Die Erfindung betri f ft ein Verfahren zur Herstellung einer Beschichtung auf wenigstens einem Teil der Oberfläche eines Bauteils aus hochtemperaturbeständigen keramischen Faserverbundwerkstof fen zum Schutz vor Umwelteinflüssen, sowie ein Bauteil mit entsprechender Beschichtung .

Bauteile aus keramischen Faserverbundwerkstof fen werden vermehrt insbesondere in Bereichen mit hoher thermischer Belastung eingesetzt . So können Brennkammerwände und Turbinenschaufeln von Gasturbinen bzw . Flugzeugtriebwerken aus keramischen Faserverbundwerkstof fen hergestellt sein .

Aufgrund der hohen thermischen Belastung tendieren nicht-oxidische keramische Faserverbundwerkstof fe zur Oxidation . Bei einem SiC-SiC-Werkstof f ( Sili ziumkarbid- Fasern und Matrix zumindest basierend auf Sili ziumkarbid) entsteht so bspw . SiO2 ( Sili ziumoxid) . Gelangt weiterhin Wasserdampf bei hohen Gastemperaturen an das Sili ziumoxid bildet sich ein Sili ziumhydroxid, welches verdampft . Nach dem Verdampfen kann es erneut zur Bildung von Sili ziumoxid kommen . Dieser quasi-kontinuierlich ablaufende Prozess führt zur Reduzierung der Bauteildicke und resultiert letztendlich die Festigkeit des Bauteils aus nicht-oxidischem keramischen Faserverbundwerkstof fes .

Aufgrund dieses Verhaltens bekannter nicht-oxidischer keramischer Faserverbundwerkstof fe ist in der Regel eine umgebungsstabile Schutzschicht auf der Oberfläche entsprechender Werkstof fe vorgesehen . Die umgebungsstabile Schutzschicht , welche den Werkstof f vor unerwünschten Reaktionen mit dem Umgebungsgas - bei Turbinenschaufeln eines Flugzeugtriebwerks bspw . das Verbrennungsgas - schützen sollen, sind dabei regelmäßig mit einer Sili zium-Haftschicht an dem Substrat befestigt . Es hat sich gezeigt , dass es bei bekannten keramischen Faserverbundwerkstof fen mit durch Sili zium-Haftschicht daran angebrachter umgebungsstabiler Schutzschicht in heißer, wasserdampfhaltiger Umgebung zu einem verfrühten Abplatzen der Schutzschicht kommen kann .

Aufgrund der hohen thermischen Belastung tendieren nicht nur die nicht-oxidischen keramischen Faserverbundwerkstof fe , sondern auch die Sili zium-Haftschicht zur Oxidation . An der Grenz fläche der Sili zium-Haftschicht zur umgebungsstabilen Schutzschicht kann daher ebenfalls Sili ziumoxid entstehen . Gelangt weiterhin Wasserdampf bei hohen Gastemperaturen an das Sili ziumoxid verdampft das Sili ziumoxid und es entstehen Poren entlang der Grenz fläche . Bei einer zusätzlich hohen mechanischen Belastung kommt es zu einem Riss-induziertem Zusammenschluss der einzelnen Poren und so entsprechend zu einem Abplatzen der umgebungsstabilen Schutzschicht .

Im Anschluss wird die Sili zum-Haf tschicht vergleichbar zu dem für nicht-oxidische keramische Faserverbundwerkstof fe bereits erläuterten Prozess entfernt , bevor es dann, wie beschrieben, zur Reduzierung der Bauteildicke und resultiert letztendlich die Festigkeit des Bauteils aus nicht-oxidischem keramischen Faserverbundwerkstof fes kommt . Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es , ein Verfahren zur Herstellung einer Beschichtung auf wenigstens einem Teil der Oberfläche eines Bauteils aus hochtemperaturbeständigen keramischen Faserverbundwerkstof fen zum Schutz vor Umwelteinflüssen sowie ein Bauteil mit entsprechender Beschichtung zu schaf fen, bei dem die Nachteile aus dem Stand der Technik nicht mehr oder nur noch in vermindertem Umfang auftreten .

Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren gemäß dem Hauptanspruch sowie ein Bauteil gemäß dem nebengeordneten Anspruch . Demnach betri f ft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Beschichtung auf wenigstens einem Teil der Oberfläche eines Bauteils aus hochtemperaturbeständigen nicht-oxidischen keramischen Faserverbundwerkstof fen zum Schutz vor Umwelteinflüssen, umfassend die Schritte : a ) Aufbringen einer Haftschicht auf den mit einer Beschichtung zu versehenden Teil der Oberfläche des Bauteils ; b ) Aufbringen einer Wasserdampfbarriere auf den mit einer Beschichtung zu versehenden Teil der Oberfläche des Bauteils ; und c ) Aufbringen einer Deckschicht zum Schutz vor Umwelteinflüssen auf die Wasserdampfbarriere , wobei die Deckschicht eine definierte Mikrostruktur aus Mikroporen und/oder Mikrorissen aufweist , sodass das Verhältnisses von Schubmodul G zu Kompressionsmodul K der Deckschicht kleiner gleich 1 , 1 ist , wobei die Deckschicht und die Wasserdampfbarriere eine ausreichend hohe elastische Nachgiebigkeit zur Vermeidung des Entstehens von Segmentierungsrissen, der Ausbreitung von Segmentierungsrissen auf benachbarte Schichten und/oder des verfrühten Abplatzens der Deckschicht bei vorgegebener ordnungsgemäßer Verwendung des beschichteten Bauteils aufweisen .

Weiterhin betri f ft die Erfindung ein Bauteil aus hochtemperaturbeständigen nicht-oxidischen keramischen Faserverbundwerkstof fen umfassend eine Beschichtung auf wenigstens einem Teil der Oberfläche zum Schutz vor Umwelteinflüssen, wobei die Beschichtung aufweist : a ) eine Haftschicht auf den mit einer Beschichtung zu versehenden Teil der Oberfläche des Bauteils ; b ) eine Wasserdampfbarriere auf den mit einer Beschichtung zu versehenden Teil der Oberfläche des Bauteils ; und c ) eine Deckschicht zum Schutz vor Umwelteinflüssen auf die Wasserdampfbarriere , wobei die Deckschicht eine definierte Mikrostruktur aus Mikroporen und/oder Mikrorissen aufweist , sodass das Verhältnisses von Schubmodul G zu Kompressionsmodul K der Deckschicht kleiner gleich 1 , 1 ist , wobei die Deckschicht und die Wasserdampfbarriere eine ausreichend hohe elastische Nachgiebigkeit zur Vermeidung des Entstehens von Segmentierungsrissen, der Ausbreitung von Segmentierungsrissen auf benachbarte Schichten und/oder des Abplatzens der Wasserdampfbarriere bei vorgegebener ordnungsgemäßer Verwendung des beschichteten Bauteils aufweisen .

