[0001] Die Erfindung betrifft ein Schichtsystem mit einem keramischen Anteil in der Schicht.
[0002] Schichtsysteme bestehen aus einem Substrat und zumindest einer auf dem Substrat liegenden
Schicht. Substrate müssen beispielsweise im Gasturbinenbau vor zu hohen Temperaturen
und/oder korrosiven Attacken geschützt werden. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen,
dass auf dem Substrat ein Blech mit einer Honigwabenstruktur aufgebracht ist, wobei
die Waben mit einer Keramik gefüllt sind. Die Keramik übernimmt dabei im wesentlichen
die Schutzfunktion. Das Blech der Honigwabenstruktur dient zur mechanischen Stabilisierung
der Keramik. Jedoch ist die mechanische Verbindung zwischen der Keramik und den inneren
Oberflächen der Honigwabenstruktur nicht gut, so dass es immer wieder zu Ablösungen
der Keramik kommt.
[0003] Aus der US-PS 5,634,189 ist eine Vorrichtung bekannt, die im Inneren eine poröse
Struktur aufweist, die durch Kügelchen verschiedenen Durchmessers gebildet ist, wobei
dieses poröse Innere von einer äußeren dichten Hülle umgeben ist. Die äußere Hülle
dient nicht zum Schutz. Das poröse Innere dient zum Auffüllen des Hohlraums, um eine
gewisse mechanische Stabilität zu erreichen, wobei die Dichte des porösen Inneren
jedoch geringer ist als die der Hülle, um dadurch Gewicht zu sparen.
[0004] Die US-PS 5,720,597 zeigt eine Schaufel für eine Gasturbine, die im Inneren zumindest
teilweise einen schaumartigen Bereich aufweist.
[0005] Die US-PS 6,299,935 offenbart eine Methode zur Herstellung einer Schicht, bei dem
auf die Oberfläche eines Substrats eine Suspension aus Schaum und einem metallischen
Pulver aufgebracht wird.
[0006] Die EP 0 609 795 A zeigt eine Wärmedämmschicht aus Keramik, die eine partiell offene
Struktur hat, wobei die inneren offenen Oberflächen mit passivierenden Keramikschichten
oder Metallabscheidungen belegt sind.
[0007] Alle bekannten Vorrichtungen oder Verfahren haben jedoch den Nachteil, dass die mechanische
Verbindung zwischen Metall und Keramik nicht ausreichend ist.
[0008] Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Schichtsystem aufzuzeigen, das die mechanische
Festigkeit zwischen Metall und Keramik verbessert.
[0009] Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Schichtsystem gelöst, das aus einem Substrat
besteht, auf dem eine poröse Schicht mit einem Porenanteil von mindestens 30 Volumenprozent
folgt, wobei eine Keramik in Form einer Beschichtung oder als keramische Teilchen
zumindest teilweise in die poröse Schicht eingebracht ist, damit die poröse Schicht
zumindest bereichsweise dicht mit der Keramik ausgefüllt ist.
[0010] Gegenüber einer glattflächigen Kontaktfläche bei der Wabenstruktur mit der metallischen
Oberfläche und der darauf aufgebrachten Keramik sind hier viele kleine gekrümmte Oberflächen
vorhanden, die den mechanischen Verbund zwischen Metall und Keramik durch Vergrößerung
der spezifischen Oberfläche und mechanisches Verhaken verbessern.
[0011] Es ist vorteilhaft, eine offene Porenstruktur zu verwenden, weil dadurch die Eindringtiefe
von Keramik in die poröse Schicht verbessert wird, so dass die Haftung der Schicht
noch weiter erhöht wird.
[0012] Die Keramik, die auf die poröse Schicht aufgebracht und in diese zumindest teilweise
eingebracht wird, kann auch eine Mischung aus verschiedenen keramischen Materialien
bilden, um gewünschte Eigenschaften gezielt einzustellen.
