Beschreibung

Schichtstruktur und Verfahren zur Herstellung einer Schichtstruktur

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schichtstruktur mit einem Substrat aus einem Substratmaterial und einer auf dem Substrat befindlichen korrosions- und/oder oxidationshemmen- den Schicht .

Korrosions- und/oder oxidationshemmende Schichten und Be- schichtungen kommen dort zur Anwendung, wo Bauteile korrosiven Heißgasen ausgesetzt sind. Insbesondere ist dies bei Tur ^¬ binenbauteilen wie etwa Gasturbinenlauf- oder Leitschaufeln oder Elementen von Brennkammerauskleidungen der Fall.

Eine typische korrosions- und/oder oxidationshemmende Be- schichtung ist die so genannte MCrAlX-Beschichtung, wobei M zumindest für ein Element der Gruppe aus Eisen (Fe) , Kobalt (Co) , Nickel (Ni) und X für ein Aktivelement, etwa Yttrium

(Y) und/oder Silizium und/oder zumindest ein Element der seltenen Erden oder Hafnium (Hf) stehen. Solche Legierungen sind beispielsweise aus EP 0 486 489 Bl, EP 0 786 017 Bl, EP 0 412 397 Bl oder EP 1 306 454 Al bekannt. Derartige Be- Schichtungen enthalten Aluminiumphasen, in denen das Aluminium als Opferanode wirkt, indem es beispielsweise mit Feuch ^¬ tigkeitsfilmen auf der Oberfläche und dem zu schützenden Material eine galvanische Zelle bildet . Dabei wird Aluminium verbraucht, was im Laufe der Zeit die Wirkung einer MCrAlX- Beschichtung vermindert und nach einer gewissen Betriebsdauer das Entfernen der Beschichtung von Bauteilen und ein Neubeschichten notwendig macht.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Schichtstruktur anzugeben, welche eine korrosions- und/oder oxidations- hemmende Schicht mit einem Opferanodenmaterial aufweist und die eine längere Betriebsdauer in einer korrosiven und/oder oxidativen Heißgasumgebung ermöglicht. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Herstellen einer Schichtstruktur, welche eine längere Betriebsdauer der Schichtstruktur in einer korrosiven und/oder oxidativen Heißgasumgebung ermöglicht, zur Verfügung zu stellen.

Diese Aufgaben werden durch eine Schichtstruktur nach Anspruch 1 bzw. ein Verfahren zum Herstellen einer Schichtstruktur nach Anspruch 10 gelöst. Die abhängigen Ansprüche enthalten vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.

Eine erfindungsgemäße Schichtstruktur weist ein Substrat aus einem Substratmaterial und eine auf dem Substrat befindliche korrosions- und/oder oxidationshemmende Schicht mit einem Op ^¬ feranodenmaterial auf. Weiterhin umfasst die erfindungsgemäße Schichtstruktur nanoskalige Opferanodenteilchen aus dem Opferanodenmaterial, die mit einem vom Opferanodenmaterial ver ^¬ schiedenen Kapselungsmaterial gekapselt sind.

Die gekapselten Opferanodenteilchen stellen ein Depot für Op- feranodenmaterial dar, welches im Laufe des Betriebs der

Schichtstruktur in einer korrosiven und/oder oxidativen Heißgasumgebung verbrauchtes Opferanodenmaterial nachliefert. Das Opferanodenmaterial der nanoskaligen Opferanodenteilchen kann hierzu durch die Beschichtung diffundieren und verbrauchtes Opferanodenmaterial ersetzen. Hierbei ist jedoch darauf zu achten, dass die Diffusion nicht zu früh erfolgt, da dies le ^¬ diglich zur Agglomeration von nanoskaligen Opferanodenteilchen in manchen Bereichen der Beschichtung führen würde, wodurch andere Bereiche der Beschichtung an nanoskaligen Opfer-

anodenteilchen verarmen würden. Um eine vorzeitige Diffusion der Opferanodenteilchen zu unterdrücken, sind diese daher gekapselt. Aufgrund des Kapselungsmaterials ist die Diffusion der Opferanodenteilchen verlangsamt, so dass der Agglomerati- onsprozess und damit die Verarmung von Beschichtungsbereichen unterdrückt sind. Es steht daher über einen langen Zeitraum in allen Bereichen des korrosions- und/oder oxidationshemmen- den Beschichtungsmaterials Nachschub für verbrauchtes Opfer ^¬ anodenmaterial zur Verfügung, insbesondere wenn eine homogene Verteilung der Opferanodenteilchen in der korrosions- und/oder oxidationshemmenden Schicht vorliegt.

