Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Wärmedämmschicht für Bauteile, insbesondere für hochtemperaturbelastete Bauteile, umfassend eine Wärmedämmschichtoberfläche und ein Wärmedämmschichtinneres, wobei zumindest eine erste Laserlichtquelle mittels zumindest einer ersten Fokussiereinrichtung zumindest einen ersten Fokus in zumindest einer ersten Tiefe der Wärmedämmschicht erzeugt. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Wärmedämmschicht.
Die Oberflächen im Heißgasbereich werden in modernen Gasturbinen zum Schutz vor Hochtemperaturoxidation und Hochtemperaturkorrosion fast vollständig mit Beschichtungen versehen. Brenner- und Verstärker-Abschnitte, die für Beschädigung durch Oxidation und Hitzekorrosions-Angriff empfindlich sind, werden typischerweise durch eine poröse Wärmdämmschicht (TBC) geschützt. Ein Eindringen von Fremdstoffen wie z.B. Sand führt jedoch zu einem Abplatzen der Wärmdämmschicht aufgrund ihrer porösen Oberfläche. Fremdstoffe können die Wärmdämmschicht auch in flüssiger Form infiltrieren, anschließend kristallisieren und dadurch zu einem Abplatzen des Coatings führen. Dies kann die Lebensdauer des Bauteils erheblich verringern. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn die Wärmedämmschicht eine keramische, spröde Schicht ist.
Eine erste Aufgabe der Erfindung ist daher die Angabe eines Verfahrens zum Herstellen einer Wärmedämmschicht für Bauteile, insbesondere für hochtemperaturbelastete Bauteile, mit welchem die oben genannten Probleme vermindert oder gar vermieden werden können. Eine zweite Aufgabe ist die Angabe einer verbesserten Wärmedämmschicht, welche die oben genannten Probleme vermindert oder gar vermeidet.
Erfindungsgemäß wird die erste Aufgabe mit der Angabe eines Verfahrens zum Herstellen einer Wärmedämmschicht gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 durch die folgenden Schritte gelöst, wobei:
- zumindest eine zweite Laserlichtquelle mittels zumindest einer zweiten Fokussiereinrichtung zumindest einen zweiten Fokus in einer zweiten Tiefe der Wärmedämmschicht erzeugt,
- eine zumindest erste Tiefe unterschiedlich zur zumindest zweiten Tiefe ist,
- ein zumindest erster Fokus und der zumindest zweite Fokus so nah beieinander liegen, dass sie ein gemeinsames Umschmelzbad in der Wärmdämmschicht erzeugen, und
- eine anschließende Erstarrung des Umschmelzbads von einem Wärmedämmschichtinneren zu einer Wärmedämmschichtoberfläche stattfindet, so dass eine Wärmedämmschichtoberfläche zumindest teilweise gegen ein Eindringen von Fremdstoffen verdichtet wird.
Erfindungsgemäß ist es durch die Nutzung zumindest zweier Fokusse mit unterschiedlicher Tiefe in der Wärmedämmschicht möglich, mehr Lichtleistung in das Innere der Wärmedämmschicht einzukoppeln und damit ein größeres Volumen an Umschmelzbad mit unterschiedlichen Temperaturen zu erzeugen. Durch die zumindest zwei Fokusse wird ein V-förmiges Umschmelzbad erzeugt, mit hohen Temperaturen und Umschmelzen in dem Inneren der Wärmedämmschicht; und geringen Temperaturen im Randbereich des Umschmelzbades. Dies führt zu einer Verminderung des Temperaturgradienten um das Umschmelzbad (Schmelzzone) herum. Dadurch ergibt sich eine Verminderung der Heißrissneigung. Die Schmelze erstarrt vom Inneren der Wärmedämmschicht nach Außen. Somit werden Ausgaszonen verhindert und Einschlüsse zur Wärmedämmschichtoberfläche geführt, was zu einer verminderten Porenbildung führt. Der eigentliche Umschmelzprozess findet im Inneren der Wärmedämmschicht statt, während die Wärmedämmschichtoberfläche lediglich vorgewärmt wird. Durch ein derartiges Umschmelzen wird die Wärmedämmschichtoberfläche verdichtet, so dass flüssige Fremdstoffe nicht mehr in die Wärmedämmschicht eindringen; sich dort kristallisieren und somit ein Abplatzen der Wärmedämmschicht herbeiführen können. Dadurch kann die Lebensdauer der Beschichtung und des Bauteils, z.B. einer Turbinenschaufel verlängert werden.
Erfindungsgemäß wird die zweite Aufgabe mit der Angabe einer Wärmedämmschicht für hochtemperaturbelastete Bauteile gelöst, welche eine Wärmedämmschichtoberfläche und ein Wärmedämmschichtinneres nach dem oben genannten Verfahren aufweist.
