DE102009013129A1 - Plastic component with erosion protection layer for applications with erosive stress - Google Patents

Plastic component with erosion protection layer for applications with erosive stress Download PDF

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Falko Heutling
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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Bauteil, welches Luft- oder Gasströmungen ausgesetzt ist und überwiegend aus einem Kunststoffmaterial gebildet ist, so dass das Kunststoffmaterial zumindest zum Teil im Bereich der der Strömung ausgesetzten Oberfläche des Bauteils (1) vorliegt, wobei das Kunststoffmaterial einen Erosionsschutz an der Oberfläche aufweist, und wobei der Erosionsschutz ein Mehrlagenschichtsystem (2, 3; 2, 7, 8, 3) mit mindestens einer oder mehrerer Abfolgen aus mindestens einer Lage aus einem Metall (2) und mindestens einer Lage aus einer Keramik (3) oder aus mindestens zwei unterschiedlich harten Keramikschichten (2, 3) umfasst, sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Luft- oder Gasströmungen ausgesetzten Bauteils mit folgenden Schritten: a) Bereitstellen eines Bauteils (1) aus überwiegend Kunststoff mit zumindest einem Teil einer Oberfläche, welche durch den Kunststoff gebildet ist und Luft- oder Gasströmungen ausgesetzt ist; b) Aufbringen eines Mehrlagenschichtsystems (2, 3; 2, 7, 8, 3) aus mindestens einer oder mehreren Abfolgen aus mindestens einer Lage aus einem Metall und mindestens einer Lage aus einer Keramik oder aus mindestens zwei unterschiedlich harten Keramikschichten auf zumindest den Oberflächenteil, der durch den Kunststoff gebildet ist und Luft- oder Gasströmungen ausgesetzt ist.The present invention relates to a component which is exposed to air or gas flows and is formed predominantly of a plastic material, so that the plastic material is at least partially in the region of the flow-exposed surface of the component (1), wherein the plastic material erosion protection on the And wherein the erosion protection comprises a multilayer system (2, 3; 2, 7, 8, 3) having at least one or more sequences of at least one layer of a metal (2) and at least one layer of a ceramic (3) or at least two differently hard ceramic layers (2, 3), and a method for producing a component exposed to air or gas flows comprising the following steps: a) providing a component (1) made predominantly of plastic with at least a part of a surface, which by the plastic is formed and is exposed to air or gas flows; b) applying a multi-layer system (2, 3, 2, 7, 8, 3) of at least one or more sequences of at least one layer of a metal and at least one layer of a ceramic or of at least two differently hard ceramic layers on at least the surface part, which is formed by the plastic and is exposed to air or gas flows.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNGBACKGROUND OF THE INVENTION

GEBIET DER ERFINDUNGFIELD OF THE INVENTION

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Bauteil, welches Luft- oder Gasströmungen ausgesetzt und überwiegend aus einem Kunststoffmaterial gebildet ist, so dass das Kunststoffmaterial zumindest zum Teil im Bereich der der Strömung ausgesetzten Oberfläche des Bauteils vorliegt, wobei das Kunststoffmaterial einen Erosionsschutz an der Oberfläche aufweist. Außerdem betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines entsprechenden Bauteils mit Erosionsschutzschicht.The The present invention relates to a component which controls air or gas flows exposed and predominantly made of a plastic material is formed, so that the plastic material at least in part in the area of the flow-exposed surface the component is present, wherein the plastic material erosion protection has on the surface. It also concerns the present invention a method for producing a corresponding component with erosion protection layer.

STAND DER TECHNIKSTATE OF THE ART

Erosionsschutzsysteme sind für strömungsbelastete Bauteile insbesondere in der Luftfahrtindustrie seit langem bekannt.Erosion control systems are for flow-loaded components in particular has long been known in the aviation industry.

So werden für metallische Turbinenbauteile in der DE 10 2004 001 392 A1 bzw. der DE 2007 027 335 A1 Verschleißschutzbeschichtungen für Grundwerkstoffe aus Nickelbasislegierungen, Kobaltbasislegierungen, Eisenbasislegierungen oder Titanbasislegierungen beschrieben. Diese Verschleißschutzbeschichtungen für die hochbelasteten metallischen Bauteile einer Gasturbine weisen ein Mehrlagenschichtsystem aus metallischen Teilschichten, Teilschichten aus Metalllegierungen, Metall-Keramik-Teilschichten und/oder Keramikteilschichten auf.Thus, for metallic turbine components in the DE 10 2004 001 392 A1 or the DE 2007 027 335 A1 Wear-resistant coatings for base materials of nickel-base alloys, cobalt-base alloys, iron-base alloys or titanium-based alloys are described. These wear-resistant coatings for the highly stressed metallic components of a gas turbine have a multilayer system of metallic partial layers, partial layers of metal alloys, metal-ceramic partial layers and / or ceramic partial layers.

Neben diesen komplexen und aufwändigen Schichtsystemen für hochbelastete metallische Bauteile aus komplexen Metalllegierungen sind für Kunststoffbauteile in der Flugzeugindustrie, wie beispielsweise Rotorblätter von Hubschrauberotoren, Eintrittskanten von Propellerblättern bei Propellermaschinen und dergleichen einfache Erosionsschutzmaßnahmen bekannt. So werden an erosionsbelasteten Bereichen der Kunststoffbauteile entsprechende metallische Erosionsschutzteile in Form von metallischen Verkleidungen, wie aufgeklebte Metallfolien, Metallgewebe oder Metallfilze, oder integrierte Metallkanten vorgesehen. Aus der US 5,306,120 ist zudem ein entsprechender Erosionsschutz für ein Kunststoffrotorblatt aus einer aufgeklebten Metallfolie mit einer Schutzschicht aus einem zweiphasigen Material, nämlich einem partikelverstärkten metallischen Material bekannt.In addition to these complex and complex layer systems for highly loaded metallic components made of complex metal alloys, simple erosion control measures are known for plastic components in the aircraft industry, such as rotor blades of helicopter rotors, leading edges of propeller blades in propeller machines and the like. Thus, erosion-loaded areas of the plastic components corresponding metal erosion protection parts in the form of metallic cladding, such as glued metal foils, metal mesh or metal felts, or integrated metal edges are provided. From the US 5,306,120 In addition, a corresponding erosion protection for a plastic rotor blade from a glued metal foil with a protective layer of a two-phase material, namely a particle-reinforced metallic material is known.

