DE102014213327A1 - Anti-fouling-Schicht für Verdichterschaufeln - Google Patents

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Max Niegl
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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Zusammensetzung zur Herstellung einer Beschichtung für Bauteile einer Strömungsmaschine mit Anti-Fouling-Eigenschaften, wobei die Zusammensetzung ein Bindemittel, welches mindestens einen siliziumorganischen Bestandteil aufweist, keramische Partikel, und ein Lösungsmittel umfasst, wobei die keramischen Partikel mindestens Siliziumdioxid umfassen und der siliziumorganische Bestandteil zumindest Alkoxysilan umfasst. Die mittlere oder maximale Korngröße der Siliziumpartikel kann kleiner oder gleich 4 µm sein. Außerdem betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Beschichtung mit einer derartigen Zusammensetzung sowie eine entsprechend hergestellte Beschichtung und ein damit versehenes Bauteil.

Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • GEBIET DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Zusammensetzung und ein Verfahren zur Herstellung einer Beschichtung für Bauteile einer Strömungsmaschine mit Anti-Fouling-Eigenschaften sowie eine entsprechende Beschichtung und ein damit beschichtetes Bauteil einer Strömungsmaschine.
  • STAND DER TECHNIK
  • Bei Strömungsmaschinen, wie stationären Gasturbinen oder Flugzeugtriebwerken, wird Umgebungsluft angesaugt, welche zusammen mit dem Brennstoff in der Brennkammer verbrannt wird, um als Verbrennungsgase ausgestoßen zu werden. Beim Ansaugen der Umgebungsluft gelangen auch Verunreinigungen, die in der Luft enthalten sind, wie beispielsweise Sand, Rußpartikel, Salz und dergleichen, in die Strömungsmaschine und können dort zu Ablagerungen auf Triebwerksbauteilen führen, was zu einer Beschädigung der Triebwerksbauteile und/oder einer Verschlechterung des Wirkungsgrads der Strömungsmaschine durch Veränderung der Oberflächenqualität der Bauteile der Strömungsmaschine durch die Ablagerungen führen kann. Insbesondere bei Flugzeugtriebwerken, die in unterschiedlichen Umgebungen betrieben werden, stellt die Ablagerung von mit der Umgebungsluft eingesaugten Verunreinigungen ein ernstzunehmendes Problem dar.
  • Um diesem Problem der Bildung von Ablagerungen, was auch als "Fouling" bezeichnet wird, zu begegnen, wurde bereits versucht, die Oberflächen von Bauteilen mit Beschichtungen zu versehen, die sogenannte Anti-Fouling-Eigenschaften aufweisen, wie sie beispielsweise in den Dokumenten DE 196 06 011 A1 , EP 0 885 938 A2 , US 6,159,547 A , WO 2008/132196 A1 oder GB 2 428 604 A beschrieben sind.
  • Allerdings zeigen die bekannten Anti-Fouling-Schichten entweder ungenügende Anti-Fouling-Eigenschaften insbesondere im Einsatzbereich bei Flugtriebwerken oder sind für die zu erwartenden bzw. angestrebten Umgebungsbedingungen in Strömungsmaschinen nicht geeignet. Darüber hinaus existiert das Problem, dass vielfach Anti-Fouling-Schichten Cr(VI)-Verbindungen enthalten, die aufgrund ihrer gesundheitsgefährdenden Eigenschaften und den sich durch die hohen Sicherheitsanforderungen ergebenden Verarbeitungsschwierigkeiten nicht sinnvoll einsetzbar sind.
  • OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
  • AUFGABE DER ERFINDUNG
  • Es ist deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Beschichtung bereitzustellen, die für Bauteile von Strömungsmaschinen Anti-Fouling-Eigenschaften bereitstellt. Dabei soll die entsprechende Beschichtung bei den Umgebungsbedingungen einer Strömungsmaschine zuverlässig einsetzbar sein und eine sichere und unaufwändige Herstellung, Verarbeitung und Anwendung ermöglichen.
  • TECHNISCHE LÖSUNG
  • Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Zusammensetzung für die Herstellung einer Beschichtung für Bauteile einer Strömungsmaschine mit Anti-Fouling-Eigenschaften mit den Merkmalen des Anspruchs 1, ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Beschichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 9, eine Beschichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 12 und ein Bauteil einer Strömungsmaschine mit einer derartigen Beschichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 15. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
  • Die Erfindung schlägt eine Zusammensetzung zur Herstellung einer Beschichtung für Bauteile einer Strömungsmaschine mit Anti-Fouling-Eigenschaften vor, die ein Bindemittel mit mindestens einem siliziumorganischen Bestandteil, keramische Partikel und mindestens ein Lösungsmittel umfasst, wobei die keramischen Partikel Siliziumdioxid umfassen und als siliziumorganischer Bestandteil zumindest ein Alkoxysilan vorgesehen ist. Schichten auf Basis derartiger Zusammensetzungen haben sich mit ihrem Eigenschaftsprofil als außerordentlich geeignet für den Einsatz in Flugtriebwerken und insbesondere an Schaufeln im Verdichter gezeigt.