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde , dass übliche Deckschichten zum Schutz von hochtemperaturbeständigen keramischen Faserverbundwerkstof fen häufig zwar eine Viel zahl von Umwelteinflüssen abhalten können, aber nicht vollständig undurchlässig für Wasserdampf sind, insbesondere nach Bildung von Segmentierungsrissen oder bei einer vernetzten of fenen Porosität . In der Folge kann es zu Oxidations- und Reduktionsvorgänge an dem Faserverbundwerkstof f oder einer darauf angeordneten Haftschicht kommen . Die damit verbundene Porenbildung führt dann häufig zu verfrühten Abplatzungen der Deckschicht , womit zunächst die darunter liegende Haftschicht als auch der unter der Haftschicht liegende Faserverbundwerkstof f ungeschützt Umwelteinflüssen ausgesetzt sind . „Verfrüht" bedeutet in Zusammenhang mit dieser Erfindung, dass das Abplatzen der Deckschicht deutlich früher auftritt als bei ordnungsgemäßer Nutzung des Bauteils bspw . aufgrund von üblicher Abnutzung, insbesondere ohne oder nur bei geringem Wasserdampfkontakt zu erwarten wäre . Aus dem Stand der Technik ist bekannt , dass eine umgebungsstabile Schutzschicht eine gewisse mechanische Nachgiebigkeit aufweisen sollte , um nicht aufgrund mechanischer Beanspruchung der Schutzschicht , bspw . aufgrund von Umströmung, oder durch temperaturbedingte Erhöhung von Eigenspannungen innerhalb der Schutzschicht oder an der Kontakt fläche mit dem Substrat ein Abplatzen der Schutzschicht zu begünstigen . Für verschiedene , insbesondere dickere Schutz- bzw . Deckschichten ist bekannt , diese mechanische Nachgiebigkeit durch das Vorsehen einer Mikrostruktur zu schaf fen . Dabei werden Mikroporen und/oder Mikrorisse in der Deckschicht vorgesehen, an denen sich Spannungen aufgrund mechanischer Belastung und/oder Eigenspannungen abbauen können, bevor es zu Segmentierungsrissen kommt oder diese sich soweit ausbreiten können, dass sich die Deckschicht ablöst und das darunterliegende Bauteil freigelegt wird .

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde , dass eben diese Mikrostruktur den Transport von Wasserdampf durch die Deckschicht begünstigt , sodass unerwünschte chemische Reaktionen an der Haftschicht und/oder dem Bauteil selbst auf treten können . Die in der Deckschicht zufällig verteilten Mikroporen und/oder Mikrorisse können ein Netzwerk ausbilden, durch welches Wasserdampf vergleichsweise schnell hindurchtreten und die unerwünschten Reaktionen auslösen kann .

Um diesem Problem zu entgegnen, wird bei der erfindungsgemäßen Beschichtung zwischen der Haftschicht und der Deckschicht eine Wasserdampfbarriere vorgesehen, an der ggf . durch die Deckschicht hindurchtretender Wasserdampf gestoppt werden kann, bevor er zur Haftschicht oder dem eigentlichen Bauteil gelangt .

Um sicherzustellen, dass sich aufgrund der erfindungsgemäß zusätzlich vorgesehen Wasserdampfbarriere die Neigung der Be- Schichtung abzuplatzen, nicht erhöht , weist die Wasserdampfbarriere dabei eine ausreichend hohe elastische Nachgiebigkeit auf , die nach denselben Kriterien wie für die Deckschicht gewählt ist , also dass die Entstehung und/oder Ausbreitung von Segmentierungsrissen sowie das Abplatzen einzelner Schichten oder Teilen davon möglichst vermieden wird .

Die elastische Nachgiebigkeit kann dabei durch das Verhältnis von Schubmodul G zu Kompressionsmodul K definiert werden . Es ist dabei bevorzugt , wenn dieses Verhältnis bei der Deckschicht und/oder der Wasserdampfbarriere kleiner gleich 1 , 1 , vorzugsweise kleiner als 0 , 6 , weiter vorzugsweise aber nicht kleiner als 0 , 3 ist . Durch das dann vorliegende pseudo-plasti- sche Verhalten der Schichten können Segmentierungsrisse und Abplatzungen vermieden werden .

Bei der Wasserdampfbarriere kann es sich um eine Schicht aus durch physikalische Gasabscheidung aufgebrachte Mono- oder Di- Silikat-Verbindungen mit einer Schichtdicke von 2 bis 150 pm, vorzugsweise von 5 bis 50 pm, weiter vorzugsweise 10 bis 30 pm handeln . Aufgrund der durch die physikalische Gasabscheidung erreichbaren geringen Schichtdicken der Wasserdampfbarriere kann eine ausreichend geringe Rissanf älligkeit der entsprechenden Schicht erreicht werden . Durch physikalische Gasabscheidung werden außerdem größere Temperaturunterschiede zwischen dem auf zubringenden Material und dem Trägermaterial vermieden, sodass ansonsten ggf . auf tretende Spannungsrissen beim Aufträgen der Wasserdampfbarriere wirksam vermieden werden können .