Derartige erosionsgeschützte Kunststoffbauteile zeigen jedoch insbesondere über die langen Lebensdauern der Kunststoffbauteile einen ungenügenden Erosionsschutz.such However, erosion-protected plastic components show in particular over the long lifetimes of the plastic components an insufficient Erosion control.

OFFENBARUNG DER ERFINDUNGDISCLOSURE OF THE INVENTION

AUFGABE DER ERFINDUNGOBJECT OF THE INVENTION

Es ist deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Kunststoffbauteil sowie ein entsprechendes Verfahren zur Herstellung bereitzustellen, welches die Probleme des Standes der Technik löst, also insbesondere einen zuverlässigen und dauerhaften Erosionsschutz für das Kunststoffbauteil bereitstellt, wobei gleichzeitig das Bauteil wirtschaftlich sinnvoll und somit effektiv herstellbar ist.It is therefore an object of the present invention, a plastic component and to provide a corresponding method for the production, which solves the problems of the prior art, ie in particular a reliable and durable erosion protection for the plastic component provides, while the component makes economic sense and thus can be produced effectively.

TECHNISCHE LÖSUNGTECHNICAL SOLUTION

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Bauteil mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zur Herstellung eines entsprechenden Bauteils mit den Merkmalen des Anspruchs 14. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.These Task is solved by a component with the features of claim 1 and a method for producing a corresponding Component with the features of claim 14. Advantageous embodiments are the subject of the dependent claims.

Die Erfindung geht aus von der Erkenntnis, dass ein effektiver Erosionsschutz mittels eines Mehrlagenschichtsystems erzielbar ist, wie es bereits für komplexe metallische Legierungen in hochbeanspruchten Metallbauteilen von Gasturbinen eingesetzt wird. Die Kombination von harten und weichen Schichten, die insbesondere durch Dampfphasenabscheidung innig und fest miteinander verbunden sind, bietet beim Auftreffen von Partikeln, Flüssigkeiten und Gasströmungen die für die Erosionsschutzwirkung bedeutsame Kombination aus Nachgiebigkeit und Härte. Insbesondere durch dünne Teilschichten des Mehrlagenschichtsystems, wie sie durch Dampfphasenabscheidung erzeugt werden können, im Bereich von einigen nm Schichtdicke, wie beispielsweise 10 nm bis zu einigen μm Dicke, beispielsweise bis zu 10 μm Dicke, insbesondere im Bereich von 100 nm bis 0,5 μm Schichtdicke, vorzugsweise 200 nm bis 400 nm Dicke können hervorragende Erosionsbeständigkeitseigenschaften erzielt werden. Vergleichbare Ergebnisse lassen sich auch nicht durch eine aufgeklebte Metallfolie mit einer darauf angeordneten Metall-Keramik-Mischschicht, wie in der US 5,306,120 vorgeschlagen, erreichen, da offensichtlich der Verbund aus dünnen, weichen und harten Teilschichten des abgeschiedenen Mehrlagenschichtsystems überraschend auch für Kunststoffbauteile, insbesondere nicht so stark belastete Kunststoffbauteile maßgebend ist. Entsprechend kann das Mehrlagenschichtsystem entweder unmittelbar auf dem Kunststoff des Kunststoffbauteils oder einer entsprechenden Metallverkleidung bzw. Metallverstärkung vorgesehen sein.The invention is based on the recognition that effective erosion protection can be achieved by means of a multilayer system, as already used for complex metallic alloys in highly stressed metal components of gas turbines. The combination of hard and soft layers, which are intimately and firmly bonded together, in particular by vapor deposition, offers the combination of resilience and hardness which is important for the erosion protection effect when particles, liquids and gas flows strike. In particular, by thin partial layers of the multi-layer system, as can be produced by vapor deposition, in the range of a few nm layer thickness, such as 10 nm to a few microns thick, for example up to 10 microns thickness, in particular in the range of 100 nm to 0.5 microns Layer thickness, preferably 200 nm to 400 nm thickness excellent erosion resistance properties can be achieved. Comparable results can not be achieved by a glued metal foil with a metal-ceramic mixed layer disposed thereon, as in the US 5,306,120 proposed, as obviously the composite of thin, soft and hard sub-layers of the deposited multilayer system surprisingly for plastic components, especially not so heavily loaded plastic components is relevant. Accordingly, the multi-layer system can be provided either directly on the plastic of the plastic component or a corresponding metal cladding or metal reinforcement.

Zur Abscheidung der Schichten können Dampfphasenabscheideprozesse, insbesondere physikalische Dampfphasenabscheideverfahren und vorzugsweise gepulstes Kathodenzerstäuben (Sputtern) eingesetzte werden.For the deposition of the layers, vapor phase deposition processes, in particular physical vapor phase deposition processes and preferably pulsed cathode sputtering (Sput tern).

Bei der Aufbringung des Mehrlagenschichtsystems auf einer Metallverkleidung bzw. einer Metallverstärkung, also einem Metallformteil, einer Metallfolie oder dergleichen, wie insbesondere Metallgewebe, -filz usw., kann das Mehrlagenschichtsystem vor Anordnung der Metallverkleidung bzw. Metallverstärkung auf dem Kunststoffbauteil oder nach der Aufbringung auf dem Kunststoffbauteil abgeschieden werden.at the application of the multi-layer system on a metal panel or a metal reinforcement, ie a metal molding, a metal foil or the like, in particular metal mesh, felt, etc., the multilayer system may be prior to placement of the metal cladding or metal reinforcement on the plastic component or after the deposition are deposited on the plastic component.

