Gasturbinen haben die Aufgabe ein Gas in eine Richtung zu bewegen. Die Gasturbine umfasst zumindest einen Rotor der um eine Achse rotiert und der einen Träger aufweist an dessen Peripherie eine Vielzahl radial nach aussen ragender Turbinenschaufeln angeordnet sind. Um ein Rückströmen des Gases entgegen der gewünschten Richtung weitestgehend zu verhindern um damit eine möglichst hohe Effizienz von Gasturbinen zu erreichen, ist eine Turbinenauskleidung vorgesehen, um zwischen Turbinenschaufel und Turbinenauskleidung einen Spalt mit minimalem Spaltabstand zu gewährleisten.

Das wird durch sogenannte Einlaufschichten auf Seite der Turbinenauskleidung erreicht. Diese Einlaufschichten dienen dazu, den Spaltabstand zwischen einer Turbinenschaufel und der umgebenden Turbinenauskleidung so gering wie möglich zu halten um Druckverluste zu verhindern. Die Einlaufschichten sind in der Regel porös und nur schwach in sich gebunden. Das hat zur Folge, dass die am Anfang die Einlaufschicht noch häufig berührende Turbinenschaufelspitze diese soweit abträgt, bis ein im Wesentlichen berührungsloser Rundlauf bei minimalem Spaltabstand realisiert ist.

Allerdings können die Turbinenschaufeln, beispielsweise bei deren thermischer Ausdehnung oder durch Erschütterungen herbeigeführter Auslenkung der Turbine aus dem Zentrum, die poröse und nur schwach in sich gebundene Einlaufschicht in unerwünschter Weise abtragen und somit den Spaltabstand erhöhen und die Effizienz verkleinern.

Zum Schutz der Schaufelspitze gegen Verschleiss werden Schaufelspitzenbeschichtungen eingesetzt. Diese Schaufelspitzenbeschichtungen bestehen typischerweise aus abrasiven Partikeln (wie zum Beispiel kubisches Bornitrid) welche in einer Matrix (wie z.B. MCrAlY) eingebettet sind. Dabei steht „M“ für ein Metall, wobei es sich meistens um Kobalt, Nickel oder eine Kobalt-Nickel Legierung handelt. „Cr“ steht dabei für Chrom, „AI“ für Aluminium und „Y“ steht für Yttrium.

BESTÄTIGUNGSKOPIE Derartige Beschichtungen werden gemäss dem Stand der Technik durch komplexe und kostenintensive Prozesse wie elektrolytischer oder elektrophoretischer Abscheidung (US5935407A) aufgebracht.

Ein Nachteil der auf diese Weise gemäss dem Stand der Technik realisierten Beschichtungen ist die geringe Schichthaftung. Beim entsprechenden Beschichtungsprozess ist nämlich der Energieeintrag relativ gering und es kommt an der Grenzfläche zur Substratoberfläche kaum zu Diffusionsprozessen die normalerweise für eine akzeptable Schichthaftung sorgen. Als Resultat kann es bereits zu einem Versagen und Delamination der kompletten Schicht oder der abrasiven Partikel auf Grund der bei der Rotation auftretenden Kräfte kommen.

Es kommt hinzu, dass sowohl die im Stand der Technik verwendeten abrasiven Partikel als auch die Matrix bei hohen Temperaturen nicht oxidationsbeständig sind und auf Grund der Oxidation versagen. Die typischerweise eingesetzten abrasiven Partikel haben eine Partikelgrösse in der Grössenordnung der Schichtdicke und können daher von der Oberfläche bis an die Grenzfläche zwischen Beschichtung und Substrat reichen. Wird nun das Partikel oxidiert, so wird das Schaufelmaterial oder die entsprechende Grenzfläche direkt angegriffen was bei einer Oxidation des Partikels zu einem direkten Angriff des Schaufelmaterials oder der Grenzfläche zwischen Schaufelmaterial und Beschichtung führen kann.

Es besteht daher ein Bedürfnis, die aus dem Stand der Technik bekannte Beschichtung haftfester und oxidationsbeständiger zu machen. Diesem Bedürfnis liegt die Aufgabe der vorliegenden Erfindung zugrunde.

Die oben geschilderte Aufgabe wird erfindungsgemäss und entsprechend dem Anspruch 1 dadurch gelöst, dass für die Beschichtung Abscheidungen aus der Gasphase mittels PVD Verfahren eingesetzt werden. Besonders bevorzugt ist der Einsatz der reaktiven Funkenverdampfung.

Durch den Einsatz von reaktiver Funkenverdampfung kann nämlich die Haftung von Schaufelspitzenbeschichtungen deutlich verbessert werden, da ein höherer Energieeintrag der Gasionen zu einer verbesserten Schichthaftung beiträgt. Auch die Herstellungsparameter können freier gewählt werden, wodurch eine Abscheidung bei höheren Temperaturen möglich ist.

Durch den Einsatz unterschiedlicher Targetmaterialien und von Reaktivgasen können in einem einzelnen Verfahren eine Haftschicht und/oder Matrix als auch abrasive Phasen wie Oxide, Boride, Carbide oder Nitride abgeschieden werden. Diese Phasen können entweder als Schichten in einer Multilagenstruktur oder aber auch als Makroparikel in einer Matrix eingebracht werden. Im Gegensatz zu herkömmlichen Herstellungsverfahren für Schaufelspitzenbeschichtungen, die auf elektrolytischer oder elektrophoretischer Abscheidung beruhen, können dabei sehr kleine Partikel oder dünne Lagen in einer Matrix (z.B. umfassend ein MCrAlY Material und bevorzugt bestehend aus einem MCrAlY Material) komplett eingebettet werden, wodurch tiefer liegende abrasive Phasen, auch wenn sie nicht oxidationsbeständig sind (was jedoch nur auf manche zutrifft), von der darüber liegenden Matrix (z.B. MCrALY) geschützt werden. Damit kann ein Schutzeffekt der Schaufelspitze gegenüber der Einlaufschicht an der Auskleidung auch bei Kontakt- bzw. Abriebsituationen nach längerer Betriebsdauer als bei konventionellen Schaufelspitzenbeschichtungen erzielt werden.