Als Kapselungsmaterial kann beispielsweise das Substratmate ^¬ rial oder eine Komponente davon Verwendung finden. Das Sub- stratmaterial kann eine Superlegierung aus Eisen-, Kobalt ^¬ oder Nickelbasis sein, wie sie insbesondere für Turbinenbau ^¬ teile, wie etwa Lauf- oder Leitschaufeln von Gasturbinen Verwendung findet. In diesem Fall kann das Kapselungsmaterial beispielsweise Eisen, Kobalt oder Nickel sein. Als Opferano- denmaterial kann insbesondere Aluminium Verwendung finden.

Aber auch andere Materialien, die leichter Elektronen abgeben als der Hauptbestandteil des Substratmaterials, sind als Op ^¬ feranodenmaterial geeignet. Im Falle von Superlegierungen auf Eisen-, Kobalt- oder Nickelbasis sind dies also Materialien, die leichter Elektronen abgeben als Eisen, Kobalt oder Nickel. Geeignete Materialien für diese Fälle wären beispiels ^¬ weise Chrom (Cr) , Zink (Zn) , Titan (Ti) , Vanadium (V) , Lanthan (La) , Magnesium (Mg) oder Cer (Ce) .

Wenn die gekapselten Opferanodenteilchen außerdem über Polymere miteinander vernetzt werden, kann die Verteilung der Opferanodenteilchen in der korrosions- und/oder oxidationshemmenden Schicht besonders lange stabil gehalten werden. Da ^¬ durch kann einer Agglomeration weiter entgegengewirkt und die

Betriebsdauer, bis die korrosions- und/oder oxidationshemmen- de Schicht ausgetauscht werden muss, weiter verlängert wer ^¬ den .

Als korrosions- und/oder oxidationshemmende Schicht kann ins ^¬ besondere eine MCrAlX-Schicht Verwendung finden.

In der erfindungsgemäßen Schichtstruktur kann das Substrat insbesondere der Grundkörper eines Turbinenbauteils, bei- spielsweise einer Leit- oder Laufschaufel einer Gasturbine oder ein Element einer Brennkammerauskleidung sein.

Im erfindungsgemäßen Verfahren zum Herstellen einer Schichtstruktur mit über Polymere miteinander vernetzten nanoskali- gen Opferanodenteilchen wird auf ein Substrat ein Beschich- tungsmaterial aufgebracht, das nanoskalige Opferanodenteil ^¬ chen aus einem Opferanodenmaterial umfasst. Die Opferanoden ^¬ teilchen sind mit einem vom Opferanodenmaterial verschiedenen Kapselungsmaterial gekapselt . Außerdem ist das Kapselungsma- terial von einer Polymerhülle umgeben. Nach dem Aufbringen des Beschichtungsmaterials erfolgt eine Wärmebehandlung, de ^¬ ren Zeit- und Temperatursteuerung so gewählt ist, dass eine Vernetzung der Polymerhüllen erfolgt. Das Verfahren ermöglich insbesondere das Herstellen von erfindungsgemäßen Schichtsys- temen, in den einer Diffusion der Opferanodenteilchen besonders wirksam entgegengewirkt ist .

Weitere Merkmale, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren .

Fig. IA zeigt in einer schematischen Darstellung eine erfindungsgemäße Schichtstruktur in Aufsicht.

Fig. IB zeigt die Schichtstruktur aus Fig. IA in einer Querschnittsansicht .

Fig. 2 zeigt in einer schematischen Darstellung einen Herstellungsschritt für eine erfindungsgemäße Schichtstruktur gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel .

Fig. 3A zeigt in einer schematischen Darstellung ein zweites Ausführungsbeispiel für die erfindungsgemäße Schichtstruktur in einer Aufsicht.

