SCHUTZSCHICHT

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

GEBIET DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer mehrlagigen Erosions - und Korrosionsschutzschicht mit mehreren Metallschichten (2,4) und Keramikschichten (3,5) , wobei die Metall - und Keramikschichten abwechselnd abgeschieden werden und wobei auf ei- nem Grundwerkstoff (1) eines Substrats eine der Metallschichten abgeschieden wird und wobei die Abscheidung der Metallschichten und der Keramikschichten durch physikalische Dampfpha- senabscheidung (PVD physical vapor deposition) erfolgt. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein entsprechend hergestelltes Bauteil, insbesondere ein Bauteil einer Strömungsmaschine, wie beispielsweise eines Flugtriebwerks.

STAND DER TECHNIK

Bauteile von Strömungsmaschinen, wie von stationären Gasturbinen oder Flugtriebwerken, ins- besondere Laufschaufeln, Leitschaufeln oder Turbinenauskleidungen (sogenannte shrouds) sind beim Betrieb vielfältigen Einflüssen ausgesetzt, die dazu fuhren, dass derartige Bauteile unterschiedliche Eigenschaften aufweisen müssen. So unterliegen derartige strömungsmechanisch be- lastete Bauteile einem erhöhten Verschleiß infolge von Oxidation, Korrosion und Erosion, so- dass entsprechende Verschleißschutzbeschichtungen erforderlich sind, um die Lebensdauer der entsprechenden Bauteile zu erhöhen. Hierzu sind bereits verschiedene Vorschläge gemacht wor- den, wie sie beispielsweise in dem Dokument EP 2 398 936 Bl beschrieben sind.

Bei diesen Verschleißschutzbeschichtungen bzw. Erosionsschutzbeschichtungen werden übli- cherweise mehrlagige Beschichtungen aufgebracht, die aus einer Abfolge von Schichten aus weichen und harten Materialien bestehen. Zudem ist es bekannt, diese Beschichtungen beispiels- weise auf Chrom - Basis auszubilden, sodass durch den hohen Anteil an Chrom eine Oxidations

- und Korrosionsschutzwirkung erzielt wird. Beispielsweise wird in der EP 3 246 430 Al eine Schichtabfolge aus einer Metallschicht, einer Metalllegierungsschicht, einer Metall - Keramik - Gradientenschicht und einer nanostrukturierten Keramikschicht vorgeschlagen, die durch Katho- denzerstäubung (Sputtern) oder durch kathodische Lichtbogenabscheidung (CatArc) abgeschie- den werden können. Die Metallschicht kann hierbei aus einer Cr - Schicht, die Metalllegierungs- schicht aus einer CrNi - Schicht, die Metall - Keramik - Gradientenschicht aus einer Cr _x Al _l-x N

- Schicht sowie die nanostrukturierte Keramikschicht aus Keramikteilschichten aus CrAlN und CrN gebildet werden. Aus der Veröffentlichung der internationalen Anmeldung WO 2004/059030 A2 ist die Abschei- dung von AlCrN - Schichten auf Werkzeugen bekannt, während die deutsche Offenlegungs- schrift DE 10 2009 013 129 Al eine Erosionsschutzschicht für Kunststoffbauteile offenbart.

Obwohl damit bereits Erosionsschutzschichten bekannt sind, durch die eine gute Schutzwirkung erzielt werden, ist eine weitere Optimierung von entsprechenden Erosions - und Korrosions- Schutzschichten erforderlich, sodass ein optimaler Kompromiss zwischen den verschiedenen Schutzwirkungen und einer kostengünstigen und effizienten Herstellung erreicht werden kann.

OFFENBARUNG DER ERFINDUNG

AUFGABE DER ERFINDUNG Es ist somit Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Erosions - und Korrosionsschutzbeschichtung anzugeben, welche ein ausgewogenes Eigenschaftsprofil auf- weist und in einfacher und kostengünstiger Weise hergestellt werden kann. Insbesondere soll eine entsprechend hergestellte Beschichtung einen hohen Widerstand gegen Erosionsangriff bzw. gute mechanische Eigenschaften gegen Ermüdung aufweisen.