Die Schicht kann aus mehreren Lagen bestehen wobei eine Haftschicht an das Substratmaterial angepasst werden kann um eine optimale Haftung zu ermöglichen.

Die abrasive Phase der Schaufelspitzenbeschichtung kann an die Einlaufschichtung auf der Turbinenverkleidung angepasst werden. Diese abrasiven Phasen können entweder als Lagen oder Partikel in der Schicht eingebaut werden.

Schichtdicken könne variiert werden, um die Beschichtung dem thermischen und abrasiven Beanspruchungsprofil anzupassen und damit die Standzeit zu erhöhen.

Eine thermisch weniger beanspruchbare Schicht kann über die Schaufelspitzenbeschichtung abgeschieden werden, um zum Beispiel die Verschleissbeständigkeit der gesamten Schaufelspitzenbeschichtung im initialen Einlaufprozess zu erhöhen. Die Erfindung wird nun anhand eines Beispiels und mit Hilfe der Figuren im Detail erläutert:

Figur 1 zeigt schematisch ein erfindungsgemässes Schichtsystem aus einer MCrAlY Schicht und einer darüber liegenden Oxidschicht.

Figur 2 zeigt schematisch ein erfindungsgemässes Multilagenschichtsystem.

Figur 3 zeigt die schematische Darstellung einer Turbine

Figur 4 zeigt ein SEM des Querschnitts eines erfindungsgemässen Multilagenschichtsystems, nachdem es für 10 Stunden einer Temperatur von 1200°C ausgesetzt worden war

Figur 5 zeigt das Röntgendiffraktogramm einer abrasiven Phase aus einem Aluminiumoxid-Chromoxid.

Die in Figur 3 dargestellte Turbine mindestens eine Turbinenschaufel 5 auf einer rotierenden Scheibe 3 mit einer Schaufelbasis 7 und einer Schaufelspitze 9. Die Figur 3zeigt auch eine Einlaufschicht 11 an einer Turbinenauskleidung 1 gegenüber der Schaufelspitze 9 und separiert von dieser mit einem Spalt G.

Auf einer Schaufelspitze aus einer Superlegierung (kann zum Beispiel einkristallin sein) wird eine Beschichtung des Aufbaues MCrAlY - Aluminium-Chrom-Oxid, oder eine Multilagenschicht aus abwechselnden MCrAlY - Aluminium-Chrom-Oxid Schichten abgeschieden.

Das MCrAlY wir dabei durch plasmaverstärkte kathodische Funkenverdampfung von einer MCrAlY Materialquelle ( = Target) abgeschieden. Dabei kann die MCrAlY Schicht Dicken von 0.1 - 100 Mikrometer entsprechend der geforderten

Oxidationsbeständigkeit aufweisen.

Auf der MCrAlY Haft- und Oxidationsschutzschicht wird nun die Oxidschicht abgeschieden. Die Aluminium-Chrom-Oxid Lagen werden von metallischen AlCr Targets mittels reaktiver kathodischer Funkenverdampfung in Sauerstoffatmosphäre abgeschieden. Die Oxidschicht kann dabei 0.5 bis 50 Mikrometer dick sein.

Um schädliche Diffusionsprozesse zu unterdrücken und damit die Lebensdauer zu erhöhen, kann die Oxidschicht auch als eine Multilagenschicht abgeschieden werden, in der die MCrAlY Schicht sich in regelmässigen oder sonstigen Abständen von 0.1- 20 Mikrometern mit einer Aluminium-Chrom-Oxidschicht abwechselt.

In diesem Konzept bietet die Oxidbeschichtung eine Diffusionsbarriere, welche zugleich auch als abrasive Phase dient, die nicht oxidationsempfindlich ist. Ebenso liefert die direkt an das Substrat anhaftende MCrAlY Lage eine ausgezeichnete Haftung zur Schaufelspitze und die Summe aller MCrAlY Lagen in der gesamten Schaufelspitzenbeschichtung verhindern nach innen orientierte Diffusionsprozesse und schützen das Substrat effizient vor Oxidation.

Ganz allgemein lässt sich sagen, das die Härte des erfindungsgemässen Gesamtschichtsystems durch das Verhältnis von abrasiver Phase zu MCrAlY eingestellt werden kann um einen optimalen Abtrag der Einlaufschicht zu ermöglichen. So können zum Beispiel Schichten mit Oxidphasen im Bereich 7 bis 25 GPa einestellt werden. Wenn jedoch härtere abrasive Phasen wie Nitride, Boride oder Carbide eingesetzt werden kann die Härte auf bis zu 45 GPa erhöht werden. Zum Beispiel hat die Schicht in Figur 4 eine Härte von ca. 13 GPa.

Wenn Aluminiumoxid-Chromoxid als abrasive Phase eingesetzt wird bildet es in der Kathodischen Funkenverdampfung einen Mischkristall in der Korrundstruktur mit einer starken Vorzugsorientierung, wie in der Figur 5 zu sehen ist. In der Korrundstruktur ist das Mischoxid in seiner thermisch stabilen Hochtemperaturmodifikation und kann damit die hohen Einsatztemperaturen ohne Phasenumwandlung erreichen. Die mit der Phasenumwandlung verbundenen Volumensänderungen welche zum Versagen der Schicht führen können, können damit verhindert werden.