Die vorliegende Erfindung betrifft eine Oxidationsschutzschicht auf Chrombasis für Substrate welche hohen Temperaturen ausgesetzt werden.

Stand der Technik

Gemäss der DE 102005061060 werden Oxidationsschutzschichten beispielsweise bei Gasturbinenteilen, Gasturbinenschaufeln, Platten von Brennkammern oder dergleichen eingesetzt. Dort wird beschrieben wie Schichten mittels sogenannten Plasmaspritzens aus einer Suspension heraus auf die Substrate aufgebracht wird. Solche derart aufgebrachten Schichten haben allerdings u.a. den Nachteil, dass diese nur relativ dick aufgebracht werden können und auch Spannungen aufweisen, welche sich negativ auf das Haftungsvermögen auswirken können. Oxidationsbeständige und schlecht wärmeleitende Werkstoffe werden aber auch im Zusammenhang mit Kolben eingesetzt, wie zum Beispiel in der DE10 2009 035841 offenbart.

Es besteht daher ein Bedürfnis nach Schichten welche für Substrate, die in der Anwendung hohen Temperaturen ausgesetzt sind, einen guten Oxidationsschutz bieten.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung solche Schichten sowie deren Herstellungsverfahren anzugeben.

Beschreibung der vorliegenden Erfindung

Erfindungsgemäss wird die Aufgabe durch ein Chrom enthaltendes Schichtsystem gelöst. Das Chrom kann als metallisches Chrom oder in Verbindungen zum Beispiel als Chromoxid und oder Chromnitrid vorliegen. Die Schicht und/oder das Schichtsystem kann weitere chemische Elemente, wie zum Beispiel Aluminium, metallisch oder in Verbindung enthalten. Vorzugsweise wird auf das Substrat zunächst eine Zwischenschicht aufgebracht auf die dann eine Topschicht abgeschieden wird.

Das Schichtsystem wird mittel Abscheidung aus der Gasphase aufgebracht. Hierbei kommen beispielsweise PVD und/oder CVD Verfahren in Frage. Es ist auch möglich einen Teil der Schichten des Schichtsystems mittels PVD und den anderen Teil der Schichten des Schichtsystems mittels CVD aufzubringen. Beispielsweise kann als PVD Verfahren das Sputtern und/oder das Verdampfen unter Vakuumbedingungen angewendet werden. Beim

BESTÄTIGUNGSKOPIE Verdampfen ist als, besonders bevorzugt das Funkenverdampfen zu nennen, bei dem mittels eines Lichtbogens Material von einer Targetoberfläche lokal verdampft wird.

Die Erfindung wird nun anhand mehrerer Beispiele beispielhaft im Detail beschrieben.

Gemäss einer ersten Ausführungsform wird auf ein Substrat eine 3μηι dicke CrN Zwischenschicht aufgebracht auf die eine 3pm dicke AlCrO-Schicht aufgebracht wird.

Gemäss der vorliegenden Erfindung kann die AlCrO-Schicht auch als Multilayerschicht abgeschieden werden, beispielweise mit unterschiedlichen Zusammensetzungen für die Einzellschichten abgeschieden werden kann.

Gemäss einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird auf ein Substrat eine 3.5 μηι dicke CrN Zwischenschicht aufgebracht auf die eine 3.5 μιη dicke AlCrO- Schicht aufgebracht wird.

Gemäss einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird auf ein Substrat eine 1.7 μιτι dicke CrN Zwischenschicht aufgebracht auf die eine 1.7 μιτι dicke AlCrO-Schicht aufgebracht wird.

Gemäss einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird auf ein Substrat eine 5 μιτι dicke CrN Zwischenschicht aufgebracht auf die eine 5 μΓη dicke CrO/N Multilayer (CrO/CrN Multilayer) aufgebracht wird.

Bei den vorgenannten Ausführungsformen kann die Beschichtungstemperatur beispielsweise bei 450C liegen.

Gemäss einer fünften und bevorzugten Ausführungsform wird auf eine auf das Substrat aufgebachte CrN Zwischenschicht eine CrN/CrON Multischicht aufgebracht (siehe hierzu den Kaloschliff in der Figur 1). Wie aus der Elektronenmikroskopaufnahme der Figur 2 ersichtlich beträgt die Dicke der CrN Zwischenschicht ca. 2.4 μπι und die Dicke der Multischicht ca. 3 μηη.

Bei der Multischicht handelt es sich im Beispiel um ein aus 36 Einzelschichten bestehendes Multilayer, davon jeweils 18 CrN Einzelschichten und 18 CrON Einzelschichten (siehe Figur 1). Zum Aufbringen der Schichten wurde für jede Einzelschicht jeweils ca. 2 Min benötigt, so dass die Dauer für die Beschichtung der Multischicht in etwa 72 Minuten betrug. Bei der Beschichtung wurde eine Beschichtungstemperatur von ca. 230°C eingehalten. Dabei kann die Anzahl der Einzelschichten sowie deren Dicke der Anwendung angepasst gewählt werden. Es resultiert eine dünne, hochbeständige und vor Oxidation schützende Schutzschicht, geeignet unter anderem für Substrate welche in der Anwendung hohen Temperaturen ausgesetzt sind und die vor Oxidation geschützt werden sollten.

In den Beispielen wurde CrN als Zwischenschicht. Erfindungsgemäss ist es jedoch auch möglich andere Schichten als Zwischenschichten zu verwenden, so zum Beispiel metallisches Chrom. Es ist auch möglich zunächst metallisches Chrom auf die Substratoberfläche aufzubringen, gefolgt von einer dickeren CrN Schicht auf die dann eine aus dünneren Einzelschichten aufgebaute CrN/CrON Multischicht aufgebracht wird.