Sofern das Mehrlagenschichtsystem vor Anbringung der Metallverkleidung bzw. Metallverstärkung auf dem Kunststoffbauteil abgeschieden wird, können sämtliche geeigneten Kunststoffe, insbesondere partikelverstärkte oder phasenverstärkte Kunststoffe für das Kunststoffbauteil Verwendung finden.Provided the multi-layer system before attaching the metal cladding or metal reinforcement deposited on the plastic component If all suitable plastics, in particular particle-reinforced or phase-reinforced Plastics for the plastic component find use.

Wird jedoch das Mehrlagenschichtsystem in Anwesenheit des Kunststoffbauteils abgeschieden, so muss ein vakuumbeständiger und/oder hochtemperaturbeständiger Kunststoff gewählt werden, der die nötigen Temperaturen und/oder Druckverhältnisse beim Abscheideprozess für das Mehrlagenschichtsystem überstehen kann. Für den Abscheideprozess können insbesondere auch Niedertemperaturabscheideverfahren mit Prozesstemperaturen im Bereich von kleiner oder gleich 300°C, insbesondere kleiner oder gleich 200°C eingesetzt werden. Als vakuumbeständige und/oder temperaturbeständige Kunststoffe, die für Dampfphasenbeschichtungen geeignet sind, bieten sich insbesondere Polyetherketone, Polyetheretherketone und dergleichen an.Becomes however, the multilayer system in the presence of the plastic component deposited, it must be a vacuum-resistant and / or high-temperature resistant Plastic can be chosen, the necessary temperatures and / or pressure conditions during the deposition process for can survive the multi-layer system. For the deposition process can be particularly low-temperature deposition with process temperatures in the range of less than or equal to 300 ° C, be used in particular less than or equal to 200 ° C. As vacuum-resistant and / or temperature-resistant plastics, which are suitable for vapor phase coatings in particular polyether ketones, polyetheretherketones and the like at.

Vor dem Aufbringen des Mehrlagenschichtsystems kann die zu beschichtende Oberfläche entsprechend vorbereitet werden, um beispielsweise die Haftfestigkeit zu verbessern. Hierzu können bekannte nasschemische Ätzverfahren und/oder Plasmabehandlungsverfahren eingesetzt werden. Insbesondere bei der Abscheidung des Mehrlagenschichtsystems direkt auf dem Kunststoff kann sich eine entsprechende Vorbehandlung anbieten.In front the application of the multi-layer system can be coated Surface can be prepared accordingly, for example to improve the adhesive strength. For this purpose, known wet-chemical etching processes and / or plasma treatment processes be used. Especially in the deposition of the multilayer system directly on the plastic can be a corresponding pretreatment to offer.

Das Mehrlagenschichtsystem kann gemäß der Offenbarung in den deutschen Offenlegungsschriften DE 10 2004 001 392 A1 und DE 10 2007 027 335 A1 , deren Offenbarungsgehalt hiermit durch Verweis vollständig aufgenommen ist, durch eine Abfolge von duktilen Metallschichten und harten Keramikschichten sowie einer Abfolge einer reinen Metallschicht, einer Metalllegierungsschicht, einer Metall-Keramik-Mischschicht, die insbesondere gradiert sein kann, sowie einer Keramikschicht gebildet sein. Zusätzlich können entsprechende Diffusionssperrschichten zwischen den einzelnen Lagen und/oder an der Grenzfläche zum Kunststoffbasiswerkstoff bzw. einem entsprechenden Metallverkleidungs- oder Verstärkungsteil vorgesehen sein. Neben dem Wechsel zwischen duktiler Metallschicht und harter Keramikschicht bzw. Kombination von duktilen Metallschichten und harten Keramikschichten kann auch eine Kombination von unterschiedlich harten Keramikschichten vorgesehen sein.The multi-layer system according to the disclosure in German Offenlegungsschriften DE 10 2004 001 392 A1 and DE 10 2007 027 335 A1 , whose disclosure content is hereby incorporated by reference, be formed by a sequence of ductile metal layers and hard ceramic layers and a sequence of a pure metal layer, a metal alloy layer, a metal-ceramic mixed layer, which may in particular be graded, and a ceramic layer. In addition, corresponding diffusion barrier layers can be provided between the individual layers and / or at the interface with the plastic base material or with a corresponding metal cladding or reinforcement part. In addition to the change between ductile metal layer and hard ceramic layer or combination of ductile metal layers and hard ceramic layers may also be provided a combination of different hard ceramic layers.

Die unterschiedlichen Keramikschichten können beispielsweise durch Chrom-Aluminium-Nitrid und Chrom-Nitrid gebildet sein, wobei ein derartiges Mehrlagenschichtsystem eine Chrom-Nitrid-Schicht als Haftvermittlerschicht umfassen kann.The different ceramic layers, for example being formed by chromium-aluminum nitride and chromium nitride, wherein such a multilayer system a chromium-nitride layer may include as a primer layer.

Bei den Mehrlagenschichtsystemen mit Metallschichten und Metalllegierungsschichten sowie Metall-Keramik-Mischschichten kann die Metallschicht aus Aluminium, Titan, Platin, Palladium, Wolfram, Chrom, Nickel oder Kobalt sowie die Metalllegierungsschicht aus Legierungselementen ausgewählt aus Titan, Platin, Palladium, Wolfram, Chrom, Nickel, Kobalt, Eisen, Aluminium, Zirkon, Hafnium, Tantal, Magnesium, Molybdän, Yttrium, Niob, Vanadium und/oder Silizium gebildet sein, wobei einige dieser Elemente als Phasenstabilisierungselemente dienen.at the multi-layer systems with metal layers and metal alloy layers and metal-ceramic mixed layers, the metal layer of aluminum, Titanium, platinum, palladium, tungsten, chromium, nickel or cobalt as well the metal alloy layer is selected from alloying elements titanium, platinum, palladium, tungsten, chromium, nickel, cobalt, iron, Aluminum, zirconium, hafnium, tantalum, magnesium, molybdenum, Yttrium, niobium, vanadium and / or silicon may be formed, with some serve these elements as phase stabilization elements.

