EP2155929B1 - Verschleissschutzbeschichtung und bauteil mit einer verschleissschutzbeschichtung - Google Patents

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EP2155929B1
EP2155929B1 EP20080758083 EP08758083A EP2155929B1 EP 2155929 B1 EP2155929 B1 EP 2155929B1 EP 20080758083 EP20080758083 EP 20080758083 EP 08758083 A EP08758083 A EP 08758083A EP 2155929 B1 EP2155929 B1 EP 2155929B1
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EP
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layer
wear
protection coating
component
fact
Prior art date
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Wolfgang Eichmann
Falko Heutling
Thomas Uihlein
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MTU Aero Engines AG
Original Assignee
MTU Aero Engines GmbH
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Definitions

  • the invention relates to a wear protection coating, in particular an erosion protection coating, preferably for gas turbine components, according to the preamble of claim 1. Furthermore, the invention relates to a component having such a wear protection coating according to the preamble of patent claim 5.
  • Components subject to flow mechanics such as gas turbine components, are subject to wear as a result of oxidation, corrosion and erosion. Erosion is a wear process caused by solids moving in the gas flow.
  • wear protection coatings are required which protect the components against wear, in particular against erosion, corrosion and oxidation.
  • the erosion-resistant coating disclosed therein provides a wear-resistant coating consisting of multiple multilayer systems applied repetitively on the substrate to be coated. So are in the EP0674020B1 the repeatedly applied multi-layer systems formed from two different layers, namely on the one hand from a layer of a metallic material and on the other hand from a layer of titanium diboride. As in the erosion protection coating according to EP0674020B1 the multi-layer coating systems applied in repetition are formed only of two layers, alternating layers of metallic material and layers of titanium diboride are arranged in the erosion protection coating disclosed therein.
  • the EP0366289A1 discloses another erosion resistant and corrosion resistant coating for a substrate.
  • the wear protection coating is formed from a plurality of multilayer systems applied in repetition on the substrate to be coated, each multilayer system again consists of two different layers, namely a metallic layer, for example of titanium, and a ceramic layer, for example of titanium nitride.
  • FIG. 4 of EP0562108B1 discloses a wear-resistant coating formed of a plurality of multi-layer coating systems applied in repetition, wherein each multi-layer system consists of four layers, namely a ductile layer of tungsten or a tungsten alloy and three hard layers, the three hard layers differing in terms of additive element content.
  • the WO 2005/066384 A1 also discloses a wear-resistant coating having a repeat of a multilayer system comprising four monolayers.
  • the WO 2006/005 217 A2 in contrast, describes an oxidation-resistant hard layer for cutting tools on an AlCr basis, which comprises Nb, Mo, W or Ta as alloy constituents.
  • the present invention is based on the problem to provide a novel anti-wear coating and a component with such wear protection coating.
  • all layers of the or each multi-layer system have a chromium base, wherein a diffusion barrier layer is applied between the surface to be protected and the multilayer system (s).
  • the wear protection coating according to the invention ensures a very good erosion resistance and oxidation resistance.
  • the wear protection coating according to the invention has an extremely small influence on the fatigue strength of the coated component. Due to the fact that a diffusion barrier layer is integrated between the component surface and the multilayer system (s), the wear protection coating according to the invention has a high thermodynamic stability.
  • the wear protection coating according to the invention can be used over a long period of time at very high temperatures.
  • the diffusion barrier layer is constructed mono- nanostructured and particularly advantageously designed as a CrN layer.
  • the component according to the invention is defined in claim 5.
  • the present invention relates to a wear protection coating for a component, in particular for a gas turbine component such as a gas turbine blade. It is possible to coat the entire component with the wear protection coating. It is likewise possible to coat only selected sections or regions of the component with the wear-resistant coating according to the invention.
  • Fig. 1 shows a highly schematic cross section through a coated component 10, wherein on a surface 11 of the component 10, a wear protection coating according to the invention is applied, according to Fig. 1 two multi-layer coating systems 12 and 13 comprises. Each of the multilayer systems 12, 13 comprises several layers.