  • Die keramischen Partikel können eine mittlere oder maximale Korngröße kleiner oder gleich 4 µm aufweisen. Durch die Beschränkung der Partikelgröße der eingesetzten keramischen Partikel können gute aerodynamischen Eigenschaften einer entsprechenden Beschichtung für Strömungsmaschinen erreicht werden. Insbesondere kann damit eine Beschichtung hergestellt werden, welche eine gemittelte Oberflächenrautiefe von ≤ 2 µm aufweist. Durch die gemittelte Oberflächenrautiefe ≤ 2 µm werden nicht nur die aerodynamischen Eigenschaften der Beschichtung und der mit der Beschichtung versehenen Bauteile soweit verbessert, dass ein Einsatz in Strömungsmaschinen sinnvoll ist, sondern auch die Anti-Fouling-Eigenschaften werden durch die Glättung der Oberfläche verbessert.
  • Die keramischen Partikel können neben Siliziumdioxid ein oder mehrere weitere Komponenten umfassen, wie beispielsweise Aluminiumoxid, Titanoxid, Zirkonoxid, Aluminiumtitanat, Alumosilikate, Feldspat, Zeolithe und Kaolin. Die oxidkeramischen Partikel, wie Aluminiumoxid, Titanoxid, Aluminiumtitanat, Alumosilikat, können hierbei Partikelgrößen im Bereich von ≥ 0,2 µm und kleiner 4 µm aufweisen.
  • Bei der Angabe der entsprechenden Korngrößen bzw. Partikelgrößen wird immer Bezug genommen auf eine mittlere Korngröße bzw. eine maximale Korngröße der entsprechenden Fraktion, sofern nicht ausdrücklich etwas anderes angegeben.
  • Neben den anorganischen Füllstoffen bzw. Pigmenten in Form von oxidischen Partikeln kann die Zusammensetzung weitere Füllstoffe aufweisen, die der mittels der Zusammensetzung herzustellenden Beschichtung bestimmte, verbesserte Eigenschaften verleihen können. So kann die Zusammensetzung Fluorsilane enthalten, welche in der Beschichtung die Haftung von Fremdstoffen an der Beschichtung verringern und somit bereits einer entsprechenden Ablagerung entgegenwirken kann, so dass die Anti-Fouling-Eigenschaften verbessert werden. Außerdem kann zusätzlich oder alternativ Graphit enthalten sein.
  • Das Bindemittel der Zusammensetzung weist zumindest einen siliziumorganischen Bestandteil in Form von Alkoxysilan auf, wobei weitere siliziumorganische Bestandteile enthalten sein können. Siliziumorganisch bedeutet hierbei, dass es sich um eine Kohlenstoffverbindung mit Siliziumanteilen handelt, welche beispielsweise durch Polysiloxane gebildet sein kann. Das Bindemittel kann ein oder mehrere dieser siliziumorganischen Bestandteile und Kombinationen daraus umfassen.
  • Die Zusammensetzung kann weiterhin Prozessadditive umfassen. Unter Prozessadditiven sind Zusätze zu verstehen, die während des Verarbeitungsprozesses der Zusammensetzung bestimmte Eigenschaften verleihen, wie beispielsweise Dispergiermittel, Entschäumer, Verlaufsmittel, Verdicker etc.
  • Das Lösungsmittel der Zusammensetzung kann durch ein organisches Lösungsmittel, insbesondere Alkohol und/oder Wasser, gebildet sein.
  • Die Zusammensetzung kann einen Feststoffgehalt zwischen 10 Gew.% und 40 Gew.%, insbesondere zwischen 20 und 30 Gew.% aufweisen.
  • Die keramischen Partikel können mit einem Anteil von 5 Gew.% bis 50 Gew.%, insbesondere 10 Gew.% bis 20 Gew.%, bezogen auf den Feststoffgehalt, enthalten sein.
  • Eine Zusammensetzung gemäß den obigen Angaben kann auf einem zu beschichtenden Bauteil einer Strömungsmaschine, beispielsweise aus einer Titan- oder Nickellegierung, nach dem Reinigen der Werkstoffoberfläche aufgebracht und anschließend getrocknet und ausgehärtet werden, um eine Anti-Fouling-Beschichtung zu bilden. Die Aufbringung kann in jeder geeigneten Art und Weise erfolgen, beispielsweise durch Streichen, Spritzen, Sprühen oder Tauchen des Bauteils in die entsprechende Zusammensetzung.