[0013] Die poröse Schicht kann zumindest bereichsweise so mit Keramik ausgefüllt sein, dass
sie in diesen Bereichen nahezu dicht ist, so dass eine nahezu dichte Keramikschicht
in der porösen Schicht erreicht wird, um die Vorteile der Keramik bzgl. Hitzebeständigkeit
auszunutzen.
[0014] Auf die Keramik in der porösen Schicht oder oberhalb der porösen Schicht kann beispielsweise
eine weitere keramische Schutzschicht, wie sie bspw. von den Wärmedämmschichten von
Gasturbinenschaufeln bekannt ist, aufgebracht sein, um durch eine weitere Beschichtung
die Keramik in der porösen Schicht vor Oxidation zu schützen.
[0015] Ausführungsbeispiele sind in den Figuren 1 bis 7 näher erläutert.
[0016] Es zeigen
Figur 1a, b ein Substrat mit einer porösen Schicht und einer Keramik in der porösen
Schicht,
Figur 2a ein Substrat mit einer porösen Schicht, wobei die poröse Schicht an ihren
inneren Oberflächen mit einer keramischen Schicht beschichtet ist (Fig. 2b),
Figur 3 ein Substrat mit einer porösen Schicht, die durch die Keramik nahezu dicht
geworden ist,
Figur 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung,
Figur 5 ein Anwendungsbeispiel eines solchen Schichtsystems,
Figur 6a, b Herstellungsschritte zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Schichtsystems,
Figur 7, 8, 9a, b weitere Ausführungsbeispiele zur Herstellung eines erfindungsgemäßen
Schichtsystems, und
Figur 10a, b weitere Ausführungsbeispiele der Erfindung.
[0017] Figur 1a zeigt ein Substrat 1, beispielsweise aus Metall, insbesondere aus einer
Superlegierung für eine Gasturbinenschaufel, auf dem eine poröse Schicht 4 aufgebracht
ist. Die poröse Schicht 4 kann aus Metall oder Keramik sein.
Die poröse Struktur ist schematisch dargestellt durch die Striche, die die einzelnen
Wände darstellen sollen, die die Poren in der porösen Schicht 4 umgeben. Der Porenanteil
beträgt mindestens dreissig (30) Volumenprozent. Insbesondere ist eine offene Porenstruktur
von Vorteil, d.h. es bestehen Verbindungswege von der äusseren Oberfläche der porösen
Schicht 4 zu seiner Unterseite, die dem Substrat 1 zugewandt ist, wie sie z. B. bei
der Anwendung von Filtersystemen bekannt ist. Dabei kann eine Keramik besonders gut
in die poröse Schicht eingebracht werden.
[0018] Figur 1b zeigt ein Schichtsystem, bei dem in der porösen Schicht 4 eine Keramik 7
vorhanden ist. Die Keramik 7 kann aus einem einzigen keramischen Material oder aus
einer Mischung von verschiedenen keramischen Materialien bspw. in Form von keramischen
Teilchen bestehen. Metallische Beimischungen oder Beschichtungen sind ebenfalls möglich.
[0019] Figur 2a zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Schichtsystems 20, bei dem
keine einzelnen keramischen Teilchen 7 zu erkennen sind (Fig. 2a), weil die Porenwände
13 der porösen Schicht 4 mit einer keramischen Schicht 16 beschichtet sind (Fig. 2b).
So sind die Innenoberflächen der Poren der porösen Schicht 4 bspw. ganz mit einer
Keramik 16 bedeckt.
[0020] Figur 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäß ausgebildeten Schichtsystems
20. Auf dem Substrat 1 ist eine poröse Schicht 4 aufgebracht, deren Poren mit der
Keramik 7 aufgefüllt sind, so dass eine dichte Schicht erreicht wird.
[0021] Figur 4 zeigt, dass zwischen Substrat 1 und der porösen Schicht 4 zumindest eine
weitere Zwischenschicht 10 vorhanden sein kann.
