EP3455387A1 - Schutzbeschichtung für eine thermisch beanspruchte struktur - Google Patents

Schutzbeschichtung für eine thermisch beanspruchte struktur

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EP3455387A1
EP3455387A1 EP17737732.2A EP17737732A EP3455387A1 EP 3455387 A1 EP3455387 A1 EP 3455387A1 EP 17737732 A EP17737732 A EP 17737732A EP 3455387 A1 EP3455387 A1 EP 3455387A1
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EP
European Patent Office
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layer
protective coating
coating
target
thermally stressed
Prior art date
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Pending
Application number
EP17737732.2A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Jürgen RAMM
Werner Stamm
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Oerlikon Surface Solutions AG Pfaeffikon
Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Original Assignee
Oerlikon Surface Solutions AG Pfaeffikon
Siemens AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Oerlikon Surface Solutions AG Pfaeffikon, Siemens AG filed Critical Oerlikon Surface Solutions AG Pfaeffikon
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Pending legal-status Critical Current

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    • C23C28/36—Coatings combining at least one metallic layer and at least one inorganic non-metallic layer including layers graded in composition or physical properties
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2230/00—Manufacture
    • F05D2230/90—Coating; Surface treatment

Definitions

  • the invention relates to a method for arranging a
  • thermal barrier coatings are used to increase the material temperature
  • Thermal barrier coatings such as are required in gas turbines that are exposed to very high operating temperatures ⁇ Tempe.
  • thermal insulation hot gas components such as blades and combustor parts
  • a temperature field is formed, which makes it ⁇ light that during operation coverings with components such as Kal ⁇ zium, magnesium, aluminum and silicon deposit.
  • CMAS which is derived from the chemical symbols Ca, Mg, Al and Si.
  • These deposits or parts of these coatings can chemically react with ceramic material of the thermal barrier coating and / or penetrate into the thermal barrier coating.
  • the thermal insulation layer is ⁇ during the operation as the corresponding gas-turbine bine destroyed.
  • Other deposits which are formed from nickel or iron-containing deposits of oil contaminants, contaminated pipes or connections from the compressor, the thermal barrier coating by stiffening
  • a first aspect of the invention relates to a method for arranging a protective coating comprising at least one alumina-containing first layer on a thermally bean ⁇ spruchten structure by means of cathodic sparks evaporation, wherein the thermally stressed structure comprises at least one thermal barrier coating, comprising the steps:
  • the protective coating is applied as a homogeneous alpha-alumina-based layer.
  • target is a term known to a person skilled in the art for a material which is partially melted and vaporized in the said evaporation process.
  • substrate is a term known to a person skilled in the art for a material on which the evaporated target material is condensed and deposited, so that a layer is deposited on the substrate.
  • the substrate is here represented by the said thermal barrier coating.
  • layer refers, if not sourced from ⁇ explicitly to something else, is a layer constituting the protective coating.
  • RKFV alumina-based layer on the Wär ⁇ medämm Anlagen is deposited in the process, wherein the target is evaporated, which is connected as the cathode in the arc vaporization. The evaporation takes place in vacuum under controlled oxygen partial pressure or controlled oxygen gas flow.
  • the method is advantageous because it allows a homogeneous application of a protective coating, as may be the encryption of the material in an oxygen atmosphere steam at least one homogeneous layer of oxide in a single process step brought to ⁇ . There is no time-consuming treatment Nachbehand ⁇ required. If necessary, additional Behandlun ⁇ gen of cooling holes which may be present in the structure required, but represent only a small effort.
  • the target additionally comprises the metal chromium.
  • the proportion of chromium in the target promotes Ausbil ⁇ dung a corundum structure in a forming Al-Cr-O solid solution, and that even at relatively low temperatures of 500 ° C and below.
  • the content of chromium is particularly preferably dimensioned such that the lattice constant of the Al-Cr-O mixed crystal structure formed during the coating is adapted in the region lying between the corundum and the esculite.
  • Vegard's rule is used, according to which the lattice constant of a crystal of the percentage of part of the components is linearly dependent.
  • a high proportion of chromium is particularly advantageous because a protective layer is formed, which results from a diffusion of chromium from a chromium-containing material (Schutzbe- layering) in a subsidiary insulation ⁇ layer) and in which the corundum structure of Al - Cr-O mixed crystal receives.
  • the Al-Cr-O mixed crystal structure can be in various aspects
  • Crystallite sizes may be affected by the process conditions (especially the chromium content, the oxygen partial pressure prevailing during coating and the temperature of the substrate, i.e. the thermal barrier coating to which the protective coating is applied) during the film deposition and be controlled accordingly.