Die Metall-Keramik-Mischschicht kann aus den entsprechend vorher genannten Metallen sowie Oxiden, Nitriden, Karbiden und/oder Boriden dieser Metalle oder Metalllegierungen gebildet sein.The Metal-ceramic mixed layer can be made from the corresponding previously mentioned Metals and oxides, nitrides, carbides and / or borides of these metals or metal alloys.

Die Keramikschicht kann wiederum aus Oxiden, Nitriden, Karbiden und/oder Boriden der vorher genannten Metalle oder Metalllegierungen gebildet sein.The Ceramic layer may in turn consist of oxides, nitrides, carbides and / or Boriden the aforementioned metals or metal alloys.

KURZBESCHREIBUNG DER FIGURENBRIEF DESCRIPTION OF THE FIGURES

Weitere Vorteile, Kennzeichen und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden bei der nachfolgenden detaillierten Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der beigefügten Zeichnungen deutlich. Die Zeichnungen zeigen hierbei in rein schematischer Weise inFurther Advantages, characteristics and features of the present invention in the following detailed description of embodiments clearly with reference to the attached drawings. The painting show here in a purely schematic way in

1 einen Schnitt durch einen Oberflächenbereich eines erfindungsgemäßen Bauteils mit einem Erosionsschutz gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel; 1 a section through a surface region of a component according to the invention with erosion protection according to a first embodiment;

2 einen Schnitt durch einen Oberflächenbereich eines erfindungsgemäßen Bauteils mit einem Erosionsschutz nach einem zweiten Ausführungsbeispiel; 2 a section through a surface region of a component according to the invention with erosion protection according to a second embodiment;

3 einen Schnitt durch einen Oberflächenbereich eines erfindungsgemäßen Bauteils mit einem Erosionsschutz nach einem dritten Ausführungsbeispiel; 3 a section through a surface region of a component according to the invention with erosion protection according to a third embodiment;

4 einen Schnitt durch einen Oberflächenbereich eines erfindungsgemäßen Bauteils mit einem Erosionsschutz nach einem vierten Ausführungsbeispiel; 4 a section through a Oberflä chenbereich a component according to the invention with erosion protection according to a fourth embodiment;

5 einen Schnitt durch einen Oberflächenbereich eines erfindungsgemäßen Bauteils mit einem Erosionsschutz nach einem fünften Ausführungsbeispiel; 5 a section through a surface region of a component according to the invention with erosion protection according to a fifth embodiment;

6 einen Schnitt durch einen Oberflächenbereich eines erfindungsgemäßen Bauteils mit einem Erosionsschutz nach einem sechsten Ausführungsbeispiel; und in 6 a section through a surface region of a component according to the invention with erosion protection according to a sixth embodiment; and in

7 einen Schnitt durch einen Oberflächenbereich eines erfindungsgemäßen Bauteils mit einem Erosionsschutz nach einem siebten Ausführungsbeispiel 7 a section through a surface region of a component according to the invention with erosion protection according to a seventh embodiment

AUSFÜHRUNGSBEISPIELEEMBODIMENTS

Die 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Bauteils, beispielsweise einer Leitschaufel, einer Laufschaufel oder eines Leitgitters einer Gasturbine und insbesondere eines Flugzeugtriebwerks, vorzugsweise im Bereich des Verdichters oder Fans, bzw. Kantenbereiche von Propellerblättern von Propellerflugzeugen oder von Rotorblättern von Hubschrauberrotoren sowie von Flugzeugstrukturbauteilen, wie Strömungskanten von Tragflächen und dergleichen. Das Bauteil 1 weist einen Grundwerkstoff aus einem Kunststoff auf, beispielsweise aus einem Partikel- oder faserverstärkten Kunststoff bzw. insbesondere aus einem hochtemperaturbeständigen und vakuumtauglichen Kunststoff, wie Polyetheretherketon (PEEK).The 1 shows a first embodiment of a component according to the invention, for example a guide vane, a blade or a guide grid of a gas turbine and in particular an aircraft engine, preferably in the region of the compressor or fan, or edge portions of propeller blades of propeller aircraft or rotor blades of helicopter rotors and aircraft structural components, such as flow edges of wings and the like. The component 1 has a base material made of a plastic, for example of a particle or fiber-reinforced plastic or in particular of a high-temperature resistant and vacuum suitable plastic, such as polyetheretherketone (PEEK).

Nach einer einfachen Ausführungsvariante, die in 1 gezeigt ist, ist auf dem Kunststoffbauteil 1 ein Mehrlagenschichtsystem mit den Lagen bzw. Teilschichten 2 und 3 angeordnet. Die Teilschicht 2 kann beispielsweise eine Metall- oder Metalllegierungsschicht sein, während die Lage bzw. Teilschicht 3 aus einem Keramikmaterial gebildet ist. Die Metallschicht kann beispielsweise durch eine Chrom-Aluminium-Schicht gebildet sein, während die Keramikschicht 3 durch eine Chrom-Aluminium-Nitrid-Schicht gebildet sein kann.After a simple variant, which in 1 is shown on the plastic component 1 a multi-layer system with the layers or partial layers 2 and 3 arranged. The sub-layer 2 For example, it may be a metal or metal alloy layer while the layer or sub-layer 3 is formed of a ceramic material. The metal layer can be formed, for example, by a chromium-aluminum layer, while the ceramic layer 3 may be formed by a chromium-aluminum nitride layer.

Alternativ können die Teilschichten 2 und 3 beide als Keramikschichten ausgebildet sein, wobei die Teilschicht 2 als duktilere, weichere Keramikschicht, beispielsweise als Chrom-Nitrid-Schicht ausgebildet sein kann, während die harte Keramikschicht 3 als Chrom-Aluminium-Nitrid-Schicht ausgebildet sein kann.Alternatively, the partial layers 2 and 3 both be formed as ceramic layers, wherein the sub-layer 2 may be formed as a ductile, softer ceramic layer, for example as a chromium-nitride layer, while the hard ceramic layer 3 may be formed as a chromium-aluminum nitride layer.

