DE102006044706B4 - Schichtstruktur, deren Anwendung und Verfahren zur Herstellung einer Schichtstruktur - Google Patents

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Abstract

Schichtstruktur mit einem Substrat (3) aus einem Substratmaterial und einer auf dem Substrat (3) befindlichen korrosions- und/oder oxidationshemmenden Schicht (1, 101) die nanoskalige Opferanodenteilchen (5, 105) aus einem Opferanodenmaterial umfasst und in dem die Opferanodenteilchen (5, 105) mit einem vom Opferanodenmaterial verschiedenen Kapselungsmaterial (7, 107) gekapselt sind, dadurch gekennzeichnet, dass das Kapselungsmaterial (7, 107) Substratmaterial oder eine Komponente davon ist.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schichtstruktur mit einem Substrat aus einem Substratmaterial und einer auf dem Substrat befindlichen korrosions- und/oder oxidationshemmenden Schicht und deren Anwendung bzw. ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Schichtstruktur.
  • Korrosions- und/oder oxidationshemmende Schichten und Beschichtungen kommen dort zur Anwendung, wo Bauteile korrosiven Heißgasen ausgesetzt sind. Insbesondere ist dies bei Turbinenbauteilen wie etwa Gasturbinenlauf- oder Leitschaufeln oder Elementen von Brennkammerauskleidungen der Fall.
  • Eine typische korrosions- und/oder oxidationshemmende Beschichtung ist die so genannte MCrAlX-Beschichtung, wobei M zumindest für ein Element der Gruppe aus Eisen (Fe), Kobalt (Co), Nickel (Ni) und X für ein Aktivelement, etwa Yttrium (Y) und/oder Silizium und/oder zumindest ein Element der seltenen Erden oder Hafnium (Hf) stehen. Solche Legierungen sind beispielsweise aus EP 0 486 489 B1 , EP 0 786 017 B1 , EP 0 412 397 B1 oder EP 1 306 454 A1 bekannt. Derartige Beschichtungen enthalten Aluminiumphasen, in denen das Aluminium als Opferanode wirkt, indem es beispielsweise mit Feuchtigkeitsfilmen auf der Oberfläche und dem zu schützenden Material eine galvanische Zelle bildet. Dabei wird Aluminium verbraucht, was im Laufe der Zeit die Wirkung einer MCrAlX-Beschichtung vermindert und nach einer gewissen Betriebsdauer das Entfernen der Beschichtung von Bauteilen und ein Neubeschichten notwendig macht.
  • Gemäß der EP 1 586 676 A1 ist eine Beschichtung beispielsweise für Turbinenschaufeln bekannt, mit der selbige repariert werden können. Die zu Reparaturzwecken aufgebrachte Beschichtung weist Nanopartikel auf, welche mit einem Kapselungsmaterial gekapselt sein können. Es können beispielsweise Aluminiumpartikel zum Einsatz kommen, welche mit einer Oxidschicht gekapselt sind.
  • Gemäß der EP 1 645 538 A1 ist es außerdem bekannt, dass nanoskalige Keramikpartikel in Schichten insbesondere auf Turbinenbauteilen zum Einsatz kommen können. Die nanoskaligen Keramikpartikel sind in der Matrix der Beschichtung eingelagert.
  • Gemäß der nachveröffentlichten DE 10 2005 047 739 B3 ist es weiterhin bekannt, nanoskalige gekapselte Nanopartikel in Schichten zu verwenden, die bei Überschreiten einer bestimmten Grenztemperatur einen Farbstoff freisetzen, indem die Verkapselung zerstört wird. Hierdurch wird eine irreversible Farbänderung der Beschichtung hervorgerufen, die beispielsweise ein Überschreiten zulässiger Betriebstemperaturen anzeigen kann.