TECHNISCHE LÖSUNG

Diese Aufgabe wird gelöst mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie ei- nem Bauteil mit den Merkmalen des Anspruchs 11. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegen- stand der abhängigen Ansprüche.

Gemäß der Erfindung wird eine mehrlagige Erosions - und Korrosionsschutzschicht vorgeschla- gen, die mehrere Metallschichten und mehrere Keramikschichten umfasst, wobei die Metall - und Keramikschichten abwechselnd aufeinander folgen und wobei eine der Metallschichten auf einem Grundwerkstoff eines Substrats bzw. Bauteils abgeschieden wird. Insbesondere kann die erfindungsgemäße Beschichtung eine Vielzahl von einzelnen Metall - und Keramikschichten aufweisen, die abwechselnd übereinander auf dem Substrat bzw. Bauteil abgeschieden werden können, jedoch beginnend mit der Metallschicht.

Gemäß der Erfindung sollen die Metallschicht und die Keramikschicht durch physikalische Dampfphasenabscheidung, insbesondere plasmaunterstützte physikalische Dampfphasenabschei- dung abgeschieden werden, wobei zunächst ein plasmaunterstütztes Ätzen des Grundwerkstoffs des zu beschichtenden Bauteils erfolgt und anschließend eine Cr - Schicht als Metallschicht auf dem Grundwerkstoff abgeschieden wird und darauffolgend unmittelbar als Keramikschicht eine Schicht, die überwiegend CrAlN aufweist.. Durch das Ätzen des Grundwerkstoffs durch plasma- unterstütztes Ätzen wird eine gute Anbindung der Beschichtung und somit gute Haftfestigkeit der Beschichtung auf unterschiedlichsten Grundwerkstoffen, wie beispielsweise Eisenlegierun- gen, Nickellegierungen, Kobaltlegierungen oder keramischen Verbundwerkstoffen, wie faserver- stärkten Keramiken erzielt. Das plasmaunterstützte Ätzen kann jedoch in einfacher Weise in der- selben Bearbeitungskammer wie das nachfolgende Abscheiden der Beschichtung durch insbe- sondere plasmaunterstützte physikalische Dampfphasenabscheidung erfolgen, sodass die Her- stellung vereinfacht wird. Gleichzeitig bieten die eine oder mehreren Cr - Schichten und die eine oder mehreren CrAlN - bzw. Keramikschichten des Schichtenverbundes, die abwechselnd abge- schieden werden, eine hervorragende Oxidations - und Korrosionsbeständigkeit sowie Erosionsbeständigkeit.

Das Abscheiden der Metallschicht(en) und der Keramikschicht(en) können unmittelbar im An- schluss an das Ätzen durchgeführt werden, sodass das Substrat bzw. Bauteil zwischen dem Ätzen und dem Abscheiden der Beschichtung nicht mehr der Umgebungsatmosphäre ausgesetzt werden muss, sodass die Oberfläche nicht oxidiert werden kann.

Nach einem Aspekt der Erfindung kann die Erosions - und Korrosionsschutzschicht insbesondere auf einem Bauteil aufgebracht werden, welches aus einem Grundwerkstoff gebildet ist, der ausgewählt ist aus der Gruppe, die Fe - , Ni - , Co - Legierungen und keramische Verbundwerkstoffe und faserverstärkte Keramiken umfasst. Insbesondere kann die Erosions - und Korrosionsschutzschicht unmittelbar auf dem Grundwerkstoff aufgebracht werden.

Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung, für den selbstständig und in Kombination mit anderen Aspekten der Erfindung Schutz begehrt wird, kann die CrAlN - Keramikschicht mit eingelagerten CrN - Nanolagen ausgebildet sein, wobei die CrN - Nanolagen eine Partikelverfestigung der Keramikschicht bewirken können und gleichzeitig Hindernisse für einen Rissfortschritt darstellen können.