  • each multilayer system 12, 13 comprises a layer 14 of a metal material, a layer 15 of a metal alloy material, a layer 16 of a graded metal-ceramic material and a layer 17 of a ceramic material.
  • a mono-nanostructured diffusion barrier layer 18 is further arranged between the multi-layer system 12 and the surface 11 of the component 10.
  • the mono-nanostructured diffusion barrier layer is formed here on a chromium basis as a ceramic CrN layer.
  • the component 10 is preferably formed from a nickel-based alloy, a cobalt-based alloy, an iron-based alloy or a titanium-based alloy.
  • Each layer 14, 15, 16, 17 of each multi-layer system 12, 13 of the wear-resistant coating of the invention has a chromium base
  • the layer 14 of the metal material is a Cr layer.
  • the layer 15 of the metal alloy material is a CrNi layer.
  • the layer 16 of the graded metal-ceramic material is a CrAlN 1-x layer.
  • the layer 17 of the ceramic material is a CrAIN layer.
  • FIG. 2 A second embodiment of the invention shows Fig. 2 , in which Fig. 2 again shows a schematic cross-section through a component 20, on the surface 21 of which a plurality of multilayer systems 22, 23 and 24 comprehensive wear protection coating is applied.
  • each multilayer system 22, 23, and 24 includes a layer 25 of a metal material, a layer 26 of a graded metal-ceramic material, and a layer 27 of a ceramic material.
  • a mono-nanostructured diffusion barrier layer 28 is arranged, which is formed here as a ceramic layer based on chromium from a CrN material.
  • the component 20 is formed of a nickel-based alloy, a cobalt-base alloy, an iron-based alloy, or a titanium-base alloy.
  • Each layer 25, 26, 27 of each multilayer system 22, 23, 24 of the invention Wear protection coating has a chromium base.
  • the layer 25 of the metal material is a Cr layer.
  • the layer 26 of the graded metal-ceramic material is a CrAlN 1-x layer.
  • the ceramic material layer 27 is a CrAIN layer.
  • the layer 14 or 25 of the metal material comprises at least one phase-stabilizing element, which may be tungsten (W) and / or tantalum (Ta) and / or niobium (Nb) and / or molybdenum (Mo).
  • phase-stabilizing element may be tungsten (W) and / or tantalum (Ta) and / or niobium (Nb) and / or molybdenum (Mo).
  • the layers 16, 26 of the graded metal-ceramic material and the layers 17, 27 of the ceramic material may include or be formed of phase-stabilizing elements, wherein these phase-stabilizing elements to silicon (Si) and / or titanium (Ti) or tantalum (Ta) and / or vanadium (V) and / or molybdenum (Mo) and / or yttrium (Y) and / or tungsten (W).
  • phase-stabilizing elements to silicon (Si) and / or titanium (Ti) or tantalum (Ta) and / or vanadium (V) and / or molybdenum (Mo) and / or yttrium (Y) and / or tungsten (W).
  • the wear-resistant coating according to the invention comprises at least one multi-layer system, wherein each multi-layer system comprises at least one metallic layer, at least one layer of a graded metal-ceramic material and at least one ceramic layer. Between the multilayer system and the surface of the component there is a diffusion layer.
  • the coated member is preferably a gas turbine component made of a nickel-base alloy material or a cobalt-base alloy material, an iron-base alloy material or a titanium-base alloy material.
  • the diffusion barrier layer 18, 28 is exclusively between the device surface and the first deposited multilayer system 12, 22.
  • further diffusion barriers may be provided between individual multilayer systems 12, 13, 22, 23, 24, and
  • additional diffusion barrier layers between individual layers 14, 15, 16, 17, 25, 26, 27 may be applied.
  • These diffusion barrier layers are advantageously mono-nanostruckturiert and constructed of a CrN material.

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Description

  • Die Erfindung betrifft eine Verschleißschutzbeschichtung, insbesondere eine Erosionsschutzbeschichtung, vorzugsweise für Gasturbinenbauteile, nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Bauteil mit einer derartigen Verschleißschutzbeschichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 5.