  • Gemäß der nachveröffentlichten DE 10 2005 062 225 B3 kann eine Schicht für Turbinenschaufeln beispielsweise aus einer MCrAlY-Beschichtung bestehen, wobei an den Korngrenzen der Gefügekörner aus diesem Material Partikel aus Aluminiumoxid angelagert werden können, welche selbst eine Oxidschicht als Kapselung aufweisen.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Schichtstruktur bzw. deren Anwendung anzugeben, welche eine korrosions- und/oder oxidationshemmende Schicht mit einem Opferanodenmaterial aufweist und die eine längere Betriebsdauer in einer korrosiven und/oder oxidativen Heißgasumgebung ermöglicht. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Herstellen einer Schichtstruktur, welche eine längere Betriebsdauer der Schichtstruktur in einer korrosiven und/oder oxidativen Heißgasumgebung ermöglicht, zur Verfügung zu stellen.
  • Diese Aufgaben werden durch eine Schichtstruktur nach Anspruch 1, deren Verwendung nach Anspruch 8 bzw. ein Verfahren zum Herstellen einer Schichtstruktur nach Anspruch 9 gelöst. Die abhängigen Ansprüche enthalten vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
  • Eine erfindungsgemäße Schichtstruktur weist ein Substrat aus einem Substratmaterial und eine auf dem Substrat befindliche korrosions- und/oder oxidationshemmende Schicht mit einem Opferanodenmaterial auf. Weiterhin umfasst die erfindungsgemäße Schichtstruktur nanoskalige Opferanodenteilchen aus dem Opferanodenmaterial, die mit einem vom Opferanodenmaterial verschiedenen Kapselungsmaterial gekapselt sind.
  • Die gekapselten Opferanodenteilchen stellen ein Depot für Opferanodenmaterial dar, welches im Laufe des Betriebs der Schichtstruktur in einer korrosiven und/oder oxidativen Heißgasumgebung verbrauchtes Opferanodenmaterial nachliefert. Das Opferanodenmaterial der nanoskaligen Opferanodenteilchen kann hierzu durch die Beschichtung diffundieren und verbrauchtes Opferanodenmaterial ersetzen. Hierbei ist jedoch darauf zu achten, dass die Diffusion nicht zu früh erfolgt, da dies lediglich zur Agglomeration von nanoskaligen Opferanodenteil chen in manchen Bereichen der Beschichtung führen würde, wodurch andere Bereiche der Beschichtung an nanoskaligen Opfer anodenteilchen verarmen würden. Um eine vorzeitige Diffusion der Opferanodenteilchen zu unterdrücken, sind diese daher gekapselt. Aufgrund des Kapselungsmaterials ist die Diffusion der Opferanodenteilchen verlangsamt, so dass der Agglomerationsprozess und damit die Verarmung von Beschichtungsbereichen unterdrückt sind. Es steht daher über einen langen Zeitraum in allen Bereichen des korrosions- und/oder oxidationshemmenden Beschichtungsmaterials Nachschub für verbrauchtes Opferanodenmaterial zur Verfügung, insbesondere wenn eine homogene Verteilung der Opferanodenteilchen in der korrosions- und/oder oxidationshemmenden Schicht vorliegt.
  • Als Kapselungsmaterial findet erfindungsgemäß beispielsweise das Substratmaterial oder eine Komponente davon Verwendung. Das Substratmaterial kann eine Superlegierung aus Eisen-, Kobalt- oder Nickelbasis sein, wie sie insbesondere für Turbinenbauteile, wie etwa Lauf- oder Leitschaufeln von Gasturbinen Verwendung findet. In diesem Fall kann das Kapselungsmaterial beispielsweise Eisen, Kobalt oder Nickel sein. Als Opferanodenmaterial kann insbesondere Aluminium Verwendung finden. Aber auch andere Materialien, die leichter Elektronen abgeben als der Hauptbestandteil des Substratmaterials, sind als Opferanodenmaterial geeignet. Im Falle von Superlegierungen auf Eisen-, Kobalt- oder Nickelbasis sind dies also Materialien, die leichter Elektronen abgeben als Eisen, Kobalt oder Nickel. Geeignete Materialien für diese Fälle wären beispielsweise Chrom (Cr), Zink (Zn), Titan (Ti), Vanadium (V), Lanthan (La), Magnesium (Mg) oder Cer (Ce).
  • Wenn die gekapselten Opferanodenteilchen außerdem über Polymere miteinander vernetzt werden, kann die Verteilung der Opferanodenteilchen in der korrosions- und/oder oxidationshemmenden Schicht besonders lange stabil gehalten werden. Dadurch kann einer Agglomeration weiter entgegengewirkt und die Betriebsdauer, bis die korrosions- und/oder oxidationshemmende Schicht ausgetauscht werden muss, weiter verlängert werden.