Das plasmaunterstützte Ätzen vor dem Aufbringen der Schichten kann durch Kathodenzerstäubung des Substrats, durch Ionenätzen, reaktives Ionenätzen oder Ionenstrahlätzen erfolgen. Besonders vorteilhaft ist, eine Beschichtungsanlage, wie beispielsweise eine Sputter - Anlage oder ein Anlage zum Lichtbogenverdampfen, so zu betreiben, dass für das Ätzen eine Kathodenzer- stäubung des Substrats bzw. des Grundwerkstoffs des zu beschichtenden Bauteils erfolgen kann. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass eine entsprechende Bias - Spannung mit negativem Potential an das Substrat angelegt wird, sodass aus dem gezündeten Plasma in der Bearbeitungskammer positiv geladene Ionen auf das zu beschichtende Substrat beschleunigt wer- den und dort Material entfernen. Anschließend kann in einer entsprechenden Bearbeitungsanlage unmittelbar mit der Beschichtung des Substrats begonnen werden, indem die Bias - Spannung abgesenkt wird und die Zerstäubung entsprechender Targets, also eines Cr - Targets für die Be- schichtung mit einer Cr - Schicht und / oder eines CrAl - Targets zur Abscheidung einer CrAlN - Schicht, begonnen wird.

Für die Herstellung einer Cr - Schicht kann ein Cr - Target verwendet werden, welches aus tech- nisch reinem Chrom besteht und insbesondere mindestens 95 Gew.% Chrom, vorzugsweise min- destens 99 Gew.% Chromaufweist, sodass eine entsprechende Cr - Schicht entsteht, bei der der Anteil anderer Bestandteile kleiner oder gleich 5 Gew.% bzw. kleiner oder gleich 1 Gew.% ist. Alternativ kann die Metallschicht auch als Cr - Legierungsschicht mit einem überwiegenden Anteil an Chrom, z.B einem Anteil von mehr als 50 Gew.% Chrom ausgefuhrt werden.

Die Keramikschicht kann als CrAlN - Schicht ausgefuhrt werden, wobei zur Herstellung ein CrAl - Target durch Kathodenzerstäubung oder Lichtbogenverdampfen zerstäubt werden kann und gleichzeitig in die Bearbeitungskammer Stickstoff eingelassen werden kann, sodass sich ein entsprechendes Nitrid bildet. Das CrAl - Target kann einen Anteil von 64 bis 67 Gew.% Chrom und 33 bis 36 Gew.% Aluminium aufweisen.

Die CrAlN - Schicht kann eine chemische Zusammensetzung mit einem Cr - Anteil von 30 bis 34 at.%, einem Al - Anteil von 18 bis 22 at.% und Rest N aufweisen, wobei die chemische Zusammensetzung insbesondere durch energiedispersive Röntgenspektroskopie (EDX) ermittelt wird. Der im Vergleich zu einem verwendeten CrAl - Target erhöhte Cr - Anteil kann aus einge- brachten Nanolagen aus CrN resultieren. Die CrN - Nanolagen in der CrAlN - Schicht können durch Zerstäuben bzw. Verdampfen des Cr - Targets neben dem Cr Al - Target abgeschieden werden, wobei das Cr - Target kontinuierlich oder nur zeitweise bzw. intermittierend zerstäubt bzw. verdampft werden kann. Entsprechend können sich CrN - Nanolagen ausbilden, die als kontinuierliche Schicht entlang der Bauteil - o- der Substratoberfläche oder als vereinzelte Nanopartikel in die Keramikschicht eingelagert sind, wobei sich bei den CrN - Nanolagen Schichtdicken bzw. Partikelgrößen in Richtung der Schichtdicke, also quer zur Bauteiloberfläche, von 1 bis 100 nm, vorzugsweise 5 bis 50 nm erge- ben können.

Die einzelnen Schichten, also die Metallschicht(en) und die Keramikschicht(en) können kontinu- ierlich nacheinander abgeschieden werden oder es kann eine Pause zwischengeschaltet werden, in welcher die Bearbeitungskammer durch Evakuieren gereinigt werden kann, um eine Vermi- schung der Zusammensetzung der einzelnen Schichten weitgehend zu vermeiden.

Die eine oder mehreren Metallschichten können eine Schichtdicke von jeweils 10 nm bis 2 pm aufweisen und die Keramikschichten können jeweils eine Schichtdicke von 200 nm bis 20 pm aufweisen. Die Gesamtschichtdicke der Erosions - und Korrosionsschutzschutzschicht kann 2 pm bis 100 pm betragen.