Zur Abscheidung dieser Schichten können Dampfphasenabscheidungsprozesse, insbesondere physikalische Dampfphasenabscheidungsprozesse (Physical Vapor Deposition PVD) eingesetzt werden. Zur Verbesserung der Haftfestigkeit und der nachfolgenden Abscheidung kann die Oberfläche des Bauteils 1 nasschemisch geätzt oder einer Plasmabehandlung unterzogen werden. Die dadurch beeinflusste Oberflächenschicht des Bauteils 1 ist zeichnerisch nicht separat dargestellt.For depositing these layers, vapor deposition processes, in particular physical vapor deposition (PVD) processes, can be used. To improve the adhesion and the subsequent deposition, the surface of the component 1 wet-chemically etched or subjected to a plasma treatment. The thus influenced surface layer of the component 1 is not shown separately in the drawing.

Die 2 zeigt eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Bauteils, bei dem die Mehrlagenschicht mehrere Abfolgen von identischen Teilschichten umfasst, nämlich eine Wiederholung der Schichtenabfolge der Ausführungsform der 1. Entsprechend sind in der Ausführungsform der 2 in der Erosionsschutzschicht auf dem Kunststoffbauteil 1 die Teilschichten 2 und 3 zweimal übereinander angeordnet, wobei die Teilschichten 2 und 3 jeweils wiederum durch eine Metallschicht oder eine weiche Keramikschicht im Fall der Teilschicht 2 sowie durch eine harte Keramikschicht im Fall der Teilschicht 3 gebildet sein können.The 2 shows a second embodiment of a component according to the invention, in which the multi-layer comprises several sequences of identical sub-layers, namely a repetition of the layer sequence of the embodiment of 1 , Accordingly, in the embodiment of the 2 in the erosion control layer on the plastic component 1 the partial layers 2 and 3 arranged twice one above the other, with the sublayers 2 and 3 each in turn by a metal layer or a soft ceramic layer in the case of the sub-layer 2 and by a hard ceramic layer in the case of the partial layer 3 can be formed.

In der 3 ist eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Bauteils 1 mit einer Erosionsschutzschicht dargestellt, wobei hier das Mehrlagenschichtsystem aus den Teilschichten 2 und 3 nicht unmittelbar auf der Kunststoffoberfläche des Bauteils 1 abgeschieden ist, sondern auf einer Metallschicht 4. Die Metallschicht 4 kann selbst eine abgeschiedene Schicht sein oder ein separat aufgebrachtes Metallteil, wie beispielsweise ein Metallformteil, eine Metallfolie, ein Metallfilz oder dergleichen.In the 3 is another embodiment of a component according to the invention 1 shown with an erosion protection layer, in which case the multilayer system of the sub-layers 2 and 3 not directly on the plastic surface of the component 1 is deposited, but on a metal layer 4 , The metal layer 4 may itself be a deposited layer or a separately applied metal part such as a metal mold, a metal foil, a metal felt or the like.

Während die Metallschicht 4 in Form einer abgeschiedenen Schicht direkt auf dem Kunststoff 1 abgeschieden wird, kann die Metallschicht in Form eines Metallformbauteils als formstabile, selbsttragende Einheit oder als Metallfolie, Metallgewebe, Metallfilz oder derglei chen auf dem Kunststoffbauteil 1 aufgeklebt oder in sonstiger geeigneter Weise aufgebracht, z. B. verschweißt, werden. Darüber hinaus ist es auch möglich, die Metallschicht 4 in Form eines Metallverstärkungsteils, eines Metallformbauteils, einer Metallfolie, eines Metallfilzes oder dergleichen bei der Herstellung des Kunststoffbauteils 1 anzuordnen, also insbesondere die Metallschicht 4 mit dem Kunststoffbauteil 1 zu gießen oder bei entsprechenden glasfaserverstärkten Kunststoffen mit in das Bauteil 1 ein zu laminieren.While the metal layer 4 in the form of a deposited layer directly on the plastic 1 is deposited, the metal layer in the form of a metal mold component as a dimensionally stable, self-supporting unit or as a metal foil, metal mesh, metal felt or derglei surfaces on the plastic component 1 glued or applied in any other suitable manner, for. B. welded, be. In addition, it is also possible to use the metal layer 4 in the form of a metal reinforcement member, a metal mold member, a metal foil, a metal felt or the like in the production of the plastic member 1 to arrange, so in particular the metal layer 4 with the plastic component 1 to pour or with appropriate glass fiber reinforced plastics in the component 1 one to laminate.

Entsprechend kann das Mehrlagenschichtsystem aus den Teilschichten 2 und 3 bereits vor dem Anbringen der Metallschicht 4 oder erst nach dem Anbringen der Metallschicht 4 auf dem Kunststoffbauteil 1 auf der Metallschicht angeordnet werden.Accordingly, the multilayer system of the sub-layers 2 and 3 even before the attachment of the metal layer 4 or only after the attachment of the metal layer 4 on the plastic component 1 be arranged on the metal layer.

Die 4 zeigt eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Bauteils, bei welcher wiederum eine Metallschicht 4 als Basis für das Mehrlagenschichtsystem auf dem Kunststoffbauteil 1 angeordnet ist, wobei das Mehrlagenschichtsystem 2, 3 vor oder nach dem Anordnen der Metallschicht 4 auf dem Kunststoffbauteil 1 abgeschieden wird. Der Unterschied zur Ausführungsform der 3 besteht darin, dass das Mehrlagenschichtsystem aus mehreren wiederholten Abfolgen der Teilschichten 2, 3 besteht, wie bereits in der Ausführungsform der 2 gezeigt.The 4 shows a further embodiment of a component according to the invention, in which in turn a metal layer 4 as the basis for that Multi-layer system on the plastic component 1 is arranged, wherein the multilayer system 2 . 3 before or after arranging the metal layer 4 on the plastic component 1 is deposited. The difference to the embodiment of 3 is that the multilayer system of several repeated sequences of sub-layers 2 . 3 consists, as already in the embodiment of 2 shown.