  • the applied layers of the protective coating depending on the conditions e.g. X-ray amorphous or in other cases in an X-ray analysis clearly show the corundum structure, the positions of the Bragg peaks corresponding to the chromium content between those of pure corundum and those of Eskolaites lie.
  • the target preferably comprises additional elements selected from the group comprising titanium, hafnium, silicon and zirconium.
  • Other elements may also be included in the target to promote certain properties.
  • the elements are selected in adaptation to the material to be coated or to influence certain properties of the layer to be produced.
  • the Lös ⁇ schwssky of said additional elements in aluminum should not be significantly exceeded. In other words, the concentration of the elements can be so high that their solubility limit in aluminum is roughly reached, but not higher if possible.
  • the concentrations of the additional elements may be higher in order to adapt the properties of the material to specific requirements, for example, to adapt the thermal expansion coefficients of the synthesized layer and the underlying material of the thermal barrier coating to each other.
  • the tempera ture ⁇ of the substrate is preferably during coating
  • the thickness of the applied protective coating is preferably between 5 and 500 ⁇ m.
  • the thickness is in depen ⁇ dependence selected from the quality of the surface on which the protective coating is arranged the layer, especially the top ⁇ surface of the thermal barrier coating.
  • At least a first and a second layers are applied for producing the protective coating. You can also apply three layers.
  • the RKFV allows ⁇ front part by way of producing a gradient between the heat insulating layer or applied to the thermal barrier coating material and a corundum structure according to the invention
  • the gradient can also be present in a layer.
  • a protective coating of several layers it is therefore possible to proceed from one structure to another structure via a gradient. This procedure advantageously allows a targeted design of a
  • Protective coating especially of several layers, in terms of their chemical composition, which should be placed on a substrate to be protected against hot gas erosion.
  • a second aspect of the invention relates to a protective coating produced by a method according to the invention. has been. So that the protective coating of the invention comprises a homogeneous layer of aluminum oxide on, be ⁇ vorzugt of Al-Cr-O-mixed crystals, and is applied by a reactive cathodic arc evaporation.
  • a third aspect of the invention relates to a component of a gas turbine with a protective coating according to the invention.
  • the component thus has a thermally stressed structure in the context of the invention, or it is this thermally bean ⁇ spruchte structure.
  • Protective coating e.g. on combustor parts or blades of a gas turbine.
  • a fourth aspect of the invention relates to a gas turbine with at least one component according to the invention.
  • the erfindungsge ⁇ Permitted gas turbine thus has at least one component, such as a combustion chamber part or a blade, which has a thermal barrier ⁇ layer on which a protective coating is applied according to the invention.
  • Figure 1 is a schematic representation of a component with an embodiment of an inventive
  • Figure 2 is a schematic representation of a component with a further embodiment of the protective coating according to the invention.
  • FIG. 3 shows a flow diagram of an embodiment of a method according to the invention.
  • a layer system 1 comprises a base material 2 of a component.
  • a metallic adhesive Layer 3 of the MCrAlY type arranged.
  • M in this alloy coins ⁇ tion typically for at least one metal selected from the group consisting of iron, cobalt and nickel.
  • Y yttrium
  • another element preferably a rare earth element, may be used in the alloy.
  • a diffusion coating such as, for example, diffusion aluminides or platinum-modified diffusion aluminides as adhesion layer 3.
  • the thermal barrier coating comprises a ceramic material, for example yttria-stabilized zirconia, or also gadolinium-stabilized zirconium oxide.
  • the heat insulating layer 4 may also both yttria-stabilized zirconia and gadolinium oxide-stabilized zirconia aufwei ⁇ sen.
  • a protective coating 5 is arranged on ⁇ , which consists of a layer in the embodiment of FIG.
  • the protective coating 5 is in one embodiment a homogeneous layer of aluminum oxide, also referred to as corundum structure.
  • the layer comprises chromium.
  • the Ko ⁇ circular structure of an Al-Cr-O mixed crystal Depending on the chromium content of chromium is diffused from a high chromium layer in a low chromium-containing, with the corundum ⁇ structure of the Al-Cr-O mixed crystal is obtained.
  • the example of a diffusion from the protective coating 5 into the thermal barrier coating 4 means that an (Al 0 , 7 Cr 0 , 3) 2O3 layer forms an (Al 0 , 99 Cr 0 , 01) 203 layer.