Fig. 3B zeigt die erfindungsgemäße Schichtstruktur aus Fig. 3A in einer Querschnittsansicht.

Eine erfindungsgemäße Schichtstruktur ist stark schematisiert in den Figuren IA und IB dargestellt . Die Figuren zeigen einen Ausschnitt aus der Schichtstruktur in Aufsicht (Fig. IA) und in einer Querschnittansicht (Fig. IB) . Die Ansichten rep ^¬ räsentieren die Aufsicht auf eine mit einer korrosions- und/ oder oxidationshemmenden Beschichtung versehene Turbinenschaufel (Fig. IA) beziehungsweise ebenfalls stark schemati ^¬ siert einen Querschnitt durch die Wand einer beschichteten Turbinenschaufel (Fig. IB) .

Während in Fig. IB die korrosions- und/oder oxidationshemmen- de Beschichtung 1 sowie der Grundkörper 3 der Turbinenschaufel, welcher das Substrat für die Beschichtung 1 bildet, zu erkennen sind, ist in Fig. IA lediglich die Beschichtung 1 zu erkennen .

Die Beschichtung 1 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel eine MCrAlX-Beschichtung, die eine Aluminiumkomponente ent-

hält. Das Aluminium dient als Opferanode zum Korrosions- und/oder Oxidationsschutz . Auf der MCrAlX-Beschichtung kann optional noch eine wärmedämmende Beschichtung (TBC, Thermal Barrier Coating) vorhanden sein, die in den Figuren nicht dargestellt ist. Derartige Wärmedämmbeschichtungen sind bei ^¬ spielsweise Beschichtungen aus Zirkonoxid (ZrO ₂ ), dessen Git ^¬ terstruktur durch die Zugabe von Yttriumoxid (Y ₂ O ₃ ) stabili ^¬ siert oder wenigstens teilstabilisiert ist. Selbstverständ ^¬ lich können statt der MCrAlX-Beschichtung auch andere korro- sions- und/oder oxidationshemmende Beschichtungen 1 zur Anwendung kommen. Andere optionale Wärmedämmschichten als die beschriebene sind ebenfalls möglich.

Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind in der MCrAlX- Beschichtung 1 nanoskalige Aluminiumpartikel 5 homogen ver ^¬ teilt. Ihre Abmessungen betragen weniger als 1 Mikrometer und liegen im Bereich bis etwa 100 Nanometer, insbesondere im Bereich zwischen 30 und 50 Nanometer. Die Aluminiumpartikel 5 im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind nicht zu verwechseln mit der Aluminiumkomponente MCrAlX-Beschichtung 1, vielmehr stellen sie ein Depot an Aluminium dar, aus dem heraus verbrauchtes Aluminium der Aluminiumkomponente in der MCrAlX- Beschichtung ersetzt wird. Auf diese Weise lässt sich die Le ^¬ bensdauer der MCrAlX-Beschichtung verlängern. Erst wenn auch das Aluminium der nanoskaligen Aluminiumpartikel 5 verbraucht ist, muss die Beschichtung erneuert werden.

Das Ersetzen des Aluminiums in der Aluminiumkomponente er ^¬ folgt durch Diffusion der nanoskaligen Aluminiumpartikel 5 in Bereiche, die an Aluminium verarmt sind. Dabei ist jedoch darauf zu achten, dass sich aufgrund der Diffusionsprozesse keine Agglomerate oder nur sehr kleine Agglomerate von Alumi ^¬ niumpartikeln 5 bilden, da durch die Agglomeration die homogene Verteilung der nanoskaligen Aluminiumpartikel 5 beein-

trächtigt wird. Außerdem ist es vorteilhaft, wenn die Diffu ^¬ sion der Aluminiumteilchen solange verzögert wird, bis verbrauchtes Aluminium in der MCrAlX-Beschichtung zu ersetzen ist. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die nanoskali- gen Aluminiumpartikel mit Nickel gekapselt. Die Kapselung 7 der nanoskaligen Aluminiumpartikel 5 verlangsamt die Diffusi ^¬ on, wodurch die homogene Verteilung der Aluminiumpartikel länger erhalten bleibt, was in der Folge zur verbesserten Korrosions- und/oder Oxidationseigenschaften der Beschichtung 1 führt.

Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist Nickel als Material der Kapselung 7 gewählt. Dies bietet sich insbesondere dann an, wenn das Basismaterial des Grundkörpers 3 der Turbinen- schaufei eine auf Nickel basierende Superlegierung ist. Statt Nickel kann jedoch auch anderes Kapselungsmaterial wie etwa Kobalt Verwendung finden. Die Verwendung von Kobalt, als Kapselungsmaterial bietet sich insbesondere dann an, wenn statt der auf Nickel basierenden Superlegierung eine auf Kobalt ba- sierende Superlegierung Verwendung findet.

Es sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass statt der beschriebenen MCrAlX-Beschichtung auch andere mit Opferanodenelementen versehenen korrosions- und/oder oxidationshem- mende Beschichtungen mit gekapselten nanoskaligen Partikeln aus Opferanodenmaterial versehen sein können. Auch muss das Opferanodenmaterial nicht notwendigerweise Aluminium sein. Im Grunde reicht es aus, wenn das Opferanodenmaterial, also das Material der nanoskaligen Partikel, leichter Elektronen ab- gibt als das durch die Beschichtung zu schützende Material.

Ein zweites Ausführungsbeispiel für die erfindungsgemäße Schichtstruktur ist in den Figuren 3A und 3B dargestellt. Wie

die Figuren IA und IB stellen die Figuren 3A und 3B stark schematisiert Ausschnitte aus einer Turbinenschaufel dar.

Wie im ersten Ausführungsbeispiel ist die Beschichtung 101 mit nanoskaligen Aluminiumpartikeln 105 versehen, die von einer Nickel-Kapselung 107 umgeben sind. Zusätzlich sind die gekapselten Aluminiumpartikel noch über Polymere 109 mitein ^¬ ander vernetzt. Auf diese Weise kann eine stabile Gitter ^¬ struktur der gekapselten Aluminiumpartikel 105 erzeugt wer- den, die einer vorzeitigen Diffusion der Aluminiumpartikel 105 weiter entgegenwirkt. Die Lebensdauer der Beschichtung 101 in einer korrosiven und/oder oxidierenden Heißgasumgebung kann daher gegenüber der Beschichtung 1 aus dem ersten Ausführungsbeispiel weiter verlängert werden. Im übrigen und insbesondere im Hinblick auf die Materialien des Grundkörpers 3, der Beschichtung 101, der nanoskaligen Partikel 105 sowie des Kapselung 107 gilt das mit Bezug auf das erste Ausfüh ^¬ rungsbeispiel ausgeführte analog.

Wie im ersten Ausführungsbeispiel kann auch im zweiten Aus ^¬ führungsbeispiel optional eine wärmedämmende Beschichtung auf der korrosions- und/oder oxidationshemmenden Beschichtung 101 vorhanden sein.

Das Herstellen der Beschichtung 101 mit den vernetzten nanoskaligen Aluminiumpartikeln 105 kann erfolgen, indem eine Beschichtung aufgebracht wird, in der die gekapselten nanoskaligen Aluminiumpartikel außerdem eine Polymerhülle 111 aufweisen, welche die gekapselten Partikel umgeben. Durch ei- ne Wärmebehandlung mit einer geeigneten Zeit- und Temperatursteuerung kommt es zu einer Vernetzung der Polymerhüllen 111 miteinander, so dass als Resultat die vernetzte Struktur aus Fig. 3A und Fig. 3B entsteht.

Die in den Ausführungsbeispielen beschriebene Erfindung zeigt einen Weg, die Korrosions- und/oder Oxidationsresistenz einer Schicht dadurch zu verbessern, dass eine homogene Verteilung des Opferanodenmaterials im Material länger beibehalten wird. Dies wird durch eine Verzögerung der Diffusion von Opferanodenpartikeln erreicht, welche sich durch eine Kapselung der Opferanodenpartikel erzielen lässt. Die Diffusion kann wei ^¬ ter verzögert werden, wenn die Partikel aus Opferanodenmate ^¬ rial miteinander vernetzt werden.