt wird.
16. Verfahren zur Herstellung eines Schichtsystems nach einem oder mehreren der vorhergehenden Patentansprüche 1 bis 14,
bei dem das Substrat (4) schon durch das Gießen eine strukturierte Grenzoberfläche (16) aufweist,
die eine Welligkeit in der Grenzoberfläche (10) der Schicht (7) ergibt.
PCT/EP2012/068055 2011-11-14 2012-09-14 Schichtsystem mit strukturierter substratoberfläche und verfahren zur herstellung WO2013072092A1 (de)

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