  • Die Aushärtung kann durch Wärmebehandlung bei einer Temperatur zwischen 200°C und 350°C, insbesondere zwischen 250°C und 300°C für eine Zeitdauer von 10 Minuten bis 120 Minuten, insbesondere 15 Minuten bis 60 Minuten, erfolgen. Die Wärmebehandlung kann hierbei an Luft durchgeführt werden.
  • Nach einer Ausführungsform kann die Zusammensetzung in zwei oder mehreren Teilschichten auf dem zu beschichtenden Bauteil aufgebracht werden, wobei eine vorangehende Teilschicht zunächst bei Raumtemperatur getrocknet wird, bevor mindestens eine nachfolgende Teilschicht nach einem der vorher angegebenen Verfahren aufgebracht und getrocknet wird. Die getrockneten Teilschichten können dann zusammen gehärtet werde. Allerdings ist auch eine Härtung einzelner Teilschicht jeweils nach ihrem Aufbringen denkbar.
  • Es können insgesamt so viele Teilschichten aufgebracht werden, dass die Schichtdicke der gebildeten Schicht im Bereich von 5 µm bis 30 µm, insbesondere 5 µm bis 15 µm, liegt.
  • Die fertig abgeschiedene Beschichtung weist eine Matrix aus einem Bindemittel auf, welches mindestens eine siliziumorganische Verbindung umfasst. In dieser Matrix sind keramische Partikel eingelagert, die in der Matrix homogen und gleichmäßig verteilt aufgenommen sind. Die keramischen Partikel umfassen Siliziumdioxid-Partikel, während die siliziumorganische Verbindung zumindest ein Alkoxysilan oder ein Hydrolysat von Alkoxysilan umfasst.
  • Die keramischen Partikel können gemäß der oben angegeben Zusammensetzung eine mittlere oder maximale Korngröße kleiner oder gleich 4 µm auf.
  • Die weiteren siliziumorganischen Verbindungen sowie die keramischen Partikel, die in der Beschichtung zu finden sein können, entsprechen den für die Zusammensetzung angegebenen Stoffen bzw. deren Produkten nach der Aushärtung, so dass auf eine widerholte Beschreibung verzichtet werden kann.
  • Eine entsprechende Beschichtung kann eine gemittelte Oberflächenrautiefe ≤ 2 µm aufweisen. Die Oberflächenrautiefe Rz ist hierbei dadurch definiert, dass eine vorgegebene Messstrecke an der Oberfläche des Werkstücks in sieben gleich große Einzelmessstrecken eingeteilt wird, wobei in den Einzelmessstrecken das Profil vermessen wird und die Differenz aus maximalem und minimalem Wert bestimmt wird. Der maximale oder minimale Wert bezieht sich hierbei auf die maximale oder minimale Höhe bzw. Tiefe der Oberflächenschicht. Für fünf der oben angegebenen Teilstrecken wird der Mittelwert gebildet und die so gemittelte Rautiefe erhalten.
  • Nach einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel kann die Beschichtung auf einer Verdichterschaufel eines Flugzeugtriebwerks angeordnet sein. Vorteilhaft ist hierbei, dass die Beschichtung einfach zu entfernen ist und somit bei Bedarf wieder neu aufgebracht werden kann.
  • AUSFÜHRUNGSBEISPIEL
  • Nach einem Ausführungsbeispiel wird in einem abgedeckten 2000ml Becherglas 620g eines Alkoxysilans vorgelegt und mit 200g Butylactetat bei Raumtemperatur für 1h mit einem Dissolver im Abzug verrührt. Anschließend werden 60g eines submikronen Titandioxid (Firma Sachtleben) sowie 65g eines mikronen Aluminiumtitanats (Firma Alroko) und 80g Siliziumdioxid als Pulver zugegeben und für weitere 30 Minuten gerührt. Die Materialien können zuvor auch separat als Pulvermischung angesetzt werden.
  • Nach Reduktion der Drehzahl auf 200U/min werden 15g Graphit sowie 10g eines kommerziellen Verlaufsadditivs (BYK) hinzugegeben und für weitere 30 Minuten gerührt. Nach einem Glasabstrich, der klumpenfrei sein sollte, wird das Beschichtungsmaterial in eine SATA-HVLP Niederdrucksprühpistole gefüllt und bei 2bar auf das Bauteil aufgesprüht. Nach Ablüften bei Raumtemperatur für eine Stunde wird bei 250°C für eine Stunde eingebrannt. Nach Einbrand ergibt sich eine Schichtdicke von ca. 10µm.