Die einzelnen Metallschichten und Keramikschichten können jeweils in gleicher Weise oder in unterschiedlicher Weise abgeschieden werden, was sowohl die Ausbildung der einzelnen Schichten als auch das Abscheideverfahren betrifft.

KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN

Die beigefiigten Zeichnungen zeigen in rein schematischer Weise in

Figur 1 einen Querschnitt durch einen Teil eines Bauteils mit einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Beschichtung und in Figur 2 einen Querschnitt durch einen Teil eines Bauteils mit einer zweiten Ausfuhrungs- form einer erfindungsgemäßen Beschichtung.

AUSFÜHRUNGSBEISPIELE Weitere Vorteile, Kennzeichen und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden bei der nach- folgenden detaillierten Beschreibung der Ausfuhrungsbeispiele ersichtlich. Allerdings ist die Er- findung nicht auf diese Ausfuhrungsbeispiele beschränkt.

Die Figur 1 zeigt in einer rein schematischen Darstellung einen Teil eines Bauteils, auf welchem eine erfindungsgemäße Beschichtung aufgebracht ist. Das Bauteil weist einen Grundwerkstoff 1 auf, auf dem eine Cr - Schicht 2 abgeschieden ist, wobei nachfolgend in Richtung der Außenseite des Bauteils auf der Cr - Schicht 2 eine Keramikschicht 3 aus CrAlN gebildet ist. Die Teilbe- schichtung aus der Metallschicht 2 und der Keramikschicht 3 ist mehrmals aufgebracht, sodass über der Keramikschicht 3 eine zweite Metallschicht 4 in Form einer Cr - Schicht und darüber eine zweite Keramikschicht 5 aus CrAlN angeordnet sind. Die Figur 2 zeigt ein weiteres Ausfuhrungsbeispiel einer erfmdungsgemäßen Beschichtung, bei welchen auf einem Grundwerkstoff 1 wiederum eine Abfolge von abwechselnd angeordneten Metallschichten 2, 4 und Keramikschichten 3, 5 vorgesehen ist. Wie beim Ausfuhrungsbeispiel der Figur 1 sind auch beim Ausführungsbeispiel der Figur 2 die Metallschichten 2,4 aus Cr - Schichten gebildet, während die Keramikschicht 3,5 durch CrAlN - Schichten gebildet sind. Im Unterschied zu dem Ausfuhrungsbeispiel der Figur 1 sind jedoch bei der Beschichtung der Figur 2 in den CrAlN - Schichten 3,5 CrN - Nanolagen 6 eingelagert. Die CrN - Nanolagen 6 können als durchgehende Teilschichten entlang bzw. parallel zur Oberfläche des entsprechenden Bau- teils vorliegen oder als einzelne Nanopartikel, sodass entlang bzw. parallel zur Oberfläche des Bauteiles die CrN - Nanolagen 6 nicht durchgehend als Schicht vorgesehen sind. Die entsprechenden Schichten können in einer plasmaunterstützten PVD - Anlage, beispiels- weise in einer Anlage für kathodische Lichtbogenverdampfung (CatARC) mit einer zusätzlichen Sputter - Funktion auf das zu beschichtende Substrat aufgebracht werden.