Alternativ dazu ist es möglich, dass die Wasserdampfbarriere eine Schicht aus thermisch gespritzten Mono- oder Di-Silikat- Verbindungen, vorzugsweise umfassend Ytterbium-Oxid, Yttrium- Oxid und/oder Ytterbium-Yttrium-Mischoxid, mit einer Schichtdicke von 10 bis 300 pm, vorzugsweise von 10 bis 200pm, weiter vorzugsweise 30 bis 100 pm ist , wobei die Schicht vorzugsweise eine Mikrostruktur aus nicht-vernet zten Mikroporen und/oder Mikrorissen aufweist . Um trotz entsprechender Mikroporen und/oder Mikrorisse in der Wasserdampfbarriere eine wirksame Barriere zu erreichen, muss das Material dabei derart dicht gespritzt werden, dass sich die Mikroporen und/oder Mikrorisse innerhalb der Wasserdampfbarriere nicht zu Netzwerkpfaden vernetzen . Um gleichzeitig eine ausreichend geringe Rissanf ällig- keit sicherzustellen, ist eine geringe Schichtdicke vorzusehen, um die Gefahr des Abplatzens weitestgehend zu verringern . Auch beim thermischen Spritzen sind Maßnahmen zur Verminderung von Spannungsrissen bei Aufbringen und Abkühlen der Wasserdampfbarriere bekannt , bspw . ausreichendes Vorwärmen der Trägerschicht .

Unabhängig davon, wie die Wasserdampfbarriere auf gebaut und/oder aufgetragen wurde , ist bevorzugt , wenn zwischen Haftschicht und Wasserdampfbarriere eine Zwischenschicht aufgebracht wird, die vorzugsweise materialidentisch zur Deckschicht ist und/oder eine Schichtdicke von 10 bis 500 pm, vorzugsweise von 25 bis 300 pm, weiter vorzugsweise 50 bis 250 pm aufweist . Durch eine entsprechende Zwischenschicht , insbesondere wenn diese materialidentisch zur Deckschicht ist , kann selbst bei einem unvorhergesehenen Abplatzen der eigentlichen Deckschicht und/oder der Wasserdampfbarriere oder einer sonstigen Beschädigung der Deckschicht noch ein gewisser Schutz des Bauteils durch die Zwischenschicht aufrechterhalten werden, der bspw . den sicheren Weiterbetrieb des Bauteils bis zur nächsten Wartung gewährleisten kann .

Es ist bevorzugt , wenn die Di f ferenz der Wärmeausdehnungskoeffi zienten zwischen der Wasserdampfbarriere und der Deckschicht , vorzugsweise zwischen j eweils zwei benachbarten Schichten der Beschichtung und/oder dem Bauteil , weniger als 10 x 10 ⁶ K ¹ , vorzugsweise weniger als 2 * 10 ⁶ K ¹ , weiter vorzugsweise weniger als 1 * 10~ ⁶ Kl ¹ beträgt . Durch entsprechend aneinander angeglichene Wärmeausdehnungskoef fi zienten können temperaturinduzierte Dehnungen und damit Rissbildung aufgrund schneller Temperaturwechsel - sofern das Bauteil eine Turbinenschaufel eines Flugzeugtriebwerks ist , bspw . beim Start des Flugzeugtriebwerks - vermieden werden .

Die Deckschicht und/oder die Zwischenschicht können Mono- oder Di-Silikat-Verbindungen umfassen, die vorzugsweise Ytterbium- Oxid, Yttrium-Oxid und/oder Ytterbium-Yttrium-Mischoxid aufweisen . Die Deckschicht kann eine Schichtdicke von 100 bis 2500 pm, vorzugsweise von 100 bis 1500 pm, weiter vorzugsweise 150 bis 1000 pm aufweisen .