  • Die entsprechenden Bestandteile der Zusammensetzung werden miteinander durch Rühren vermischt und beispielsweise durch Sprühen auf zumindest Teilen einer Verdichterschaufel einer Strömungsmaschine aufgebracht. Die entsprechende Verdichterschaufel wird in einem Ofen für eine Stunde bei 300°C ausgelagert, um die Beschichtung zu härten.
  • Die fertige Beschichtung, die sich zumindest teilweise über die Verdichterschaufel erstreckt, weist unter anderem aufgrund der feinen Keramikpartikel eine geringe gemittelte Rautiefe auf, die dem beschichteten Bauteil eine vorteilhafte Glätte verleiht, die sowohl die Anti-Fouling-Eigenschaften verbessert als auch die aerodynamischen Erfordernisse einer Verdichterschaufel in einer Strömungsmaschine erfüllt.
  • Obwohl die vorliegende Erfindung anhand des Ausführungsbeispiels detailliert beschrieben worden ist, ist für den Fachmann selbstverständlich, dass die Erfindung nicht auf dieses Ausführungsbeispiel beschränkt ist, sondern dass vielmehr Abwandlungen in der Weise möglich sind, dass einzelne Merkmale weggelassen oder andersartige Kombinationen von Merkmalen verwirklicht werden können, solange der Schutzbereich der beigefügten Ansprüche nicht verlassen wird. Die Offenbarung der vorliegenden Erfindung schließt sämtliche Kombinationen der vorgestellten Einzelmerkmale mit ein.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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    • US 6159547 A [0003]
    • WO 2008/132196 A1 [0003]
    • GB 2428604 A [0003]

Claims (14)

  1. Zusammensetzung zur Herstellung einer Beschichtung für Bauteile einer Strömungsmaschine mit Anti-Fouling-Eigenschaften, wobei die Zusammensetzung umfasst: ein Bindemittel, welches mindestens einen siliziumorganischen Bestandteil aufweist, keramische Partikel, und ein Lösungsmittel, dadurch gekennzeichnet, dass die keramischen Partikel mindestens Siliziumdioxid umfassen und das Bindemittel mindestens ein Alkoxysilan umfasst.
  2. Zusammensetzung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die keramischen Partikel eine mittlere oder maximale Korngröße kleiner 4 µm aufweisen.
  3. Zusammensetzung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der siliziumorganische Bestandteil weiterhin Polysiloxane umfasst.
  4. Zusammensetzung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die keramischen Partikel weiterhin ein oder mehrere Komponenten aus der Gruppe umfassen, die Aluminiumoxid, Titanoxid, Zirkonoxid, Aluminiumtitanat, Alumosilicat, Feldspat, Zeolithe und Kaolin umfasst.
  5. Zusammensetzung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusammensetzung weiterhin mindestens ein Fluorsilan und/oder Graphit umfasst.
  6. Verfahren zur Herstellung einer Beschichtung für Bauteile einer Strömungsmaschine mit Anti-Fouling-Eigenschaften unter Verwendung einer Zusammensetzung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die Zusammensetzung auf dem Bauteil aufgebracht wird und anschließend ausgehärtet wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusammensetzung durch eine Wärmebehandlung bei einer Temperatur zwischen 200°C und 350°C, insbesondere zwischen 250°C und 300°C für eine Zeitdauer von 10 min bis 120 min, insbesondere 15 min bis 60 min ausgehärtet wird.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusammensetzung in mehreren Teilschichten aufgebracht wird, insbesondere eine erste Teilschicht mit der Zusammensetzung aufgebracht und bei Raumtemperatur getrocknet wird und nach der Trocknung der ersten Teilschicht eine zweite Teilschicht mit der Zusammensetzung aufgebracht und getrocknet und die gesamte Schicht ausgehärtet wird.
  9. Beschichtung für Bauteile einer Strömungsmaschine mit Anti-Fouling-Eigenschaften, insbesondere hergestellt mit einer Zusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 5 und/oder einem Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, mit einer Matrix aus einem Bindemittel, welches mindestens eine siliziumorganische Verbindung aufweist, und keramischen Partikeln, die in der Matrix homogen und gleichmäßig verteilt aufgenommen sind, dadurch gekennzeichnet, dass die keramischen Partikel Siliziumdioxid umfassen und das Bindemittel ein Alkoxysilan oder ein Hydrolysat von Alkoxysilan umfasst.
  10. Beschichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die keramischen Partikel eine mittlere oder maximale Korngröße kleiner 4 µm aufweisen.
  11. Beschichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung eine Dicke im Bereich von 5 µm bis 30 µm, insbesondere 5 µm bis 15 µm aufweist.
  12. Beschichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung eine gemittelte Oberflächenrautiefe von kleiner oder gleich 2 µm aufweist.
  13. Bauteil einer Strömungsmaschine mit einer Beschichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12.
  14. Bauteil nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil eine Verdichterschaufel ist.
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