  • Strömungsmechanisch belastete Bauteile, wie zum Beispiel Gasturbinenbauteile, unterliegen einem Verschleiß infolge von Oxidation, Korrosion und Erosion. Bei der Erosion handelt es sich um einen Verschleißvorgang, der durch in der Gasströmung mitbewegte, feste Stoffe hervorgerufen wird. Um die Lebensdauer von strömungsmechanisch belasteten Bauteilen zu verlängern, sind Verschleißschutzbeschichtungen erforderlich, welche die Bauteile vor Verschleiß schützen, insbesondere gegen Erosion, Korrosion und Oxidation.
  • Aus der EP0674020B1 ist ein mehrfachlagiger, erosionsresistenter Überzug für die Oberflächen von Substraten bekannt. Der dort offenbarte, erosionsresistente Überzug stellt eine Verschleißschutzbeschichtung bereit, die aus mehreren in Wiederholung auf dem zu beschichtenden Substrat aufgebrachten Mehrlagenschichtsystemen besteht. So sind bei der EP0674020B1 die in Wiederholung aufgebrachten Mehrlagenschichtsysteme aus jeweils zwei unterschiedlichen Schichten gebildet, nämlich einerseits aus einer Schicht eines metallischen Materials und andererseits aus einer Schicht aus Titandiborid. Da bei der Erosionsschutzbeschichtung gemäß EP0674020B1 die in Wiederholung aufgebrachten Mehrlagenschichtsysteme lediglich aus zwei Schichten gebildet sind, sind bei der dort offenbarten Erosionsschutzbeschichtung wechselweise Schichten aus metallischem Material und Schichten aus Titandiborid angeordnet.
  • Die EP0366289A1 offenbart eine weitere erosionsbeständige sowie korrosionsbeständige Beschichtung für ein Substrat. Auch gemäß der EP0366289A1 wird die Verschleißschutzbeschichtung aus mehreren, in Wiederholung auf dem zu beschichteten Substrat aufgebrachten Mehrlagenschichtsystemen gebildet, wobei jedes Mehrlagenschichtsystem wiederum aus zwei unterschiedlichen Schichten besteht, nämlich aus einer metallischen Schicht, zum Beispiel aus Titan, und aus einer keramischen Schicht, zum Beispiel aus Titannitrid.
  • Eine weitere erosionsbeständige Verschleißschutzbeschichtung ist aus der EP0562108B1 bekannt. So ist die dort offenbarte Verschleißschutzbeschichtung wiederum aus mehreren in Wiederholung auf einem zu beschichtenden Substrat aufgebrachten Mehrlagenschichtsystemen gebildet. Die Fig. 4 der EP0562108B1 offenbart dabei eine aus mehreren, in Wiederholung aufgebrachten Mehrlagenschichtsystemen gebildete Verschleißschutzbeschichtung, wobei jedes Mehrlagenschichtsystem aus vier Schichten besteht, nämlich aus einer duktilen Schicht aus Wolfram oder einer Wolframlegierung und drei harten Schichten, wobei sich die drei harten Schichten hinsichtlich eines Zusatzelementsgehalts unterscheiden.
  • Die WO 2005/066 384 A1 offenbart ebenfalls eine Verschleißschutzbeschichtung mit einer Wiederholung eines Mehrlagenschichtsystems, welches vier Einzelschichten umfasst.
  • Die WO 2006/005 217 A2 beschreibt demgegenüber eine oxidationsbeständige Hartschicht für Schneidwerkzeuge auf einer AlCr - Basis, die als Legierungsbestandteile Nb, Mo, W oder Ta umfasst.
  • Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung das Problem zu Grunde, ein neuartige Verschleißschutzbeschichtung und ein Bauteil mit einer solchen Verschleißschutzbeschichtung zu schaffen.
