DE102005050873B4 - Process for producing a segmented coating and component produced by the process - Google Patents
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Abstract
Verfahren zur Herstellung einer durch Rissbildung segmentierten Beschichtung (1), nämlich einer Keramikschicht auf einem metallischen, wärmebelasteten Bauteil,wobei auf der Oberfläche des Bauteils (2) eine aus regelmäßig angeordneten und übereinstimmend dimensionierten Erhöhungen (4) oder Vertiefungen (8) bestehende dreidimensionale Oberflächenstruktur (3) erzeugt wird,wobei die Erhöhungen (4) am Kopf breiter sind als am Fuß oder die Vertiefungen (8) an der Oberfläche kleiner sind als am Boden, sodass an den Erhöhungen (4) oder in den Vertiefungen (8) der Oberflächenstruktur zur Verklammerung mit der Beschichtung (1) Hinterschneidungen (5) erzeugt werden,wobei auf die dreidimensionale Oberflächenstruktur (3) das keramische Beschichtungsmaterial durch Plasmaspritzen aufgetragen wird undentsprechend dem Abstand der Erhöhungen eine von diesen ausgehende kontrollierte Segmentierungsrissbildung zur Erzeugung von im Wesentlichen gleich dimensionierten Schichtsegmenten (9) initiiert wird.Method for producing a coating (1) segmented by crack formation, namely a ceramic layer on a metallic, heat-loaded component, with a three-dimensional surface structure consisting of regularly arranged and correspondingly dimensioned elevations (4) or depressions (8) on the surface of the component (2) (3) is generated, wherein the elevations (4) on the head are wider than on the foot or the depressions (8) on the surface are smaller than on the bottom, so that on the elevations (4) or in the depressions (8) of the surface structure undercuts (5) are produced for clamping with the coating (1), the ceramic coating material being applied to the three-dimensional surface structure (3) by plasma spraying and, depending on the spacing of the elevations, a controlled segmentation cracking emanating from these to produce essentially equally dimensioned layer segments ( 9) is initiated.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer durch Rissbildung segmentierten Beschichtung, nämlich einer Keramikschicht auf einem metallischen, wärmebelasteten Bauteil sowie ein nach dem Verfahren hergestelltes Bauteil mit segmentierter Beschichtung.The invention relates to a method for producing a coating segmented by crack formation, namely a ceramic layer on a metallic, heat-stressed component, and a component produced by the method with a segmented coating.
Stand der TechnikState of the art
Es ist bekannt, die Oberfläche von metallischen Bauteilen mit einer keramischen Beschichtung zu versehen, um dadurch die Eigenschaften des Bauteils bzw. des für das Bauteil verwendeten Materials zu beeinflussen. Beispielsweise werden bestimmte metallische Komponenten von Flugtriebwerken, wie Turbinenschaufeln, die einer hohen thermischen Belastung ausgesetzt sind, mit einer plasmagespritzten keramischen Wärmedämmschicht ausgebildet, um die Turbine bei möglichst hohen Temperaturen betreiben zu können bzw. die betreffenden Bauelemente vor einer zu hohen Wärmebelastung und den damit verbunden negativen Auswirkungen auf die Material- bzw. Bauteileigenschaften zu schützen. Die Verwendung von mit einer keramischen Beschichtung versehenen Bauteilen bei hohen Temperaturen bereitet jedoch insofern Schwierigkeiten, als die Beschichtung aufgrund ihres begrenzten Wärmedehnverhaltens gegenüber dem metallischen Substrat beschädigt werden oder abplatzen kann und das Bauteil seine Funktion nicht mehr erfüllen kann und ausgetauscht werden muss. Zwar verfügen die keramischen Schichten infolge ihrer typischerweise mikrorissigen Struktur über eine gewisse Dehnungstoleranz, die jedoch bei einer sehr hohen thermischen Belastung und demzufolge größeren Schichtdicken nicht mehr ausreicht, um eine Beschädigung der Beschichtung dauerhaft zu verhindern.It is known to provide the surface of metallic components with a ceramic coating in order to influence the properties of the component or the material used for the component. For example, certain metallic components of aircraft engines, such as turbine blades, which are exposed to a high thermal load, are formed with a plasma-sprayed ceramic thermal barrier coating in order to be able to operate the turbine at as high a temperature as possible, or the components in question are exposed to excessive heat and the associated protect negative effects on the material or component properties. However, the use of components provided with a ceramic coating at high temperatures presents difficulties insofar as the coating can be damaged or flake off due to its limited thermal expansion behavior in relation to the metallic substrate and the component can no longer fulfill its function and must be replaced. Because of their typically microcracked structure, the ceramic layers have a certain stretch tolerance, which, however, with a very high thermal load and consequently greater layer thicknesses, is no longer sufficient to permanently prevent damage to the coating.