  • Als korrosions- und/oder oxidationshemmende Schicht kann insbesondere eine MCrAlX-Schicht Verwendung finden.
  • In der erfindungsgemäßen Schichtstruktur kann das Substrat insbesondere der Grundkörper eines Turbinenbauteils, beispielsweise einer Leit- oder Laufschaufel einer Gasturbine oder ein Element einer Brennkammerauskleidung sein.
  • Im erfindungsgemäßen Verfahren zum Herstellen einer Schichtstruktur mit über Polymere miteinander vernetzten nanoskaligen Opferanodenteilchen wird auf ein Substrat ein Beschichtungsmaterial aufgebracht, das nanoskalige Opferanodenteilchen aus einem Opferanodenmaterial umfasst. Die Opferanodenteilchen sind mit einem vom Opferanodenmaterial verschiedenen Kapselungsmaterial gekapselt. Außerdem ist das Kapselungsmaterial von einer Polymerhülle umgeben. Nach dem Aufbringen des Beschichtungsmaterials erfolgt eine Wärmebehandlung, deren Zeit- und Temperatursteuerung so gewählt ist, dass eine Vernetzung der Polymerhüllen erfolgt. Das Verfahren ermöglich insbesondere das Herstellen von erfindungsgemäßen Schichtsystemen, in den einer Diffusion der Opferanodenteilchen besonders wirksam entgegengewirkt ist.
  • Weitere Merkmale, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren.
  • 1A zeigt in einer schematischen Darstellung eine erfindungsgemäße Schichtstruktur in Aufsicht.
  • 1B zeigt die Schichtstruktur aus 1A in einer Querschnittsansicht.
  • 2 zeigt in einer schematischen Darstellung einen Herstellungsschritt für eine erfindungsgemäße Schichtstruktur gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel.
  • 3A zeigt in einer schematischen Darstellung ein zweites Ausführungsbeispiel für die erfindungsgemäße Schichtstruktur in einer Aufsicht.
  • 3B zeigt die erfindungsgemäße Schichtstruktur aus 3A in einer Querschnittsansicht.
  • Eine erfindungsgemäße Schichtstruktur ist stark schematisiert in den 1A und 1B dargestellt. Die Figuren zeigen einen Ausschnitt aus der Schichtstruktur in Aufsicht (1A) und in einer Querschnittansicht (1B). Die Ansichten repräsentieren die Aufsicht auf eine mit einer korrosions- und/oder oxidationshemmenden Beschichtung versehene Turbinenschaufel (1A) beziehungsweise ebenfalls stark schematisiert einen Querschnitt durch die Wand einer beschichteten Turbinenschaufel (1B).
  • Während in 1B die korrosions- und/oder oxidationshemmende Beschichtung 1 sowie der Grundkörper 3 der Turbinenschaufel, welcher das Substrat für die Beschichtung 1 bildet, zu erkennen sind, ist in 1A lediglich die Beschichtung 1 zu erkennen.
  • Die Beschichtung 1 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel eine MCrAlX-Beschichtung, die eine Aluminiumkomponente ent hält. Das Aluminium dient als Opferanode zum Korrosions- und/oder Oxidationsschutz. Auf der MCrAlX-Beschichtung kann optional noch eine wärmedämmende Beschichtung (TBC, Thermal Barrier Coating) vorhanden sein, die in den Figuren nicht dargestellt ist. Derartige Wärmedämmbeschichtungen sind beispielsweise Beschichtungen aus Zirkonoxid (ZrO2), dessen Gitterstruktur durch die Zugabe von Yttriumoxid (Y2O3) stabilisiert oder wenigstens teilstabilisiert ist. Selbstverständlich können statt der MCrAlX-Beschichtung auch andere korrosions- und/oder oxidationshemmende Beschichtungen 1 zur Anwendung kommen. Andere optionale Wärmedämmschichten als die beschriebene sind ebenfalls möglich.
  • Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind in der MCrAlX-Beschichtung 1 nanoskalige Aluminiumpartikel 5 homogen verteilt. Ihre Abmessungen betragen weniger als 1 Mikrometer und liegen im Bereich bis etwa 100 Nanometer, insbesondere im Bereich zwischen 30 und 50 Nanometer. Die Aluminiumpartikel 5 im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind nicht zu verwechseln mit der Aluminiumkomponente MCrAlX-Beschichtung 1, vielmehr stellen sie ein Depot an Aluminium dar, aus dem heraus verbrauchtes Aluminium der Aluminiumkomponente in der MCrAlX-Beschichtung ersetzt wird. Auf diese Weise lässt sich die Lebensdauer der MCrAlX-Beschichtung verlängern. Erst wenn auch das Aluminium der nanoskaligen Aluminiumpartikel 5 verbraucht ist, muss die Beschichtung erneuert werden.
  • Das Ersetzen des Aluminiums in der Aluminiumkomponente erfolgt durch Diffusion der nanoskaligen Aluminiumpartikel 5 in Bereiche, die an Aluminium verarmt sind. Dabei ist jedoch darauf zu achten, dass sich aufgrund der Diffusionsprozesse keine Agglomerate oder nur sehr kleine Agglomerate von Aluminiumpartikeln 5 bilden, da durch die Agglomeration die homogene Verteilung der nanoskaligen Aluminiumpartikel 5 beein trächtigt wird. Außerdem ist es vorteilhaft, wenn die Diffusion der Aluminiumteilchen solange verzögert wird, bis verbrauchtes Aluminium in der MCrAlX-Beschichtung zu ersetzen ist. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die nanoskaligen Aluminiumpartikel mit Nickel gekapselt. Die Kapselung 7 der nanoskaligen Aluminiumpartikel 5 verlangsamt die Diffusion, wodurch die homogene Verteilung der Aluminiumpartikel länger erhalten bleibt, was in der Folge zur verbesserten Korrosions- und/oder Oxidationseigenschaften der Beschichtung 1 führt.
  • Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist Nickel als Material der Kapselung 7 gewählt. Dies bietet sich insbesondere dann an, wenn das Basismaterial des Grundkörpers 3 der Turbinenschaufel eine auf Nickel basierende Superlegierung ist. Statt Nickel kann jedoch auch anderes Kapselungsmaterial wie etwa Kobalt Verwendung finden. Die Verwendung von Kobalt, als Kapselungsmaterial bietet sich insbesondere dann an, wenn statt der auf Nickel basierenden Superlegierung eine auf Kobalt basierende Superlegierung Verwendung findet.
  • Es sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass statt der beschriebenen MCrAlX-Beschichtung auch andere mit Opferanodenelementen versehenen korrosions- und/oder oxidationshemmende Beschichtungen mit gekapselten nanoskaligen Partikeln aus Opferanodenmaterial versehen sein können. Auch muss das Opferanodenmaterial nicht notwendigerweise Aluminium sein. Im Grunde reicht es aus, wenn das Opferanodenmaterial, also das Material der nanoskaligen Partikel, leichter Elektronen abgibt als das durch die Beschichtung zu schützende Material.
  • Ein zweites Ausführungsbeispiel für die erfindungsgemäße Schichtstruktur ist in den 3A und 3B dargestellt. Wie die 1A und 1B stellen die 3A und 3B stark schematisiert Ausschnitte aus einer Turbinenschaufel dar.
  • Wie im ersten Ausführungsbeispiel ist die Beschichtung 101 mit nanoskaligen Aluminiumpartikeln 105 versehen, die von einer Nickel-Kapselung 107 umgeben sind. Zusätzlich sind die gekapselten Aluminiumpartikel noch über Polymere 109 miteinander vernetzt. Auf diese Weise kann eine stabile Gitterstruktur der gekapselten Aluminiumpartikel 105 erzeugt werden, die einer vorzeitigen Diffusion der Aluminiumpartikel 105 weiter entgegenwirkt. Die Lebensdauer der Beschichtung 101 in einer korrosiven und/oder oxidierenden Heißgasumgebung kann daher gegenüber der Beschichtung 1 aus dem ersten Ausführungsbeispiel weiter verlängert werden. Im Übrigen und insbesondere im Hinblick auf die Materialien des Grundkörpers 3, der Beschichtung 101, der nanoskaligen Partikel 105 sowie des Kapselung 107 gilt das mit Bezug auf das erste Ausführungsbeispiel ausgeführte analog.