  • Dieses Problem wird dadurch gelöst, dass die eingangs genannte Verschleißschutzbeschichtung durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 1 weitergebildet ist. Erfindungsgemäß weisen alle Schichten des oder jedes Mehrlagenschichtsystems eine Chrombasis auf, wobei zwischen zu schützender Oberfläche und dem/den Mehrlagenschichtsystem(en) eine Diffusionssperrschicht aufgebracht ist.
  • Die erfindungsgemäße Verschleißschutzbeschichtung gewährleistet eine sehr gute Erosionsbeständigkeit sowie Oxidationsbeständigkeit. Die erfindungsgemäße Verschleißschutzbeschichtung weist einen äußerst geringen Einfluss auf die Schwingfestigkeit des beschichteten Bauteils auf. Bedingt dadurch, dass zwischen der Bauteiloberfläche und dem/den Mehrlagenschichtsystem(en) eine Diffusionssperrschicht integriert ist, verfügt die erfindungsgemäße Verschleißschutzbeschichtung über eine hohe thermodynamische Stabilität. Die erfindungsgemäße Verschleißschutzbeschichtung kann über einen längeren Zeitraum bei sehr hohen Temperaturen eingesetzt werden.
  • Vorteilhafterweise ist die Diffusionssperrschicht mono-nanostrukturiert aufgebaut und insbesondere vorteilhaft als CrN-Schicht ausgestaltet.
  • Das erfindungsgemäße Bauteil ist in Anspruch 5 definiert.
  • Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. Ausführungsbeispiele der Erfindung werden, ohne hierauf beschränkt zu sein, an Hand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:
    • Fig. 1
    einen stark schematisierten Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Verschleißschutzbeschichtung nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
    Fig. 2
    einen stark schematisierten Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Verschleißschutzbeschichtung nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
  • Die hier vorliegende Erfindung betrifft eine Verschleißschutzbeschichtung für ein Bauteil, insbesondere für ein Gasturbinenbauteil wie eine Gasturbinenschaufel. Es ist möglich, das gesamte Bauteil mit der Verschleißschutzbeschichtung zu beschichten. Ebenso ist es möglich, ausschließlich ausgewählte Abschnitte bzw. Bereiche des Bauteils mit der erfindungsgemäßen Verschleißschutzbeschichtung zu beschichten.
  • Fig. 1 zeigt einen stark schematisierten Querschnitt durch ein beschichtetes Bauteil 10, wobei auf eine Oberfläche 11 des Bauteils 10 eine erfindungsgemäße Verschleißschutzbeschichtung aufgetragen ist, die gemäß Fig. 1 zwei Mehrlageschichtsysteme 12 und 13 umfasst. Jedes der Mehrlagenschichtsysteme 12, 13 umfasst mehrere Schichten.
  • So umfasst im Ausführungsbeispiel der Fig. 1 jedes Mehrlagenschichtsystem 12, 13 eine Schicht 14 aus einem Metallwerkstoff, eine Schicht 15 aus einem Metalllegierungswerkstoff, eine Schicht 16 aus einem gradierten Metall-Keramik-Werkstoff und eine Schicht 17 aus einem Keramikwerkstoff. Zwischen dem Mehrlagenschichtsystem 12 und der Oberfläche 11 des Bauteils 10 ist weiterhin eine mono-nanostrukturierte Diffusionssperrschicht 18, angeordnet. Die mono-nanostrukturierte Diffusionssperrschicht ist auf Chrombasis hier als keramische CrN-Schicht ausgebildet.
  • Das Bauteil 10 ist vorzugsweise aus einer Nickelbasislegierung, einer Kobaltbasislegierung, einer Eisenbasislegierung oder einer Titanbasislegeriung gebildet. Jede Schicht 14, 15, 16, 17 jedes Mehrlagenschichtsystems 12, 13 der erfindungsgemäßen Verschleißschutzbeschichtung weist eine Chrombasis auf
  • So handelt es sich bei der Schicht 14 aus dem Metallwerkstoff um eine Cr-Schicht. Bei der Schicht 15 aus dem Metalllegierungswerkstoff handelt es sich um eine CrNi-Schicht. Bei der Schicht 16 aus dem gradierten Metall-Keramik-Werkstoff handelt es sich um eine CrAlN1-x-Schicht. Bei der Schicht 17 aus dem Keramikwerkstoff handelt es sich um eine CrAIN-Schicht.
  • Ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt Fig. 2, wobei Fig. 2 wiederum einen schematisierten Querschnitt durch ein Bauteil 20 zeigt, auf dessen Oberfläche 21 eine mehrere Mehrlagenschichtsysteme 22, 23 und 24 umfassende Verschleißschutzbeschichtung aufgebracht ist. Im Ausführungsbeispiel der Fig. 2 umfasst jedes Mehrlagenschichtsystem 22, 23 und 24 eine Schicht 25 aus einem Metallwerkstoff, eine Schicht 26 aus einem gradierten Metall-Keramik-Werkstoff und eine Schicht 27 aus einem Keramik-Werkstoff. Zwischen dem Mehrlagenschichtsystem 22 und der Bauteiloberfläche 21 ist eine mono-nanostrukturierte Diffusionssperrschicht 28 angeordnet, die als Keramikschicht auf Chrombasis hier aus einem CrN-Werkstoff ausgebildet ist.
  • Auch im Ausführungsbeispiel der Fig. 2 ist das Bauteil 20 aus einer Nickelbasis-Legierung, einer Kobaltbasislegierung, einer Eisenbasislegierung oder einer Titanbasislegierung gebildet. Jede Schicht 25, 26, 27 jedes Mehrlagenschichtsystems 22, 23, 24 der erfindungsgemäßen Verschleißschutzbeschichtung weist eine Chrombasis auf. Bei der Schicht 25 aus dem Metallwerkstoff handelt es sich um eine Cr-Schicht. Bei der Schicht 26 aus dem gradierten Metall-Keramik-Werkstoff handelt es sich um eine CrAlN1-x-Schicht. Bei der Schicht 27 aus dem Keramikwerkstoffhandelt es sich um eine CrAlN-Schicht.
  • Nach einer Ausführungsform der Erfindung umfasst die Schicht 14 bzw. 25 aus dem Metallwerkstoff mindestens ein phasenstabilisierendes Element, welches Wolfram (W) und/oder Tantal (Ta) und/oder Niob (Nb) und/oder Molybdän (Mo) sein kann.
  • Zusätzlich oder alternativ können auch die Schichten 16, 26 aus dem gradierten Metall-Keramik-Werkstoff und die Schichten 17, 27 aus dem Keramikwerkstoff phasenstabilisierende Elemente umfassen oder aus diesen ausgebildet sein, wobei es sich bei diesen phasenstabilisierenden Elementen um Silizium (Si) und/oder um Titan (Ti) oder um Tantal (Ta) und/oder um Vanadium (V) und/oder um Molybdän (Mo) und/oder um Yttrium (Y) und/oder um Wolfram (W) handelt.
  • Die erfindungsgemäße Verschleißschutzbeschichtung umfasst demnach mindestens ein Mehrlagenschichtsystem, wobei jedes Mehrlagenschichtsystem mindestens eine metallische Schicht, mindestens eine Schicht aus einem gradierten Metall-Kermamik-Werkstoff und mindestens eine keramische Schicht umfasst. Zwischen Mehrlagenschichtsystem und der Oberfläche des Bauteils befindet sich eine Diffusionsschicht.
  • Sämtliche Schichten des oder jedes Mehrlagenschichtsystems verfügen über eine Chrombasis, die Diffusionssperrschicht ist vorteilhafterweise mono-nanostruckturiert und aus einem keramischen CrN-Werkstoff gebildet. Bei dem beschichteten Bauteil handelt es sich vorzugsweise um ein Gasturbinenbauteil aus einem Nickelbasislegierungswerkstoff oder einem Kobaltbasislegierungswerkstoff, einem Eisenbasislegierungswerkstoff oder einem Titanbasislegierungswerkstoff.