  • This transformation involves a temperature-dependent color change of the layer from an original dark gray hue to a green one and then to a red one.
  • corundum ruby
  • the protective coating 5 consists of a first layer 5a and a second layer 5b.
  • an adhesive layer 6 is arranged on the thermal barrier coating 4, on which in turn the protective coating 5 is arranged.
  • the adhesive layer 6 is formed, for example, by evaporation of a zirconium yttrium target.
  • the first layer 5a is arranged, which has a composition of Al-Zr-0 or Al-Zr (Cr) -0, ie that with this layer 5a between the thermal barrier coating 4 and the protective layer 5 by means of the method of RKFV material-adapted transition to the second layer 5b is produced, which has an Al-Zr-O corundum structure or an Al-Zr-Cr-O corundum structure.
  • the layers are not strictly separated from one another, son ⁇ countries merge into one another, while having differences with regard to the concentration of accompanying metals such as zirconium and chromium, or other words, a gradient.
  • the process of the RKFV is very well suited to allow the layers to merge into one another via a gradient.
  • a thermally stressed structure is provided in a coating chamber.
  • the thermally stressed structure is eg a blade of a gas turbine or a combustion chamber part.
  • the coating chamber is in
  • a vacuum chamber into which, however, oxygen can be introduced as a reactive gas to deposit an oxide on the sub ⁇ strate.
  • a target as a material for the source to be formed ⁇ protective coating 5, wherein the target comprises at least aluminum.
  • the target preferably chromium, and / or optionally other Ele ⁇ elements such as zirconium, titanium, hafnium and / or silicon.
  • a controlled amount of oxygen is introduced into the coating chamber.
  • a controlled amount of oxygen is introduced into the coating chamber.
  • a spark is ignited, so that material is evaporated from the target.
  • the evaporated target ⁇ elements react with the oxygen to form an oxide which deposits on the outside of the heat-insulating layer 4 of the thermally bean ⁇ cast-structure so that will prevent depositing layer is an oxide layer, ideally, an Al-Cr-O layer.
  • the target eg for producing an Al-Cr-O-
  • Layer an aluminum-chromium target acts as a cathode, and the wall of the coating chamber as an anode.
  • a negative potential is applied to direct the ionized material vapor towards the substrate.
  • the ver ⁇ evaporated material condenses on the surface of the heat-insulating layer and is deposited to form a layer that forms the protective coating.
  • different targets are provided, from which material for the different layers is extracted.
  • a zirconium-yttrium target is provided for the adhesion layer 6, an aluminum-chromium-zirconium target for the first layer 5a and for the second layer
  • the concentration of the elements in the targets differs depending on the desired concentration in the layers to be formed or a gradient to be generated between the layers. Even within a layer, there may be a gradient.
  • the prescribed be ⁇ traversing with the steps S2 to S4 is performed for each individual layer.
  • the coating chamber can be ventilated between the application of the individual layers so that the target can be exchanged and subsequently the coating chamber can be pumped back to the desired vacuum.
  • the coating system can be designed so that it contains all targets from the beginning of the coating process and these according to the desired layer sequence can be used without vacuum interruption.

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Abstract

Schutzbeschichtung für eine thermisch beanspruchte Struktur Es wird ein Verfahren zum Anordnen einer Schutzbeschichtung für eine thermisch beanspruchte Struktur bereitgestellt, die mindestens eine Schicht aus alpha-Aluminiumoxid oder aus elementmodifiziertem alpha-Aluminiumoxid aufweist, und wobei die Schutzbeschichtung durch reaktive kathodische Funkenverdampfung aufgetragen wird. Weiterhin werden eine durch das Verfahren hergestellte Schutzbeschichtung und ein Bauteil mit einer Schutzbeschichtung bereitgestellt.

Description

Schutzbeschichtung für eine thermisch beanspruchte Struktur
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Anordnen einer
Schutzbeschichtung auf einer thermisch beanspruchten Struktur die mittels kathodischer Funkenverdampfung hergestellt wird.