Das Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen Beschichtung sieht zunächst ein Reinigen des Grundwerkstoffs 1 bzw. der Oberfläche des Substrats bzw. Bauteils vor, auf dem die Be- schichtung aufgebracht werden soll. Die Reinigung kann durch Ultraschallverfahren und / oder durch Abblasen mit Inertgasen, wie Argon, erfolgen. Danach wird die zu beschichtende Oberflä- che des Grundwerkstoffs einem Ätzprozess, insbesondere einem lonenätzprozess unterzogen. Das Ätzen kann durch plasmagestütztes Ätzen erfolgen, wobei beispielsweise das Substrat, auf dem die Beschichtung aufgebracht werden soll, als Target für eine Kathodenzerstäubung ver- wendet wird. Darüber hinaus kann das Ätzen des Grundwerkstoffs 1 durch Ionenätzen, reaktives Ionenätzen oder Ionenstrahlätzen durchgeführt werden. Beispielsweise kann an das Bauteil bzw. Substrat mit dem zu beschichtenden Grundwerkstoff 1 eine sogenannte Bias-Spannung im Be- reich von 400 bis 1000 V mit negativen Potenzial angelegt werden, sodass bei einem gezündeten Plasma in der Bearbeitungskammer Ionen des Plasmas auf das Substrat beschleunigt werden und dort beim Auftreffen Material entfernen (Sputtern). Gleichzeitig können ein oder mehrere Tar- gets, die sich in der Bearbeitungskammer für die nachfolgende Beschichtung befinden mit einem niedrigen negativen Potential belegt werden, um eine ungewollte Beschichtung der Targets wäh- rend des Ätzens zu vermeiden und weitere Metallionen für den Ätzprozess zur Verfügung zu stellen. Beispielsweise kann an einem Chrom - Target, welches für die nachfolgende Beschich- tung mit einer Cr - Schicht in der Bearbeitungskammer vorgesehen sein kann, eine Stromstärke von 50 bis 200 A, vorzugsweise 50 bis 180 A vorgewählt wer-den, so dass sich eine negative Spannung im Bereich von 10 bis 40 V, insbesondere 13 bis 25 V angelegt werden einstellt. Für ein CrAl - Target, welches für die nachfolgende Beschichtung einer CrAlN - Schicht Verwen- dung findet, kann eine negative Spannung im Bereich von 0 bis 50 V, insbesondere 13 bis 25 V angelegt werden, sodass sich eine Stromstärke am CrAl - Target von 50 bis 31000 A, vorzugs- weise 110 bis 8200 A vorgewählt werden, so dass sich dadurch eine negative Spannung im Be- reich von 0 bis 50 V, insbesondere 13 bis 25 V am CrAl - Target einstellt. Der Stromfluss am Chrom - Target kann in diesem Fall im Bereich von 90 bis 185 A, insbesondere 110 bis 150 A gewählt werden, während am zu beschichtenden Substrat ein Strom-fluss von 15 bis 40 A, insbe- sondere 5 bis 15 A eingestellt werden kann. Dieser wird durch die Oberfläche des Substrats be- einflusst und kann entsprechend variieren.

Beim Ätzen kann eine Argon - Atmosphäre mit einem Druck kleiner oder gleich 0,5 * 10 ² mbar, insbesondere im Bereich von 0,5 * 10 ⁴ bis 5 *l0 ³ mbar eingestellt werden, wobei ein Ar- gonzufluss von 5 bis 200 sccm (Standardkubikzentimeter pro Minute), insbesondere 10 bis 200 sccm in die Bearbeitungskammer eingestellt werden kann. Die Temperatur kann in der Bearbeitungskammer bei 200°C bis 500°C eingestellt werden.

Nachfolgend zum Vorbereiten der zu beschichtenden Oberfläche durch Ätzen kann unmittelbar mit der Abscheidung der Metallschicht 2, also der Cr - Schicht, begonnen werden. Hierzu kann die Bias - Spannung am zu beschichtenden Substrat auf 0 bis 500 V, insbesondere 20 bis 100 V abgesenkt werden, beispielsweise durch stufenweises Absenken in Schritten von 50 bis 100 V. Gleichzeitig kann am Chrom - Target ein Stromfluss am Chrom im Bereich von 90 bis 250 A, insbesondere 150 bis 220 A eingestellt werden, so dass sich am Chrom - Target eine negative Spannung im Bereich von 10 bis 50 V, insbesondere 13 bis 25 V ergibt, während der Stromfluss am Substrat bei der verringerten Bias - Spannung auf 5 bis 40 A, insbesondere 5 bis 15 A einge- stellt wird. Bei der Abscheidung der Cr - Schicht wird wiederum eine Argon - Atmosphäre mit einem Druck von 5 * 10 ² mbar, insbesondere im Bereich von 1 * 10 ³ mbar bis 5 * 10 ² mbar mit einer Flussrate des Argon - Gases im Bereich von 5 bis 200 sccm, insbesondere 10 bis 100 sccm eingestellt werden. Die Temperatur kann im Bereich von 200°C bis 500°C, insbesondere 250°C bis 500°C gewählt werden.