Offenbart wurde eine Oxidationsschutzschicht auf Chrombasis für Substrate welche hohen Temperaturen ausgesetzt werden, wobei die Schicht ein Chrom enthaltendes Schichtsystem umfasst welches eine Basisschicht und eine Funktionsschicht umfasst und wobei die Basisschicht sich zwischen dem Substrat und der Funktionsschicht befindet, und wobei die Basisschicht mindestens grösstenteils Chromnitrid enthält und die Funktionsschicht Chromoxid enthält.

Gemäss einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung besteht die Basisschicht aus Chromnitrid, kann aber auch für manche Anwendungen aus Aluminiumchromnitrid bestehen.

Gemäss einer weiteren Ausführungsform enthält die Funktionsschicht mindestens grösstenteils Aluminiumchromoxid oder vorzugsweise besteht die Funktionsschicht aus Aluminiumchromoxid.

Gemäss einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist die Funktionsschicht eine mehrlagige Schichtstruktur auf welche alternierend-abgeschiedene Einzelschichten A und B umfasst, wobei die Zusammensetzung der A Einzelschichten sich von der Zusammensetzung der B Einzelschichten unterscheidet.

Die Schichtdicke der Basisschicht ist vorzugsweise grösser 1 μητι, für manche Anwendung vorzugsweise zwischen 1 ,5 und 10 μιτι ist oder noch mehr bevorzugt zwischen 2 μιτι und 7 m ist. Das Verhältnis zwischen der Schichtdicke der Funktionsschicht und der Schichtdicke der Basisschicht liegt vorzugsweise zwischen 0.5 und 2, oder für manche Anwendungen vorzugsweise zwischen 0.25 und 1.5.

Auch eine erfindungsgemässe Oxidationsschutzschicht ist eine Oxidationsschutzschicht auf Chrombasis für Substrate welche hohen Temperaturen ausgesetzt werden, wobei die Schicht ein Chrom enthaltendes Schichtsystem umfasst welches eine Funktionsschicht umfasst, und wobei die Funktionsschicht eine mehrlagige Schichtstruktur aufweist welche alternierend-abgeschiedene Einzelschichten A und B umfasst, wobei die Zusammensetzung der A Einzelschichten sich von der Zusammensetzung der B Einzelschichten unterscheidet, und wobei die A Einzelschichten mindestens grösstenteils Aluminiumchromnitrid oder vorzugsweise Chromnitrid und die B Einzelschichten mindestens grösstenteils Aluminiumchromoxid oder Chromoxid oder vorzugsweise Aluminiumchromoxinitrid oder noch mehr bevorzugt Chromoxinitrid enthalten.

Im Allgemeinen, gemäss der vorliegenden Erfindung, enthalten die A Einzelschichten mindestens grösstenteils Aluminiumchromnitrid oder vorzugsweise Chromnitrid und die B Einzelschichten mindestens grösstenteils Aluminiumchromoxid oder Chromoxid oder vorzugsweise Aluminiumchromoxinitrid oder noch mehr bevorzugt Chromoxinitrid.

Gemäss weiteren bevorzugten Ausführungsformen einer Oxidationsschicht gemäss der vorliegenden Erfindung:

• Bestehen die A Einzelschichten aus Aluminiumchromnitrid und die B Einzelschichten aus Aluminiumchromoxid oder vorzugsweise aus Aluminiumchromoxinitrid, oder

• Bestehen die A Einzelschichten aus Chromnitrid und die B Einzelschichten aus Aluminiumchromoxid oder vorzugsweise aus Aluminiumchromoxinitrid, oder besonders bevorzugt

• Bestehen die A Einzelschichten aus Chromnitrid und die B Einzelschichten aus Chromoxid oder vorzugsweise aus Chromoxinitrid.

Die mehrlagige Schichtstruktur kann auch eine Einzelschicht C umfassen welche zwischen einer A Einzelschicht und einer B Einzelschicht abgeschieden ist, wobei die Zusammensetzung der C Einzelschicht sich jeweils von der Zusammensetzung der A Einzelschicht und von der Zusammensetzung der B Einzelschicht unterscheidet, und wobei die C Einzelschicht mindestens grösstenteils Aluminiumchromoxinitrid oder vorzugsweise Chromoxinitrid enthält. Vorzugsweise besteht eine solche C Einzelschicht aus Aluminiumchromoxinitrid oder noch bevorzugt aus Chromoxinitrid.

Gemäss einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die mehrlagige Schichtstruktur, jeweils zwischen jeder Einzelschicht A und jeder Einzelschicht B welche eine auf der anderen alternierend-abgeschieden sind, eine Einzelschicht C, deren Stickstoff-Anteil grösser als der Stickstoffanteil in der direkt nebenstehenden Einzelschicht B und kleiner als der Stickstoffanteil in der direkt nebenstehenden Einzelschicht A ist.

Die Schichtdicke jeder Einzelschicht A und/oder B beträgt vorzugsweise zwischen 50 nm und 100 nm.

Zudem wurde auch ein beschichtetes Substrat mit einer Oxidationsschicht gemäss einer der oben beschriebenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung offenbart.

Ausserdem wurde ein Verfahren zur Herstellung einer Oxidationsschicht nach der oben beschriebenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung offenbart, wobei vorzugsweise das Verfahren ein PVD-Verfahren ist, beispielweise ein Sputterverfahren oder für manche Anwendungen vorzugsweise ein Funkenverdampfungsverfahren. Vorzugsweise sollte die Prozesstemperatur während des Beschichtungsprozesses nicht höher als 450 °C sein.