Um die Lebensdauer der keramischen Beschichtung zu erhöhen, ist es weiterhin bekannt, durch bestimmte Verfahrensparameter bei der Herstellung der keramischen Beschichtung so genannte Segmentierungsrisse in der Keramikschicht zu erzeugen. Solche Segmentierungsrisse bilden sich aus, wenn die Temperatur sowohl der aufgespritzten Keramikpartikel als auch des Substrats sehr hoch ist. Beim Abkühlen der Schichten von der Temperatur der Schmelzphase auf die Substrattemperatur treten Zugspannungen auf, die zur Rissbildung und einer Segmentierung der Beschichtung führen. Die Aufteilung der keramischen Beschichtung in durch diese bewusste Rissbildung getrennte Segmente hat ein verbessertes Dehnungsverhalten zur Folge. Die Herstellung einer in der oben beschriebenen Art durch Rissbildung segmentierten keramischen Beschichtung wird beispielsweise in der
Die zuvor beschriebene segmentierte Ausbildung der über den Haftvermittler fixierten keramischen Beschichtung ist jedoch insofern nachteilig, als deren Eigenschaften örtlichen Schwankungen unterliegen, das heißt, es treten lokale Spannungsüberhöhungen auf, die zu einer Schädigung der Keramikschicht führen und damit deren Lebensdauer begrenzen. Die
AufgabenstellungTask
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine durch Rissbildung segmentierte Keramikbeschichtung auf einem metallischen Substrat so auszubilden, dass deren lange Lebensdauer gewährleistet ist, sowie ein Verfahren zur Herstellung der Keramikschicht auf dem Substrat anzugeben.The invention is based on the object of forming a ceramic coating segmented by crack formation on a metallic substrate in such a way that its long service life is ensured, and of specifying a method for producing the ceramic layer on the substrate.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einem Verfahren gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und einem gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 13 ausgebildeten Bauteil gelöst. Weitere Merkmale und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.According to the invention, the object is achieved with a method according to the features of
Der wesentliche Erfindungsgedanke besteht in der Ausbildung einer definierten, regelmäßig angeordneten, gleichbleibend dimensionierten Oberflächenstruktur der zu beschichtenden Bauteiloberfläche, wobei während und nach dem Aufbringen der Beschichtung durch Plasmaspritzen unter bestimmten Prozessbedingungen eine von den in gleicher Dimensionierung und Anordnung vorgesehenen erhöhten Bereichen der Oberflächenstruktur ausgehende definierte Rissbildung in der Beschichtung initiiert wird, so dass in der Beschichtung eine auf der Gestaltung der Oberflächenstruktur basierende Vielzahl von in Form und Größe weitgehend übereinstimmenden Schichtsegmenten oder -säulen erzeugt wird. Die so ausgebildete Beschichtung weist über ihre gesamte Fläche eine homogene Spannungsverteilung mit geringem und gleichmäßigem Dehnungsverhalten auf. Das heißt, trotz unterschiedlicher Dehnung des Bauteils und eines auf diesem aufgebrachten keramischen Beschichtungsmaterials wird auch eine dicke keramische Schicht nicht zerstört, so dass eine lange Lebensdauer des beschichteten Bauteils gewährleistet ist.The main idea of the invention consists in the formation of a defined, regularly arranged, constantly dimensioned surface structure of the component surface to be coated, during and after the application of the coating by plasma spraying under certain process conditions, a defined crack formation starting from the increased areas of the surface structure provided in the same dimensioning and arrangement is initiated in the coating, so that a multitude of layer segments or pillars largely identical in shape and size is generated in the coating based on the design of the surface structure. The coating formed in this way has a homogeneous stress distribution with low and uniform stretching behavior over its entire surface. This means that, despite different expansion of the component and a ceramic coating material applied to it, even a thick ceramic layer is not destroyed, so that a long service life of the coated component is guaranteed.
In Ausgestaltung der Erfindung kann die Oberflächenstruktur mit einer Zwischenschicht zur Haftvermittlung oder zum Korrosions- oder Oxidationsschutz abgedeckt sein. In an embodiment of the invention, the surface structure can be covered with an intermediate layer for promoting adhesion or for protecting against corrosion or oxidation.