Nach dem Abscheiden der Cr - Schicht 2 wird eine CrAlN - Schicht 3 abgeschieden, wobei zwi- schen der Abscheidung der beiden Schichten die Bearbeitungskammer beispielsweise für eine Zeitdauer von 3 h evakuiert werden kann, um zu vermeiden, dass eine zu starke Vermischung im Übergangsbereich der Schichtzusammensetzungen erfolgt. Allerdings ist es auch möglich, dass der Wechsel von der Abscheidung der einen Schicht zur anderen Schicht kontinuierlich erfolgt, wobei kontinuierlich oder stufenweise die Abscheidebedingungen geändert werden bzw. von ei- nem Target auf das andere Target, die sich vorteilhafter weise in der gleichen Bearbeitungskam- mer befinden, umgeschaltet wird. Hierzu wird die Bias - Spannung am Substrat auf eine nega- tive Spannung von 10 bis 100 V, insbesondere 15 bis 40 V und einen Stromfluss von 5 bis 100 A, vorzugsweise 5 bis 50 A eingestellt, während an dem CrAl - Target ein Strom von 10 bis 800 A, insbesondere 150 bis 800 A eingestellt werden und sich ein negatives Potential von 10 bis 50 V, insbesondere 13 bis 25 V einstellt. Zusätzlich wird zu der Argon - Atmosphäre Stickstoff für die Bildung von Nitriden in die Bearbeitungskammer eingefiihrt. Der Stickstoff kann mit einer Zuflussgeschwindigkeit von 200 bis 1000 sccm, insbesondere 400 bis 800 sccm zugeführt wer- den, während die Argonzufuhr auf 0 bis 300 sccm, insbesondere 0 bis 100 sccm eingestellt wird. Der Druck in der Bearbeitungskammer wird wiederum im Bereich von kleiner oder gleich 5 * 10 ¹ mbar, insbesondere im Bereich von 1 * 10 ³ mbar bis 5 * 10 ² mbar gewählt, wobei die Temperatur im Bereich von 200°C bis 500 °C, insbesondere 250° bis 500 °C liegt.

Zusätzlich zu der Zerstäubung des CrAl - Targets zur Ausbildung der CrAlN - Schicht 3 kann ein Cr - Target zusätzlich zerstäubt werden, sodass sich eine sogenannte CrN - Nanolagigkeit, also die Ausbildung von Cr - Nanolagen 6 in der CrAlN - Schicht 3 ergibt. Das Cr - Target kann dabei kontinuierlich oder nur zeitweise bzw. intermittierend betrieben werden, wobei ein Stromfluss am Cr - Target von 0 bis 250 A, insbesondere 0 bis 200 A vorgegeben wird und sich eine negative Spannung im Bereich von 0 bis 50 V, insbesondere 13 bis 25 V einstellt.

Obwohl die vorliegende Erfindung anhand der Ausführungsbeispiele detailliert beschrieben wor- den ist, ist für den Fachmann selbstverständlich, dass die Erfindung nicht auf diese Ausführungs- beispiele beschränkt ist, sondern dass vielmehr Abwandlungen in der Weise möglich sind, dass einzelne Merkmale weggelassen oder andersartige Kombinationen von Merkmalen verwirklicht werden können, ohne dass der Schutzbereich der beigefügten Ansprüche verlassen wird. Insbe- sondere schließt die vorliegende Offenbarung sämtliche Kombinationen der in den verschiede- nen Ausführungsbeispielen gezeigten Einzelmerkmale mit ein, sodass einzelne Merkmale, die nur in Zusammenhang mit einem Ausführungsbeispiel beschrieben sind, auch bei anderen Aus- führungsbeispielen oder nicht explizit dargestellten Kombinationen von Einzelmerkmalen einge- setzt werden können. BEZUGSZEICHENLISTE

1 Grundwerkstoff (Substrat)

2 Metallschicht (Cr - Schicht) 3 Keramikschicht (CrAlN - Schicht)

4 Metallschicht (Cr - Schicht)

5 Keramikschicht (CrAlN - Schicht)

6 CrN - Nanolagen