Die Metallschicht 4 bzw. die Metallverstärkung des Kunststoffbauteils 1 kann aus jedem geeigneten Metallwerkstoff bzw. Metalllegierung gebildet sein, insbesondere aus Titanwerkstoffen. Entsprechend können die Teilschichten 2, 3 aus geeigneten Metallschichten bzw. Metalllegierungsschichten oder weichen Keramikschichten (Teilschicht 2) sowie harten Keramikschichten (Teilschicht 3) gebildet sein. Hier bietet es sich an, entsprechende Titanwerkstoffe einzusetzen, die mit der Metallschicht eine gute Verbindung bilden und durch angepasste Eigenschaften eine gute Verträglichkeit mit der Metallschicht 4 aufweisen. So bieten sich beispielsweise für die Metallschicht 2 Titanbasislegierungen und für die Keramikschicht 3 Titan-Nitrid- oder Titan-Aluminium-Nitrid-Schichten an.The metal layer 4 or the metal reinforcement of the plastic component 1 can be formed from any suitable metal material or metal alloy, in particular titanium materials. Accordingly, the partial layers 2 . 3 from suitable metal layers or metal alloy layers or soft ceramic layers (partial layer 2 ) as well as hard ceramic layers (partial layer 3 ) be formed. Here, it makes sense to use corresponding titanium materials, which form a good bond with the metal layer and by adapted properties a good compatibility with the metal layer 4 exhibit. This is the case, for example, for the metal layer 2 Titanium based alloys and for the ceramic layer 3 Titanium nitride or titanium aluminum nitride layers.

Die 5 zeigt eine weitere Ausführungsform, die eine Abwandlung zur Ausführungsform der 4 darstellt. Zusätzlich zu der Ausgestaltung der Erosionsschutzschicht der Ausführungsform der 4 ist bei der Ausführungsform der 5 eine Diffusionssperrschicht 5 beispielsweise aus Chromnitrid zwischen der Teilschicht 2 des Mehrschichtsystems und der Metallschicht 4 vorgesehen. Entsprechend ist also das Mehrlagenschichtsystem mit der Diffusionssperrschicht 5 in Richtung des Kunststoffbauteils 1 abgeschlossen. Die Diffusionssperrschicht 5 verhindert, dass Material aus dem Mehrlagenschichtsystem in die Metallschicht 4 diffundiert bzw. umgekehrt aus der Metallschicht 4 in das Mehrlagenschichtsystem.The 5 shows a further embodiment, which is a modification to the embodiment of 4 represents. In addition to the embodiment of the erosion control layer of the embodiment of the 4 is in the embodiment of the 5 a diffusion barrier layer 5 for example, chromium nitride between the sub-layer 2 of the multi-layer system and the metal layer 4 intended. Accordingly, the multi-layer system with the diffusion barrier layer is accordingly 5 in the direction of the plastic component 1 completed. The diffusion barrier layer 5 prevents material from the multilayer system in the metal layer 4 diffused or vice versa from the metal layer 4 in the multilayer system.

Die 6 ist eine weitere Ausführungsform, die eine Abwandlung der Ausführungsform der 2 darstellt. Zusätzlich zu dem Mehrlagenschichtsystem mit der wiederholten Abfolge der Teilschichten 2, 3 gemäß der Ausführungsform der 2 ist bei der Ausführungsform der 6 zusätzlich zwischen der ersten Teillage 2 und dem Kunststoffbauteil 1 eine Haftvermittlerschicht 6 vorgesehen, welche beispielsweise aus einer gradierten Chrom-Nitrid-Schicht gebildet ist.The 6 is another embodiment, which is a modification of the embodiment of 2 represents. In addition to the multi-layer system with the repeated sequence of partial layers 2 . 3 according to the embodiment of the 2 is in the embodiment of the 6 in addition between the first sub-layer 2 and the plastic component 1 a primer layer 6 provided, which is formed for example of a graded chromium-nitride layer.

Das Mehrlagenschichtsystem mit einer metallischen duktilen Teilschicht 2 und einer harten keramischen Schicht 3, wie es in den vorangegangenen Figuren dargestellt ist, kann gemäß der Ausführungsform der 7 dahingehend abgewandelt werden, dass anstelle eines Mehrlagenschichtsystems mit zwei sich wiederholenden Teilschichten ein Mehrlagenschichtsystem mit mehreren unterschiedlichen Teilschichten verwirklicht wird. Gemäß der Ausführungsform der 7 sind auf einer ersten Metallschicht 4 in Form einer Metallverkleidung auf dem Kunststoff-Bauteil 1 vier Teilschichten eines Mehrlagenschichtsystems abgeschieden, und zwar eine weitere Metallschicht 2, eine Metalllegierungsschicht 7, eine Metall-Keramik-Mischschicht 8 und eine Keramikschicht 3. Diese vier Lagen können nicht nur, wie im Ausführungsbeispiel der 7 gezeigt, einmal ausgebildet sein, sondern wiederum mehrfach übereinander angeordnet sein.The multi-layer system with a metallic ductile partial layer 2 and a hard ceramic layer 3 As shown in the preceding figures, according to the embodiment of the 7 be modified so that instead of a multi-layer system with two repeating partial layers, a multi-layer system with several different partial layers is realized. According to the embodiment of the 7 are on a first metal layer 4 in the form of a metal cladding on the plastic component 1 deposited four sub-layers of a multi-layer system, namely a further metal layer 2 a metal alloy layer 7 , a metal-ceramic mixed layer 8th and a ceramic layer 3 , These four layers can not only, as in the embodiment of 7 shown, once formed, but in turn be arranged several times above the other.