  • Wie im ersten Ausführungsbeispiel kann auch im zweiten Ausführungsbeispiel optional eine wärmedämmende Beschichtung auf der korrosions- und/oder oxidationshemmenden Beschichtung 101 vorhanden sein.
  • Das Herstellen der Beschichtung 101 mit den vernetzten nanoskaligen Aluminiumpartikeln 105 kann erfolgen, indem eine Beschichtung aufgebracht wird, in der die gekapselten nanoskaligen Aluminiumpartikel außerdem eine Polymerhülle 111 aufweisen, welche die gekapselten Partikel umgeben. Durch eine Wärmebehandlung mit einer geeigneten Zeit- und Temperatursteuerung kommt es zu einer Vernetzung der Polymerhüllen 111 miteinander, so dass als Resultat die vernetzte Struktur aus 3A und 3B entsteht.
  • Die in den Ausführungsbeispielen beschriebene Erfindung zeigt einen Weg, die Korrosions- und/oder Oxidationsresistenz einer Schicht dadurch zu verbessern, dass eine homogene Verteilung des Opferanodenmaterials im Material länger beibehalten wird. Dies wird durch eine Verzögerung der Diffusion von Opferanodenpartikeln erreicht, welche sich durch eine Kapselung der Opferanodenpartikel erzielen lässt. Die Diffusion kann weiter verzögert werden, wenn die Partikel aus Opferanodenmaterial miteinander vernetzt werden.

Claims (9)

  1. Schichtstruktur mit einem Substrat (3) aus einem Substratmaterial und einer auf dem Substrat (3) befindlichen korrosions- und/oder oxidationshemmenden Schicht (1, 101) die nanoskalige Opferanodenteilchen (5, 105) aus einem Opferanodenmaterial umfasst und in dem die Opferanodenteilchen (5, 105) mit einem vom Opferanodenmaterial verschiedenen Kapselungsmaterial (7, 107) gekapselt sind, dadurch gekennzeichnet, dass das Kapselungsmaterial (7, 107) Substratmaterial oder eine Komponente davon ist.
  2. Schichtstruktur nach Anspruch 1, in der die Opferanodenteilchen (5, 105) homogen in der korrosions- und/oder oxidationshemmenden Schicht (1, 101) verteilt sind.
  3. Schichtstruktur nach einem der vorangehenden Ansprüche, in der das Opferanodenmaterial Aluminium ist.
  4. Schichtstruktur nach einem der vorangehenden Ansprüche, in der das Substratmaterial eine Superlegierung auf Eisen-, Kobalt- oder Nickelbasis ist.
  5. Schichtstruktur nach Anspruch 4, in der das Kapselungsmaterial Eisen, Kobalt oder Nickel ist.
  6. Schichtstruktur nach einem der vorangehenden Ansprüche, in der die gekapselten Opferanodenteilchen (105) über Polymere (109) miteinander vernetzt sind.
  7. Schichtstruktur nach einem der vorangehenden Ansprüche, in der die korrosions- und/oder oxidationshemmende Schicht eine MCrAlX-Schicht ist.
  8. Anwendung einer Schichtstruktur nach einem der vorangehenden Ansprüche, in der das Substrat (3) der Grundkörper eines Turbinenbauteils ist.
  9. Verfahren zum Herstellen einer Schichtstruktur nach Anspruch 6, wobei – nanoskalige Opferanodenteilchen (105) mit einem vom Opferanodenmaterial verschiedenen Kapselungsmaterial (107) aus Substratmaterial oder einer Komponente davon gekapselt werden, – das Kapselungsmaterial (107) mit einer Polymerhülle (111) umgeben wird sowie – die gekapselten und mit der Polymerhülle umgebenen Opferanodenteilchen (105) auf das Substrat als Beschichtungsmaterial aufgebracht werden und – nach dem Aufbringen des Beschichtungsmaterials eine Wärmebehandlung durchgeführt wird, deren Zeit- und Temperatursteuerung so gewählt ist, dass eine Vernetzung der Polymerhüllen (111) erfolgt.
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