Zum Schutz von Bauteilen, die hohen Temperaturen ausgesetzt sind, werden Wärmedämmschichten (englisch thermal barrier coating, TBC) eingesetzt, um die Werkstofftemperatur bei
Hochtemperaturanwendung zu senken. Wärmedämmschichten sind z.B. bei Gasturbinen notwendig, die sehr hohen Betriebstempe¬ raturen ausgesetzt sind. Jedoch wird bei modernen Gasturbinen mit hohem Wirkungsgrad auf mit Wärmedämmschichten beschichte- ten Heißgasbauteilen, wie z.B. Schaufeln und Brennkammerteilen, häufig ein Temperaturfeld ausgebildet, das es ermög¬ licht, dass sich im Betrieb Beläge mit Bestandteilen wie Kal¬ zium, Magnesium, Aluminium und Silizium ablagern. Diese Ablagerungen werden allgemein auch als CMAS bezeichnet, was von den chemischen Symbolen Ca, Mg, AI und Si abgeleitet ist. Diese Beläge oder Teile dieser Beläge können chemisch mit keramischem Material der Wärmedämmschicht reagieren und/oder in die Wärmedämmschicht eindringen. Dabei wird die Wärmedämm¬ schicht im Laufe des Betriebs z.B. der entsprechenden Gastur- bine zerstört. Auch andere Beläge, die sich aus Nickel- oder Eisen-haltigen Ablagerungen aus Ölverunreinigungen, verschmutzten Leitungen oder Verbindungen aus dem Verdichter bilden, können die Wärmedämmschicht durch Versteifung
und/oder Versprödung zerstören.
Herkömmlicherweise wird die Bildung einer CMAS-Flüssigphase beispielsweise durch Beschichten der Wärmedämmschicht mit Aluminiumpartikeln und direkte Wechselwirkung durch Bildung von höherschmelzenden Phasen vermieden, so dass kein Schmelz- gut in Poren der Wärmedämmschicht eindringen kann. Diese Art des Beschichtens erfordert in der Regel eine Nachbehandlung und erfordert mehrere Verfahrensschritte. Es besteht damit die Aufgabe, eine Schutzbeschichtung der Wärmedämmschicht m möglichst wenigen Schritten aufzutragen.
Die Aufgabe wird mit einem Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Neben- und Unteransprüchen, den Figuren und den Ausführungsbeispielen.
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Anordnen einer Schutzbeschichtung umfassend mindestens eine Aluminiumoxid-haltige erste Schicht auf einer thermisch bean¬ spruchten Struktur mittels kathodischer Funkenverdampfung, wobei die thermisch beanspruchte Struktur mindestens eine Wärmedämmschicht umfasst, mit den Schritten:
- Sl) Bereitstellen der thermisch beanspruchten Struktur in einer Beschichtungskammer,
- S2) Bereitstellen eines Targets in der Beschichtungskammer als Materialquelle für die Schicht, wobei das Target mindestens Aluminium aufweist,
- S3) Bereitstellen eines kontrollierten Sauerstoffpar- tialdrucks in der Beschichtungskammer,
- S4) Zünden eines Funkens, so dass Material vom Target verdampft wird, das sich auf der Außenseite der Wärme¬ dämmschicht der thermisch beanspruchten Struktur niederschlägt,
wobei die Schutzbeschichtung als homogene alpha-Aluminium- oxid-basierende Schicht aufgebracht wird.
Die Bezeichnung Target ist ein dem Fachmann bekannter Begriff für ein Material, das im besagten Verdampfungsverfahren teilweise geschmolzen und verdampft wird .
Die Bezeichnung Substrat ist ein dem Fachmann bekannter Begriff für ein Material, auf dem das verdampfte Targetmaterial kondensiert und abgelagert wird, so dass eine Schicht auf dem Substrat abgeschieden wird. Das Substrat wird hier von der besagten Wärmedämmschicht dargestellt. Die Bezeichnung Schicht bezieht sich hier, wenn nicht aus¬ drücklich auf etwas anderes bezogen, auf eine Schicht, die Bestandteil der Schutzbeschichtung ist.
Unter einer Aluminiumoxid-basierenden Schicht soll eine
Schicht verstanden werden, die neben AI auch noch weitere Elemente enthalten kann. Das Verfahren der reaktiven kathodischen Funkenverdampfung
(RKFV) ist dem Fachmann bekannt. Im Wesentlichen wird in dem Verfahren eine Aluminiumoxid-basierende Schicht auf der Wär¬ medämmschicht abgeschieden, wobei das Target verdampft wird, das in der Funkenverdampfung als Kathode geschaltet ist. Die Verdampfung erfolgt im Vakuum unter kontrolliertem Sauerstoffpartialdruck bzw. kontrolliertem Sauerstoffgasfluss .