[0022] Figur 5 zeigt ein weiteres Anwendungsbeispiel für ein erfindungsgemäßes Schichtsystem
20. Das Schichtsystem 20 bildet einen Teil eines Gasturbinengehäuses 23, das beispielsweise
Turbinenschaufeln 26 umgibt, die in einer Gasturbine einem Brenner nachgeschaltet
sind. Die Drehachse der Turbinenschaufel 26 ist mit 29 angezeigt. Das erfindungsgemäße
Schichtsystem 20 bildet eine Dichtung zwischen Gasturbinengehäuse 23 und Turbinenschaufel
26 und ersetzt die oben beschriebene Honigwabenstruktur. Weitere Anwendungsbeispiele
finden sich für Gasturbinenschaufeln und Hitzeschildelemente.
[0023] Figur 6a, b zeigt die Fertigungsschritte zur Herstellung eines erfindungsgemäßen
Schichtsystems 20. Das Substrat 1 wird mit einem bereits vorgefertigten porösen Bauteil
4 durch eine Verbindungstechnik miteinander verbunden (Fig. 6b). Dies kann beispielsweise
durch Schweißen, Diffusionsschweißen oder Diffusionslöten erfolgen. Weitere Verbindungstechniken
sind möglich.
[0024] Figur 7 zeigt eine weitere Methode zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Schichtsystems
20. Auf das Substrat 1 wird eine Suspension 32 aufgebracht, die sich beispielsweise
durch eine Behandlung bei einer Temperatur T in eine poröse Schicht 4 umwandelt. Dies
kann bekanntermassen dadurch erfolgen, dass die Suspension 32 ein Metallpulver enthält
und einen Aktivator, der bei der Wärmebehandlung vergast und die Suspension mit dem
Metall aufschäumt, wobei dann bei erhöhter Temperatur die Metallteilchen beispielsweise
miteinander versintern und so die poröse Schicht 4 bilden, wobei gleichzeitig eine
gute Anbindung an das Substrat 1 erfolgt. Weitere Herstellungsmethoden zur Herstellung
von porösen, insbesondere schaumartigen Strukturen, können hier angewendet werden,
wie z.B. das Feingussverfahren.
[0025] Figur 8 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel zur Herstellung eines erfindungsgemäßen
Schichtsystems 20. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass in einem Gießprozess
zuerst das Material für das Substrat 1 gegossen wird und dann kontinuierlich ohne
Unterbrechung ein Metall oder eine Legierung gegossen wird, die eine poröse Struktur
aufweisen oder eine Mischung aus Metall und Keramik, so dass sich auf dem Substrat
1 eine poröse metallische Schicht 4 bildet, die ggf. dicht mit Keramik ausgefüllt
ist. Aus einem Rohling 38 kann sich auch durch eine Zwischenbehandlung ein Substrat
1 und eine poröse Schicht 4 ausbilden.
[0026] Um das erfindungsgemäße Schichtsystem 20 letztendlich herzustellen, ist es oft noch
notwendig, die Keramik 7 in die poröse Schicht 4 einzubringen. Dies kann durch eine
Beschichtungsvorrichtung 35 (Fig. 9a) erfolgen, beispielsweise durch das Plasmaspritzen,
so dass eine keramische Beschichtung 16 in der porösen Schicht 4 erzeugt wird. Das
Beschichtungsverfahren kann so fortgeführt werden, dass nicht nur die Wände 13 der
porösen Schicht beschichtet werden, sondern auch noch die Porenstruktur zumindest
teilweise geschlossen wird, um eine dichte Schicht zu erreichen.
[0027] Durch eine Spritzdüse 35 (Fig. 9a) kann auch eine keramische Suspension mit keramischen
Partikeln in die poröse Schicht 4 eingebracht, insbesondere eingespritzt, werden.
In einem weiteren Herstellungsschritt wird das Trägermittel der Suspension verdampft,
so dass die keramischen Partikel 7 zurückbleiben und sich nach einer Wärmebehandlung
mit den metallischen Wänden 13 der porösen Schicht 4 verbinden.