Wie bereits oben erwähnt, wird das Mehrlagenschichtsystem vorzugsweise durch eine Dampfphasenabscheidung, insbesondere physikalische Dampfphasenabscheidung (PVD) direkt auf dem Kunststoffbauteil 1 oder auf einer Metallschicht 4 in Form eines Metallformbauteils, einer Metallfolie, eines Metallgewebes oder einer abgeschiedenen Metallschicht abgeschieden. Insbesondere kann zur Abscheidung ein Sputterverfahren (Kathodenzerstäubung) eingesetzt werden, bei welchem die Elektrode des Targets insbesondere gepulst betrieben wird.As already mentioned above, the multilayer system preferably is formed by vapor deposition, in particular physical vapor deposition (PVD), directly on the plastic component 1 or on a metal layer 4 deposited in the form of a metal mold component, a metal foil, a metal mesh or a deposited metal layer. In particular, a sputtering method (cathode sputtering) can be used for deposition, in which the electrode of the target is operated in particular pulsed.

Bei Verwendung eines Metallformbauteils oder einer Metallfolie oder dergleichen kann das Mehrlagenschichtsystem bereits vor Anbringen des Metallformteils bzw. der Metallfolie an dem Kunststoffbauteil 1 oder nachher abgeschieden werden. Insbesondere für derartige Bauteile, bei denen eine Abscheidung des Mehrlagenschichtsystems in Anwesenheit des Kunststoff-Bauteils 1 erforderlich ist, kann der Kunststoff aus einem hochvakuumbeständigen und hochtemperaturbeständigen Kunststoff gebildet sein, wie beispielsweise Polyetheretherketon PEEK.When using a metal mold component or a metal foil or the like, the multi-layer system can already before attaching the metal molding or the metal foil to the plastic component 1 or subsequently deposited. In particular, for such components, in which a deposition of the multilayer system in the presence of the plastic component 1 is required, the plastic may be formed of a high vacuum resistant and high temperature resistant plastic, such as polyetheretherketone PEEK.

Obwohl die vorliegende Erfindung anhand der beigefügten Ausführungsbeispiele detailliert beschrieben worden ist, ist für den Fachmann selbstverständlich, dass die Erfindung nicht auf diese Ausführungsbeispiele beschränkt ist, sondern dass vielmehr Abwandlungen oder Änderungen möglich sind, indem einzelne Merkmale weggelassen werden oder andersartige Kombinationen von Merkmalen vorgenommen werden, ohne den Schutzbereich der beigefügten Ansprüche zu verlassen. Insbesondere umfasst die vorliegende Erfindung sämtliche Kombinationen aller vorgestellten Merkmale.Even though the present invention with reference to the accompanying embodiments has been described in detail, is for the expert of course, that the invention is not limited to this Embodiments is limited, but that rather modifications or changes possible are by omitting individual features or otherwise Combinations of features are made without the scope of protection of the appended claims. Especially For example, the present invention includes all combinations all featured features.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

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Claims (16)