Das Verfahren ist vorteilhaft, weil es ein Aufbringen einer homogenen Schutzbeschichtung ermöglicht, da durch das Ver- dampfen des Materials in Sauerstoffatmosphäre mindestens eine homogene Schicht als Oxid in nur einem Verfahrensschritt auf¬ gebracht werden kann. Es ist keine zeitaufwändige Nachbehand¬ lung erforderlich. Gegebenenfalls sind zusätzliche Behandlun¬ gen von Kühlluftbohrungen, die in der Struktur vorhanden sein können, erforderlich, bedeuten aber nur einen geringen Aufwand .
Vorzugsweise weist das Target zusätzlich das Metall Chrom auf. Damit wird in der RKFV ein Aluminium-Chrom-Target ver- dampft. Der Anteil des Chroms im Target fördert die Ausbil¬ dung einer Korundstruktur in einem sich bildenden Al-Cr-O- Mischkristall , und zwar schon bei relativ tiefen Temperaturen von 500 °C und darunter. Besonders bevorzugt wird dabei der Gehalt an Chrom so bemessen, dass die Gitterkonstante der beim Beschichten entstehenden Al-Cr-O-Mischkristallstruktur in dem Bereich angepasst wird, der zwischen Korund und Esko- laite liegt. Dabei wird die Vegardsche Regel angewendet, nach der die Gitterkonstante eines Kristalls vom prozentualen An- teil der Komponenten linear abhängig ist. Weiterhin ist besonders ein hoher Anteil an Chrom vorteilhaft, weil eine Schutzschicht gebildet wird, die sich durch eine Diffusion von Chrom aus einem hochchromhaltigen Material (Schutzbe- Schichtung) in ein niederchromhaltiges Material (Wärmedämm¬ schicht) ergibt und bei der sich die Korundstruktur des Al- Cr-O-Mischkristalls erhält.
Die Al-Cr-O-Mischkristallstruktur kann in verschiedenen
Kristallitgrößen vorliegen, die durch die Prozessbedingungen (besonders den Chromgehalt, den während des Beschichtens herrschenden Sauerstoffpartialdruck und die Temperatur des Substrats, d.h. der Wärmedämmschicht, auf die die Schutzbe- schichtung aufgetragen wird) während der Schichtabscheidung beeinflusst werden und entsprechend gesteuert werden können. Dies hat zur Folge, dass die aufgetragenen Schichten der Schutzbeschichtung in Abhängigkeit von den Bedingungen z.B. röntgenamorph sein können oder in anderen Fällen in einer Röntgenanalyse deutlich die Korundstruktur zeigen, wobei die Positionen der Bragg Peaks entsprechend des Chrom-Gehalts zwischen denen des reinen Korunds und denen des Eskolaites liegen .
Weiterhin weist das Target bevorzugt zusätzliche Elemente ausgewählt aus der Gruppe umfassend Titan, Hafnium, Silizium und Zirkonium auf. Auch weitere Elemente können in dem Target enthalten sein, um bestimmte Eigenschaften zu fördern. Die Elemente werden in Anpassung an das zu beschichtende Material oder zum Beeinflussen bestimmter Eigenschaften der herzustel- lenden Schicht ausgewählt. Um im Sinne der Erfindung eine im Wesentlichen homogene Schicht zu erzeugen, sollte die Lös¬ lichkeitsgrenze der besagten zusätzlichen Elemente in Aluminium nicht deutlich überschritten werden. Mit anderen Worten kann die Konzentration der Elemente so hoch sein, dass ihre Löslichkeitsgrenze in Aluminium in etwa erreicht wird, aber möglichst nicht höher. Alternativ können die Konzentrationen der zusätzlichen Elemente auch höher liegen, um die Eigenschaften des Materials an bestimmte Anforderungen anzupassen, z.B. um die thermischen Ausdehnungskoeffizienten der synthetisierten Schicht und dem darunter liegenden Material der Wärmedämmschicht aneinander anzupassen. Bevorzugt beträgt die Temperatur des Substrats während des
Beschichtens mindestens 200°C. Weiterhin beträgt die Tempera¬ tur des Substrats während des Beschichtens bevorzugt um
600°C. Die Dicke der aufgetragenen Schutzbeschichtung liegt vorzugsweise zwischen 5 und 500 ym. Dabei wird die Dicke in Abhän¬ gigkeit von der Qualität der Oberfläche der Schicht, auf der die Schutzbeschichtung angeordnet wird, besonders der Ober¬ fläche der Wärmedämmschicht, gewählt.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens werden zum Herstellen der Schutzbeschichtung mindestens eine erste und eine zweite Schichten aufgetragen. Es können auch drei Schichten aufgetragen werden.