Die Oberflächenstruktur wird entweder auf die Oberfläche des Bauteils aufgebracht, so dass in gleichem Abstand gleich große Erhöhungen oder Berge vorhanden sind, oder in die Oberfläche werden im Abstand und in der Tiefe übereinstimmende Vertiefungen eingearbeitet, wobei in diesem Fall die unbearbeiteten Oberflächenbereiche die erhöhten Bereiche darstellen.The surface structure is either applied to the surface of the component so that there are elevations or peaks of equal size at the same distance, or corresponding depressions are worked into the surface at a distance and depth, in which case the unprocessed surface areas represent the raised areas .
Erfindungsgemäß sind die Erhöhungen oder Vertiefungen so geformt, dass an bzw. in diesen Strukturen Hinterschneidungen ausgebildet sind und so eine feste - formschlüssige - Verbindung zwischen der Bauteiloberfläche und der Beschichtung gewährleistet ist.According to the invention, the elevations or depressions are shaped in such a way that undercuts are formed on or in these structures, thus ensuring a firm, form-fitting connection between the component surface and the coating.
Der Abstand zwischen den Erhöhungen/Vertiefungen ist so gewählt, dass möglichst viele Segmentierungsrisse pro Längeneinheit ausgebildet werden. Vorzugsweise beträgt der Abstand etwa 0,05 bis 2mm, während die Höhe der erhöhten Bereiche zwischen 0,02 und 1mm liegt.The distance between the elevations / depressions is chosen so that as many segmentation cracks as possible are formed per unit length. The distance is preferably about 0.05 to 2 mm, while the height of the raised areas is between 0.02 and 1 mm.
Das Beschichtungsmaterial ist sprühgetrocknetes oder feines, geschmolzen gebrochenes Spritzpulver, das bei hohen Partikel- und Substrattemperaturen und hohen Partikelgeschwindigkeiten durch atmosphärisches Plasmaspritzen aufgetragen wird. Es können aber auch Suspensionen oder Vorstufen des Beschichtungsmaterials (Precursor) aufgetragen werden, um poröse segmentierte Beschichtungen herzustellen.The coating material is spray-dried or fine, melted broken spray powder, which is applied at high particle and substrate temperatures and high particle speeds by atmospheric plasma spraying. However, suspensions or precursors of the coating material (precursor) can also be applied in order to produce porous segmented coatings.
Ein gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestelltes Bauteil, beispielsweise eine Turbinenschaufel mit keramischer Beschichtung, weist auf der Bauteiloberfläche regelmäßig angeordnete, übereinstimmend dimensionierte Erhöhungen bzw. Vertiefungen auf, wobei in der Keramikschicht Segmentierungsrisse ausgebildet sind, die von den erhöhten Bereichen der Oberflächenstruktur des Bauteils ausgehen und in der Keramikschicht eine Vielzahl von Schichtsegmenten oder - säulen erzeugen.A component manufactured in accordance with the method according to the invention, for example a turbine blade with a ceramic coating, has regularly arranged, correspondingly dimensioned elevations or depressions on the component surface, segmentation cracks being formed in the ceramic layer, starting from the elevated areas of the surface structure of the component and in generate a large number of layer segments or columns of the ceramic layer.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der in den
-
1 eine schematische Schnittdarstellung eines metallischen Substrats und einer darauf über einen Haftvermittler angebrachten Keramikbeschichtung; -
2 eine Schnittdarstellung der strukturierten Oberfläche des Substrats; -
3a bis3d verschiedene Ausführungsformen von Oberflächenstrukturen des Substrats in einer Draufsicht; und -
4 ein Schliffbild einer Keramikbeschichtung mit in regelmässigem und geringem Abstand eingebrachten Segmentierungsrissen.
-
1 is a schematic sectional view of a metallic substrate and a ceramic coating applied thereon via an adhesion promoter; -
2nd a sectional view of the structured surface of the substrate; -
3a to3d different embodiments of surface structures of the substrate in a plan view; and -
4th a micrograph of a ceramic coating with regular and small spacing cracks.
Gemäß der in
Die Oberflächenstruktur
In den
Prinzipiell ist das Aufbringen einer Zwischenschicht
Die Herstellung der segmentierten keramischen Beschichtung
BezugszeichenlisteReference list
- 11
- Keramikschicht (Beschichtung)Ceramic layer (coating)
- 22nd
- Bauteil (Substrat)Component (substrate)
- 33rd
- OberflächenstrukturSurface structure
- 44th
-
Erhöhungen von
3 Increases of3rd - 55
- HinterschneidungenUndercuts
- 66
- ZwischenschichtIntermediate layer
- 77
- SegmentierungsrisseSegmentation cracks
- 88th
-
Vertiefungen von
3 Deepening of3rd - 99
- Keramische SchichtsegmenteCeramic layer segments
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