  • In den hier beschriebenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung befindet sich die Diffusionssperrschicht 18,28 ausschließlich zwischen der Bauteiloberfläche und dem ersten aufgebrachten Mehrlagenschichtsystem 12, 22. Natürlich können zur weiteren Stabilisierung des Gesamtsystems weitere Diffusionssperrschichten zwischen einzelnen Mehrlagenschichtsystemen 12, 13, 22, 23, 24 und darüber hinaus auch noch zusätzliche Diffusionssperrschichten zwischen einzelnen Schichten 14, 15, 16, 17, 25, 26, 27 aufgebracht sein. Auch diese Diffusionssperrschichten sind vorteilhafterweise mono-nanostruckturiert und aus einem CrN-Werkstoff aufgebaut.

Claims (6)

  1. Verschleißschutzbeschichtung, insbesondere Erosionsschutzbeschichtung, die auf eine zu schützende Oberfläche eines strömungsmechanisch beanspruchten Bauteils, insbesondere eines Gasturbinenbauteils, aufgebracht ist, wobei die Verschleißschutzbeschichtung aus einem oder mehreren, in Wiederholung auf die zu beschichtende Oberfläche aufgebrachten Mehrlagenschichtsystem gebildet ist, und wobei das oder jedes Mehrlagenschichtsystem mindestens eine relativ weiche, metallische Schicht und mindestens eine relativ harte, keramische Schicht umfasst, wobei das oder jedes Mehrlagenschutzsystem (12, 13) eine Schicht (14) aus einem Metallwerkstoff, eine Schicht (15) aus einem Metalllegierungswerkstoff, eine Schicht (16) aus einem gradierten Metall-Keramik-Werkstoff, und eine Schicht (17) aus einem Keramikwerkstoff aufweist,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    alle Schichten (14, 15, 16, 17, 18, 25, 26, 27, 28) des oder jedes Mehrlagenschichtsystems (12, 13; 22, 23, 24) eine Chrombasis aufweisen, wobei zwischen der zu schützenden Oberfläche und dem/den Mehrlagenschichtsystem(en) (12, 13; 22, 23, 24) und/oder in dem/den Mehrlagenschichtsystem(en) eine Diffusionssperrschicht (18, 28) aufgebracht ist,
    und dass
    die Schicht aus einem Metallwerkstoff (14, 25) mindestens ein Element aus Wolfram (W) und/oder Tantal (Ta) und/oder Niob (Nb) und/oder Molybdän (Mo) umfasst.
  2. Verschleißschutzbeschichtung nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Schicht (16; 26) aus dem gradierten Metall-Keramik-Werkstoff und/oder die Schicht (17; 27) aus dem Keramikwerkstoff mindestens ein phasenstabilisierendes Element aus Silizium (Si) und/oder Tantal (Ta) und/oder Titan (Ti) und/oder Wolfram (W) und/oder Molybdän (Mo) und/oder Yttrium (Y) und/oder Vanadium (V) umfasst.
  3. Verschleißschutzbeschichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Mehrlagenschichtsystemen (12, 13, 22, 23, 24) weitere Diffusionssperrschichten aufgebracht sind.
  4. Verschleißschutzbeschichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen einzelnen Schichten (14, 15, 16, 17, 25, 26, 27) der Mehrlagenschichtsystem(e) (12, 13, 22, 23, 24) zusätzliche Diffusionssperrschichten aufgebracht sind.
  5. Bauteil, insbesondere Gasturbinenbauteil, mit einer Verschleißschutzbeschichtung, insbesondere mit einer Erosionsschutzbeschichtung, die auf eine zu schützende Oberfläche des strömungsmechanisch beanspruchten Bauteils aufgebracht ist, wobei die Verschleißschutzbeschichtung aus einem oder mehreren, in Wiederholung auf der zu beschichtenden Oberfläche aufgebrachten Mehrlagenschichtsystem gebildet ist,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Verschleißschutzbeschichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4 ausgebildet ist.
  6. Bauteil nach Anspruch 5,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass dasselbe aus einer Nickelbasislegierung oder einer Kobaltbasislegierung oder einer Eisenbasislegierung oder Titanbasislegierung gebildet ist.
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