Bauteil, welches Luft- oder Gasströmungen ausgesetzt ist und überwiegend aus einem Kunststoffmaterial gebildet ist, so dass das Kunststoffmaterial zumindest zum Teil im Bereich der der Strömung ausgesetzten Oberfläche des Bauteils (1) vorliegt, wobei das Kunststoffmaterial einen Erosionsschutz an der Oberfläche aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Erosionsschutz ein Mehrlagenschichtsystem (2, 3; 2, 7, 8, 3) mit mindestens einer oder mehrerer Abfolgen aus mindestens einer Lage aus einem Metall (2) und mindestens einer Lage aus einer Keramik (3) oder aus mindestens zwei unterschiedlich harten Keramikschichten (2, 3) umfasst.Component, which is exposed to air or gas flows and is predominantly formed from a plastic material, so that the plastic material at least partially in the region of the flow-exposed surface of the component ( 1 ), wherein the plastic material has an erosion protection on the surface, characterized in that the erosion protection is a multi-layer system ( 2 . 3 ; 2 . 7 . 8th . 3 ) having at least one or more sequences of at least one layer of a metal ( 2 ) and at least one layer of a ceramic ( 3 ) or at least two different hard ceramic layers ( 2 . 3 ). Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Mehrlagenschichtsystem neben einer Metallschicht (2) eine Metalllegierungsschicht (7), eine Metall-Keramik-Mischschicht (8) und eine Keramikschicht (3) in dieser Reihenfolge ausgehend vom Grundwerkstoff aus Kunststoff umfasst.Component according to claim 1, characterized in that the multilayer system in addition to a metal layer ( 2 ) a metal alloy layer ( 7 ), a metal-ceramic mixed layer ( 8th ) and a ceramic layer ( 3 ) in this order starting from the plastic base material. Bauteil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallschicht Aluminium, Titan, Platin, Palladium, Wolfram, Chrom, Nickel oder Kobalt umfasst und/oder die Metalllegierung mindestens eine Komponente umfasst, die ausgewählt ist aus der Gruppe, die Titan, Platin, Palladium, Wolfram, Chrom, Nickel, Kobalt, Eisen, Aluminium, Zirkon, Hafnium, Tantal, Magnesium, Molybdän, Yttrium, Niob, Vanadium und Silizium umfasst.Component according to claim 2, characterized that the metal layer is aluminum, titanium, platinum, palladium, tungsten, Comprises chromium, nickel or cobalt and / or the metal alloy at least comprises a component selected from the group the titanium, platinum, palladium, tungsten, chromium, nickel, cobalt, iron, Aluminum, zirconium, hafnium, tantalum, magnesium, molybdenum, Yttrium, niobium, vanadium and silicon. Bauteil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Metall-Keramik-Mischschicht und/oder die Keramikschicht mindestens ein Oxid, Nitrid, Karbid und/oder Borid mindestens eines Metalls der Metallschicht und/oder der Metalllegierungsschicht umfasst.Component according to claim 3, characterized that the metal-ceramic mixed layer and / or the ceramic layer at least one oxide, nitride, carbide and / or boride at least one Metal of the metal layer and / or the metal alloy layer comprises. Bauteil nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Metall-Keramik-Mischschicht als Gradientenschicht mit einem zunehmenden Anteil an Keramik in Richtung der nachfolgenden Keramikschicht ausgebildet ist.Component according to one of claims 2 or 3, characterized in that the metal-ceramic mixed layer as a gradient layer with an increasing proportion of ceramic in Direction of the subsequent ceramic layer is formed. Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Mehrlagenschichtsystem an der Seite zum zu schützenden Bauteil und/oder zwischen den Schichten des Mehrlagenschichtsystems mindestens eine Diffusionssperrschicht (5) umfasst.Component according to one of the preceding claims, characterized in that the multi-layer system on the side of the component to be protected and / or between the layers of the multilayer system at least one diffusion barrier layer ( 5 ). Bauteil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Diffusionssperrschicht (5) CrN umfasst.Component according to claim 6, characterized in that the diffusion barrier layer ( 5 ) CrN includes. Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die unterschiedlich harten Keramikschichten CrAlN (3) und CrN (2) umfassen.Component according to Claim 1, characterized in that the differently hard ceramic layers CrAlN ( 3 ) and CrN ( 2 ). Bauteil nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Mehrlagenschichtsystem mit unterschiedlich harten Keramikschichten an der Seite zum zu schützenden Bauteil eine gradierte CrN-Schicht (6) als Haftvermittlerschicht umfasst.Component according to claim 8, characterized in that the multi-layer system with differently hard ceramic layers on the side to be protected component a graded CrN layer ( 6 ) as a primer layer. Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Mehrlagenschichtsystem direkt auf dem Kunststoff angeordnet ist.Component according to one of the preceding claims, characterized in that the multilayer system directly on the plastic is arranged. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Erosionsschutz eine erste metallische Schicht (4) umfasst, die als eine durch Dampfphasenabscheidung abgeschiedene Schicht, als ein aufgebrachtes Metallformteil oder eine aufgebrachte Metallfolie, als ein aufgeklebtes Metallformteil oder eine aufgeklebte Metallfolie, als ein integriertes Metallformteil oder eine integrierte Metallfolie, als ein eingegossenes Metallformteil oder eine eingegossene Metallfolie oder als ein einlaminiertes Metallformteil oder eine einlaminierte Metallfolie vorgesehen ist.Component according to one of claims 1 to 9, characterized in that the erosion protection a first metallic layer ( 4 ), as a vapor deposition deposited layer, as an applied metal mold or metal foil, as a bonded metal mold or glued metal foil, as an integrated metal mold or integrated metal foil, as a cast metal mold or cast metal foil or as a laminated one Metal molding or a laminated metal foil is provided. Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kunsstoff ausgewählt ist aus mindestens einem Bestandteil der Gruppe, die Polyetherketone (PEK), Polyetheretherketone (PEEK), partikelverstärkte Kunststoffe, faserverstärkte Kunststoffe, glasfaserverstärkte Kunststoffe, kohlefaserverstärkte Kunststoffe, hochtemperaturbeständige Kunststoffe und vakuumbeständige Kunststoffe umfasst.Component according to one of the preceding claims, characterized in that the Kunsstoff is selected from at least one member of the group, the polyether ketones (PEK), polyetheretherketones (PEEK), particle-reinforced Plastics, fiber-reinforced plastics, glass fiber reinforced Plastics, carbon fiber reinforced plastics, high temperature resistant Plastics and vacuum-resistant plastics includes. Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil ausgewählt ist aus der Gruppe, die Gasturbinenbauteile, Turbinenschaufeln, Laufschaufeln, Leitschaufeln, Leitgitter, Propellerbauteile, Propellerblätter, Rotorbauteile, Rotorblätter, Flugzeugstrukturbauteile, Tragflächenkanten umfasst.Component according to one of the preceding claims, characterized in that the component is selected from the group, the gas turbine components, turbine blades, blades, Vanes, baffles, propeller components, propeller blades, Rotor components, rotor blades, aircraft structural components, airfoil edges includes. Verfahren zur Herstellung eines Luft- oder Gasströmungen ausgesetzten Bauteils, insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit folgenden Schritten: a) Bereitstellen eines Bauteils (1) aus überwiegend Kunststoff mit zumindest einem Teil einer Oberfläche, welche durch den Kunststoff gebildet ist und Luft- oder Gasströmungen ausgesetzt ist; b) Aufbringen eines Mehrlagenschichtsystems (2, 3; 2, 7, 8, 3) aus mindestens einer oder mehreren Abfolgen aus mindestens einer Lage aus einem Metall und mindestens einer Lage aus einer Keramik oder aus mindestens zwei unterschiedlich harten Keramikschichten auf zumindest den Oberflächenteil, der durch den Kunststoff gebildet ist und Luft- oder Gasströmungen ausgesetzt ist.Method for producing a component subject to air or gas flow, in particular according to one of the preceding claims, comprising the following steps: a) providing a component ( 1 ) made predominantly of plastic with at least a portion of a surface formed by the plastic and exposed to air or gas flows; b) application of a multilayer system ( 2 . 3 ; 2 . 7 . 8th . 3 ) of at least one or more sequences of at least one layer of a metal and at least one layer of a ceramic or at least two different hard ceramic layers on at least the surface part, which is formed by the plastic and is exposed to air or gas flows. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Mehrlagenschichtsystem durch Dampfphasenabscheidung oder physikalische Dampfphasenabscheidung direkt auf dem Kunststoff oder auf einer bereits abgeschiedenen Metall- oder Metalllegierungsschicht (4) oder einem auf dem Kunststoff aufzubringenden oder bereits aufgebrachten Metall- oder Metalllegierungsteil (4) abgeschieden wird.A method according to claim 14, characterized ge indicates that the multilayer system is deposited by vapor deposition or physical vapor deposition directly on the plastic or on an already deposited metal or metal alloy layer ( 4 ) or an applied on the plastic or already applied metal or metal alloy part ( 4 ) is deposited. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass die mit dem Mehrlagenschichtsystem zu beschichtende Oberfläche vor dem Abscheiden des Mehrlagenschichtsystems durch Oberflächenbehandlung oder nasschemisches Ätzen oder Plasmabehandlung vorbereitet wird.Method according to one of claims 14 or 15, characterized in that the with the multilayer system to be coated surface before depositing the multi-layer system by Surface treatment or wet chemical etching or plasma treatment is prepared.
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