Weiterhin ist es bevorzugt, wenn während der Schichtabschei- dung ein Gradient in der chemischen Zusammensetzung der
Schutzbeschichtung hergestellt wird. Die RKFV ermöglicht vor¬ teilhaft das Herstellen eines Gradienten zwischen der Wärmedämmschicht oder einem auf der Wärmedämmschicht aufgetragenen Material und einer Korundstruktur der erfindungsgemäßen
Schutzbeschichtung . Der Gradient kann auch in einer Schicht vorliegen. Beim Herstellen einer Schutzbeschichtung aus mehreren Schichten kann somit über einen Gradienten aus einer Struktur in eine andere Struktur übergegangen werden. Dieses Vorgehen erlaubt vorteilhaft ein gezieltes Design einer
Schutzbeschichtung, besonders aus mehreren Schichten, bezüglich ihrer chemischen Zusammensetzung, die auf einem Substrat angeordnet werden soll, das gegen Heißgaserosion geschützt werden soll.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft eine Schutzbe- schichtung, die durch ein erfindungsgemäßes Verfahren herge- stellt worden ist. Die erfindungsgemäße Schutzbeschichtung weist damit eine homogene Schicht aus Aluminiumoxid auf, be¬ vorzugt aus Al-Cr-O-Mischkristallen, und wird durch eine reaktive kathodische Funkenverdampfung aufgetragen.
Ein dritter Aspekt der Erfindung betrifft ein Bauteil einer Gasturbine mit einer erfindungsgemäßen Schutzbeschichtung . Das Bauteil weist damit im Sinne der Erfindung eine thermisch beanspruchte Struktur auf, oder es ist diese thermisch bean¬ spruchte Struktur. Vorteilhaft ist die erfindungsgemäße
Schutzbeschichtung z.B. auf Brennkammerteilen oder Schaufeln einer Gasturbine.
Ein vierter Aspekt der Erfindung betrifft eine Gasturbine mit mindestens einem erfindungsgemäßen Bauteil. Die erfindungsge¬ mäße Gasturbine weist damit mindestens ein Bauteil auf, z.B. ein Brennkammerteil oder eine Schaufel, die eine Wärmedämm¬ schicht aufweist, auf der eine Schutzbeschichtung gemäß der Erfindung aufgetragen ist.
Die Erfindung wird anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen
Figur 1 eine schematische Darstellung eines Bauteils mit einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Schutzbeschichtung .
Figur 2 eine schematische Darstellung eines Bauteils mit einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schutzbeschichtung .
Figur 3 ein Fließdiagramm einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens .
In der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform weist ein Schichtsystem 1 ein Grundmaterial 2 eines Bauteils auf.
Direkt auf dem Grundmaterial 2 ist eine metallische Haft- Schicht 3 vom MCrAlY-Typ angeordnet. M steht in dieser Legie¬ rung typischerweise für mindestens ein Metall aus der Gruppe enthaltend Eisen, Kobalt und Nickel. Alternativ zu Yttrium (Y) kann ein anderes Element, vorzugsweise ein selten-Erde- Element, in der Legierung verwendet werden. Alternativ zum MCrAlY-Typ kann auch eine Diffusionsbeschichtung wie beispielsweise Diffusionsaluminide oder mit Platin modifizierte Diffusionsaluminide als Haftschicht 3 verwendet werden.
Auf der Haftschicht 3 ist eine Wärmedämmschicht 4 angeordnet. Die Wärmedämmschicht weist ein keramisches Material auf, z.B. Yttriumoxid-stabilisiertes Zirkoniumdioxid, oder auch Gadoli- niumoxid-stabilisiertes Zirkoniumoxid. Die Wärmedämmschicht 4 kann auch sowohl Yttriumoxid-stabilisiertes Zirkoniumdioxid als auch Gadoliniumoxid-stabilisiertes Zirkoniumoxid aufwei¬ sen .