Die Haftschicht kann eine Sili zium-Haftschicht sein und/oder eine Schichtdicke von 5 bis 200 pm, vorzugsweise von 10 bis 150 pm, weiter vorzugsweise 15 bis 100 pm aufweisen .

Entsprechende Materialien und Schichtdicken, die grundsätzlich denj enigen von bekannten Beschichtungen aus dem Stand der Technik ähneln mögen, haben sich auch bei der erfindungsgemäßen Beschichtung bewährt .

Haftschicht , Zwischenschicht und/oder Deckschicht können thermisch gespritzt sein . Als thermisches Spitzen - auch für die Wasserdampfbarriere - kommen bspw . atmosphärisches Plasmaspritzen (APS ) , Vakuum-Plasmaspritzen (VPS ) , Hochgeschwindigkeits flammspritzen (HVOF) , Lichtbogenspritzen und Laserspritzen in Frage .

Es ist bevorzugt , wenn der hochtemperaturbeständige nicht-oxidische keramische Faserverbundwerkstof f des Bauteils Sili ziumkarbid-Fasern in einer Sili ziumkarbid-Matrix oder zumindest eines auf Sili ziumkarbid basierende Matrix umfasst . Bei dem mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zu beschichtendem Bauteil kann es sich um eine Turbinenschaufel , ein Turbinenmantel-Segment oder die Innenauskleidung einer Brennkammer, j eweils vorzugsweise eines Flugzeugtriebwerks , handeln .

Zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Bauteils , sowie für vorteilhafte Weiterbildungen des Bauteils wird auf die vorstehenden Aus führungen verwiesen .

Die Erfindung wird nun anhand vorteilhafter Aus führungs formen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beispielhaft beschrieben . Es zeigen :

Figur 1-4 : schematische Schnitte von durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellte Beschichtungen eines Bauteils .

In Figuren 1 bis 4 sind verschiedene Beschichtungen 1 , wie sie durch das erfindungsgemäße Verfahren herstellbar sind gezeigt . Dabei umfassen die einzelnen Verfahrensschritte ausschließlich aus dem Stand der Technik bekannte Methoden und Techniken zum Aufbringen von einzelnen Schichten, die keiner näheren Beschreibung bedürfen . In der Folge wird auf eine schrittweise Darstellung des Verfahrens verzichtet und lediglich auf die durch das Verfahren im Ergebnis hergestellte Beschichtung 1 Bezug genommen .

Bei der Beschichtung 1 gemäß Figur 1 wird auf ein Bauteil 10 aus SiC-SiC-Werkstof f ( Sili ziumkarbid-Matrix und Sili ziumkarbid-Fasern) als hochtemperaturbeständiger keramischer Faserverbundwerkstof f aufgebracht . Bei dem Bauteil 10 handelt es sich um eine Turbinenschaufel , ein Turbinenmantel-Segment oder um die Innenauskleidung einer Brennkammer eines Flugzeugtriebwerks , die bei Verwendung dem heißen Verbrennungsgas des Flugzeugtriebwerks ausgesetzt sind . Zunächst wird eine Haftschicht 2 auf das Bauteil 10 aufgebracht . Dabei handelt es sich um eine Sili zium-Haftschicht , die entweder durch physikalische Gasabscheidung oder durch thermisches Spritzen aufgebracht wurde . Die Dicke der Haftschicht 2 beträgt 10- 150 pm .

Unmittelbar auf die Haftschicht 2 eine Wasserdampfbarriere 3 aus Mono- oder Di-Silikat-Verbindungen per physikalischer Gasabscheidung aufgebracht . Die Dicke der Wasserdampfbarriere 3 beträgt 2- 150 pm, wobei die Dicke insbesondere so gewählt wird, dass das Verhältnis von Schubmodul G zu Kompressionsmodul K der Wasserdampfbarriere 3 kleiner gleich 1 , 1 ist .