[0028] Die poröse Schicht 4 kann auch nur in einem oberen Bereich 11 die Poren vollständig
mit der Keramik 7 ausgefüllt sein (Fig. 9b).
[0029] Die poröse Schicht 4 ist vorteilhafterweise mit einer Keramik 7 aufgefüllt, die gute
mechanische Eigenschaften bei hohen Temperaturen aufweist und als thermische Barriere
dient. Um jedoch diese Keramik und auch die metallischen Wände der porösen Schicht
4 vor Oxidation und/oder Korrosion und/oder Wärme zu schützen, kann auf die poröse
Schicht 4 (Fig. 10a) oder über den keramischen Teilchen 7 oder der keramischen Schicht
16 innerhalb der porösen Schicht 7 (Fig. 10b) noch eine weitere keramische Schutzschicht
41 aufgebracht werden.
1. Schichtsystem (20),
bestehend aus
einem Substrat (1),
einer äusseren porösen Schicht (4) mit einem Porenanteil von mindestens 30 Volumenprozent,
die auf dem Substrat (1) angeordnet ist,
und einer Keramik (7, 16),
wobei die poröse Schicht (4) zumindest bereichsweise dicht mit der Keramik (7) ausgefüllt
ist.
2. Schichtsystem nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
die poröse Schicht (4) eine offene Porenstruktur aufweist.
3. Schichtsystem nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Keramik (7) eine Mischung aus verschiedenen keramischen Materialien ist.
4. Schichtsystem nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
auf der Keramik (7) in der porösen Schicht (4) eine weitere keramische Schicht (41)
aufgebracht ist.
5. Schichtsystem nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
die poröse Schicht (4) schaumartig ist.
6. Schichtsystem nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Substrat (1) metallisch ist, insbesondere eine Cobalt/Nickelsuperlegierung.
7. Schichtsystem nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
die poröse Schicht (4) aus Metall ist.
1. Coating system (20),
consisting of
a substrate (1),
a porous outer layer (4) with a pore portion of at least 30 percent by volume,
which is located on the substrate (1),
and a ceramic (7, 16),
wherein the porous layer (4) at least in areas is densely filled out with the ceramic
(7).
2. Coating system according to Claim 1,
characterized in that
the porous layer (4) has an open pore structure.
3. Coating system according to Claim 1,
characterized in that
the ceramic (7) is a mixture of different ceramic materials.
4. Coating system according to Claim 1,
characterized in that
a further ceramic layer (41) is applied to the ceramic (7) in the porous layer (4).
5. Coating system according to Claim 1,
characterized in that
the porous layer (4) is foam-like.
6. Coating system according to Claim 1,
characterized in that
the substrate (1) is metallic, especially a cobalt/nickel superalloy.
7. Coating system according to Claim 1,
characterized in that
the porous layer (4) is of metal.
1. Système (20) stratifié
constitué
d'un substrat (1),
d'une couche (2) extérieure poreuse ayant une proportion de pores d'au moins 30 pourcent
en volume,
qui est disposée sur un substrat (1),
et d'une céramique (7, 16),
la couche (4) poreuse étant remplie au moins par endroits d'une manière étanche de
la céramique (7).
2. Système stratifié suivant la revendication 1,
caractérisé en ce que
la couche (4) poreuse a une structure à pores ouverts.
3. Système stratifié suivant la revendication 1,
caractérisé en ce que la céramique (16) est un mélange de divers matériaux céramiques.
4. Système stratifié suivant la revendication 1,
caractérisé en ce qu'une autre couche (41) en céramique est déposée sur la céramique (7) de la couche (4)
poreuse.
5. Système stratifié suivant la revendication 1,
caractérisé en ce que la couche (4) poreuse est du type alvéolaire.
6. Système stratifié suivant la revendication 1,
caractérisé en ce que le substrat (1) est métallique, notamment est un superalliage de cobalt/nickel.
7. Système stratifié suivant la revendication 1,
caractérisé en ce que la couche (4) poreuse est en métal.