Auf der Wärmedämmschicht 4 ist eine Schutzbeschichtung 5 an¬ geordnet, die in dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 aus einer Schicht besteht. Die Schutzbeschichtung 5 ist in einer Ausführungsform eine homogene Schicht aus -Aluminiumoxid, auch als Korundstruktur bezeichnet. In einer weiteren Ausführungsform weist die Schicht Chrom auf. Dabei weist die Ko¬ rundstruktur eines Al-Cr-O-Mischkristalls . In Abhängigkeit vom Chromgehalt diffundiert Chrom aus einer hochchromhaltigen Schicht in eine niederchromhaltige, wobei sich die Korund¬ struktur des Al-Cr-O-Mischkristalls erhält. Am Beispiel einer Diffusion aus der Schutzbeschichtung 5 in die Wärmedämmschicht 4 bedeutet das, dass sich aus einer (Al0, 7Cr0, 3 ) 2O3- Schicht eine (Al0, 99Cr0, 01 ) 203-Schicht bildet. Diese Umbildung ist mit einem temperaturabhängigen Farbwechsel der Schicht von einem ursprünglichen dunkelgrauen Farbton zu einem grünen und dann zu einem roten. In einer Röntgen-Kristall-Struktur- analyse lässt sich dabei der Übergang vom Mischkristall zum sogenannten Edelkorund (Rubin) zeigen.
In dem Ausführungsbeispiel gemäß der Darstellung von Fig. 2 besteht die Schutzbeschichtung 5 aus einer ersten Schicht 5a und einer zweiten Schicht 5b. Zusätzlich ist eine Haftschicht 6 auf der Wärmedämmschicht 4 angeordnet, auf der wiederum die Schutzbeschichtung 5 angeordnet ist. Die Haftschicht 6 wird beispielhaft mittels Verdampfung eines Zirkonium-Yttrium-Tar- gets gebildet. Auf dieser Haftschicht ist die erste Schicht 5a angeordnet, die eine Zusammensetzung von Al-Zr-0 oder Al- Zr (Cr) -0 aufweist, d.h. dass mit dieser Schicht 5a zwischen der Wärmedämmschicht 4 und der Schutzschicht 5 mittels des Verfahrens der RKFV ein materialangepasster Übergang zu der zweiten Schicht 5b erzeugt wird, die eine Al-Zr-O-Korund- struktur oder eine Al-Zr-Cr-O-Korundstruktur aufweist. Dabei sind die Schichten nicht strikt voneinander abgegrenzt, son¬ dern gehen ineinander über, wobei sie in Bezug auf die Konzentration von beigefügten Metallen wie Zirkonium und Chrom Unterschiede aufweisen, oder mit anderen Worten einen Gradienten. Dabei ist das Verfahren der RKFV sehr gut geeignet, die Schichten über einen Gradienten ineinander übergehen zu lassen . In einem Verfahren zum Anordnen der Schutzbeschichtung 5 gemäß der Ausführungsform gemäß Fig. 1 durch RKFV wird in einem ersten Schritt Sl eine thermisch beanspruchte Struktur in einer Beschichtungskammer bereitgestellt. Die thermisch beanspruchte Struktur ist z.B. eine Schaufel einer Gasturbine oder ein Brennkammerteil. Die Beschichtungskammer ist im
Wesentlichen eine Vakuumkammer, in die jedoch Sauerstoff als Reaktivgas eingeleitet werden kann, um ein Oxid auf dem Sub¬ strat abzuscheiden. In einem zweiten Schritt S2 wird ein Target als Material¬ quelle für die zu bildende Schutzbeschichtung 5, wobei das Target mindestens Aluminium aufweist. Weiterhin weist das Target vorzugsweise Chrom auf, und/oder wahlweise andere Ele¬ mente wie Zirkonium, Titan, Hafnium und/oder Silizium.
In einem dritten Schritt S3 wird eine kontrollierte Menge an Sauerstoff in die Beschichtungskammer eingeleitet. Dabei wählt der Fachmann einen bestimmten geeigneten Partialdruck des Sauerstoffs.