Auf die Wasserdampfbarriere 3 wird die eigentliche Deckschicht 4 zum Schutz vor Umwelteinflüssen thermisch auf gespritzt , bspw . durch atmosphärisches Plasmaspritzen (APS ) . Die Dicke der Deckschicht 4 beträgt dabei 100- 1500 pm und besteht aus Mono- oder Di-Silikat-Verbindungen, umfassend Ytterbium-Oxid, Yttrium-Oxid oder Ytterbium-Yttrium-Mischoxid . Beim thermischen Spritzen werden Mikroporen und/oder Mikrorisse zur Erhöhung der mechanischen Nachgiebigkeit bzw . zur Reduzierung des Verhältnisses von Schubmodul G zu Kompressionsmodul K der Deckschicht 4 auf kleiner gleich 1 , 1 eingebracht , wie dies auch von umgebungsstabilen Schutzschichten aus dem Stand der Technik bekannt ist .

Durch die Wasserdampfbarriere 3 ist die Haftschicht 2 und das Bauteil 10 aus einem SiC-SiC-Werktstof f vor Wasserdampf aus der Umgebung geschützt . Übrige Umwelteinflüsse werden - wie auch bei bekannten umgebungsstabilen Schutzbeschichtungen - durch die Deckschicht 4 abgehalten . Aufgrund der genannten Sprödigkeit von Wasserdampfbarriere 3 und Deckschicht 4 wird ein verfrühtes Abplatzen der Beschichtung 1 bzw . Teilen davon ef fektiv vermieden . In Figur 2 ist ein zweites Aus führungsbeispiel einer erfindungsgemäß hergestellten Beschichtung 1 gezeigt , welche in weiten Teilen derj enigen aus Figur 1 gleicht . Es wird daher auf die vorstehenden Aus führungen verwiesen und im Folgenden lediglich auf die Unterschiede zwischen den beiden Aus führungsbeispielen eingegangen .

In dem Aus führungsbeispiel gemäß Figur 2 ist die Wasserdampfbarriere 3 nicht per physikalischer Gasabscheidung aufgebracht , sondern thermisch gespritzt . Bei der Wasserdampfbarriere 3 handelt es sich um eine Schicht aus thermisch gespritzten Mono- oder Di-Silikat-Verbindungen, umfassend Ytterbium- Oxid, Yttrium-Oxid oder Ytterbium-Yttrium-Mischoxid . Die Schichtdicke beträgt 10 bis 300 pm, wobei zur Erreichung des gewünschten Verhältnisses von Schubmodul G zu Kompressionsmodul K von kleiner gleich 1 , 1 eine Mikrostruktur aus Mikroporen und/oder Mikrorissen vorgesehen ist . Um eine wirksame Barriere für Wasserdampf zu bilden, ist der Anteil an Mikroporen und/oder Mikrorissen derart , dass diese nicht vernetzt sind .

Die Beschichtungen 1 gemäßen Figuren 3 und 4 ähneln im Aufbau der einzelnen Schichten 2 , 3 und 4 denj enigen aus Figuren 1 bzw . 2 ( j eweils entsprechend der Ausgestaltung der Wasserdampfbarriere 3 ) , weshalb auf die vorstehenden Aus führungen verwiesen wird . Im Aufbau der Beschichtung 1 ist aber j eweils eine Zwischenschicht 5 aus demselben Material wie die j eweilige Deckschicht 4 vorgesehen, wobei die Zwischenschicht 5 eine Dicke von 10-500 pm aufweist . Die Zwischenschicht 5 bietet Schutz vor Umwelteinflüssen auf das Bauteil 10 , falls die Deckschicht 4 oder die Wasserdampfbarriere 3 unvorhergesehen abplatzen oder anders beschädigt werden sollte .