In einem vierten Schritt S4 wird ein Funke gezündet, so dass Material vom Target verdampft wird. Die verdampften Target¬ elemente reagieren mit dem Sauerstoff zu einem Oxid, das sich auf der Außenseite der Wärmedämmschicht 4 der thermisch bean¬ spruchten Struktur niederschlägt, so dass die sich ablagernde Schicht eine Oxidschicht ist, idealerweise eine Al-Cr-O- Schicht. Das Target, z.B. zum Herstellen einer Al-Cr-O-
Schicht ein Aluminium-Chrom-Target, wirkt als Kathode, und die Wand der Beschichtungskammer als Anode. An das Substrat, z.B. die Wärmedämmschicht 4 der thermisch beanspruchten
Struktur, wird zusätzlich ein negatives Potential gelegt, um den ionisierten Materialdampf zum Substrat hin zu lenken. An der Oberfläche der Wärmedämmschicht kondensiert das ver¬ dampfte Material und lagert sich zu einer Schicht ab, die die Schutzbeschichtung 5 bildet. Zum Anordnen der Schutzbeschichtung 5 gemäß der Ausführungsform von Fig. 2 werden verschiedene Targets bereitgestellt, aus denen Material für die verschiedenen Schichten herausgelöst wird. So wird für die Haftschicht 6 z.B. ein Zirkonium- Yttrium-Target bereitgestellt, für die erste Schicht 5a ein Aluminium-Chrom-Zirkonium-Target und für die zweite Schicht
5b ein Aluminium-Chrom-Target. Die Konzentration der Elemente in den Targets unterscheidet sich je nach gewünschter Konzentration in den zu bildenden Schichten bzw. eines zu erzeugenden Gradienten zwischen den Schichten. Auch innerhalb einer Schicht kann ein Gradient vorliegen. Dabei wird das be¬ schriebene Verfahr mit den Schritten S2 bis S4 für jede einzelne Schicht durchgeführt. Die Beschichtungskammer kann dazu zwischen dem Auftragen der einzelnen Schichten belüftet werden, damit das Target ausgetauscht werden kann und anschlie- ßend die Beschichtungskammer wieder auf das gewünschte Vakuum abgepumpt werden kann. Es kann allerdings die Beschichtungs- anlage so ausgelegt sein, dass sie alle Targets von Beginn des Beschichtungsprozesses enthält und diese entsprechend der gewünschten Schichtfolge ohne Vakuumunterbruch eingesetzt werden können.
Neben dem RKFV sind auch andere Verfahren geeignet, die
Schichten der Schutzbeschichtung aufzutragen. Mögliche Verfahren, die alternativ und/oder in Kombination mit den oben genannten Methoden verwendet werden können, sind beispielsweise das Sputterverfahren, thermisches Verdampfen, Elektro- nenstrahlverdampfen, Laserstrahlverdampfen oder Lichtbogen- verdampfen.
Für einen Fachmann naheliegenden Abwandlungen und Änderungen der Erfindung fallen unter den Schutzumfang der Patentansprüche .

Claims

Patentansprüche
Verfahren zum Anordnen einer Schutzbeschichtung (5) umfassend mindestens eine Aluminiumoxid-haltige erste Schicht (5a) auf einer thermisch beanspruchten Struktur mittels kathodischer Funkenverdampfung,
wobei die thermisch beanspruchte Struktur mindestens eine Wärmedämmschicht (4) umfasst, mit den Schritten:
- Sl) Bereitstellen der thermisch beanspruchten
Struktur in einer Beschichtungskammer,
- S2) Bereitstellen eines Targets als Materialquelle für die erste Schicht (5a) in der Beschichtungskammer, wobei das Target mindestens Aluminium aufweist,
- S3) Bereitstellen eines kontrollierten Sauerstoff- partialdrucks in der Beschichtungskammer,
- S4) Zünden eines Funkens, so dass Material vom Tar¬ get verdampft wird, das sich auf der Außenseite der Wärmedämmschicht (4) der thermisch beanspruchten Struktur niederschlägt,
wobei die Schutzbeschichtung (5) als homogene alpha- Aluminiumoxidschicht (5a) aufgebracht wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
wobei das Target zusätzlich Chrom umfasst.
Verfahren nach Anspruch 2,
wobei der Gehalt an Chrom so bemessen wird, dass die Gitterkonstante mindestens eines beim Beschichten ent stehenden Al-Cr-O-Mischkristalls in dem Bereich ange- passt wird, der zwischen Korund und Eskolaite liegt.
4. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche,
wobei das Target zusätzlich Elemente ausgewählt aus der Gruppe umfassend Titan, Hafnium, Silizium und Zirkonium aufweist . Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Temperatur des Substrats mindestens 200°C be trägt .
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Substrattemperatur etwa 600°C beträgt.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Dicke der aufgetragenen Schutzbeschichtung zwischen 5 und 500 ym liegt.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei zum Herstellen der Schutzbeschichtung (5) mindes tens eine erste Schicht (5a) und eine zweite Schicht (5b) aufgetragen werden.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei während der Schichtabscheidung ein Gradient in der chemischen Zusammensetzung der Schutzbeschichtung (5) hergestellt wird.
Schutzbeschichtung (5) mit mindestens einer ersten Schicht (5a) ,
hergestellt durch ein Verfahren gemäß einem der Ansprü che 1 bis 9.
Bauteil einer Gasturbine mit einer Schutzbeschichtung gemäß Anspruch 10. 12. Gasturbine mit einem Bauteil gemäß Anspruch 11.
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