Erfindungsgemäß bewirkt ein Umschmelzbad, insbesondere ein V-förmiges Umschmelzbad, eine Erstarrung der Schmelze vom Inneren der Wärmedämmschicht nach außen. Dadurch werden Ausgasungen und Schrumpfungszonen verhindert. Porenbildung kann so vermieden werden. Dadurch weist die erfindungsgemäße Wärmedämmschicht insbesondere an der Oberfläche eine Versiegelung auf.
Bevorzugt sind die zumindest zwei Fokussiereinrichtungen als bifokale Linse ausgebildet. Durch die Anwendung einer bifokalen Linse entstehen zwei konzentrische kreisförmige Intensitätsverteilungen in der Wärmedämmschicht. Thermische Spannungen können so während des Umschmelzprozesses reduziert werden und eine Rissbildung während des Umschmelzprozesses kann verhindert werden.
In bevorzugter Ausgestaltung sind die zumindest zwei Laserlichtquellen ein einzelner Laser. Alternativ sind die zumindest zwei Laserlichtquellen zwei Laser mit unterschiedlichen Strahleigenschaften.
Bevorzugt ist die Wärmedämmschicht eine keramische Schicht. Diese ist besonders gut geeignet für hochtemperaturbelastete Bauteile, z.B. Schaufeln oder Hitzeschilde.
Weitere Merkmale, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die beiliegende Figur. Darin zeigt schematisch:
- FIG 1
- eine Umschmelzeinrichtung beim Umschmelzen einer Wärmedämmschicht.
FIG 1 zeigt eine Wärmedämmschicht 100 und einen Laser 1, von welchem ein Lichtstrahl 2 ausgeht. Dieser wird durch eine bifokale Linse 3 aufgespaltet. Dabei besteht die bifokale Linse 3 aus einer ersten und einer zweiten Linse. So kann es sich bei der ersten Linse um eine scheibenförmige Linse 5 handeln und bei der zweiten Linse um eine ringförmige Linse 4, wobei die ringförmige Linse 4 und scheibenförmige Linse 5 dann unterschiedliche Partien des Lichtstrahls 2 erfassen. Es kann aber auch sein, dass auf die ringförmige Linse 4 noch ein weiterer Linsenabschnitt zur Erzeugung der scheibenförmigen Linse 5 gesetzt wurde. Dabei sind die ringförmige Linse 4 und die scheibenförmige Linse 5 konzentrisch zueinander angeordnet, d.h. sie haben denselben Mittelpunkt (nicht gezeigt). Die ringförmige Linse 4 und die scheibenförmige Linse 5 wirken als Sammellinsen, haben aber unterschiedliche Brennweiten. Die ringförmige Linse 4 und scheibenförmige Linse 5 spalten den Lichtstrahl 2 in zwei Lichtstrahle auf. So erfasst die ringförmige Linse 4 die äußeren Randzonen des Lichtstrahls 2 und die scheibenförmige Linse 5 einen inneren Kern des Lichtstrahls 2. Der Lichtstrahl durch die scheibenförmige mittige Linse 5 kann daher auch als Zentralstrahl 50 angesehen werden, der Lichtstrahl durch die ringförmige Linse 4 kann daher auch als Ringstrahl 40 angesehen werden. Der durch die scheibenförmige Linse 5 festgelegte Zentralstrahl 50 hat einen geringeren Konvergenzwinkel α als der durch die ringförmige Linse 4 festgelegte Ringstrahl 40 mit einem Konvergenzwinkel β. Dadurch entstehen zwei Fokusse in unterschiedlichen Tiefen der Wärmedämmschicht 100, nämlich der Fokus 400, welcher der ringförmigen Linse 4 zugeordnet wird und der Fokus 500, welcher der scheibenförmigen Linse 5 zugeordnet wird. Beide Fokusse 400 und 500 liegen auf einer gemeinsamen optischen Achse 8. Dabei liegt der Fokus 500 tiefer in der Wärmedämmschicht 100 als der Fokus 400. Durch die konzentrische Anordnung der ringförmigen Linse 4 und des entstehenden Ringstrahls 40 sowie der scheibenförmigen Linse 5 und des entstehenden Zentralstrahls 50 ergibt sich ein V-förmiges Umschmelzbad 600, das in der Wärmedämmschicht 100 entsteht. Dabei befindet sich die Spitze des V-förmigen Umschmelzbades 600 nahe des Fokus 500 des Zentralstrahls 50. Durch die Nutzung zweier Fokusse 400,500 mit unterschiedlicher Tiefe in der Wärmedämmschicht 100 ist es möglich mehr Lichtleistung in das Innere der Wärmedämmschicht 100 einzukoppeln und damit ein größeres Volumen an Umschmelzbad 600 mit unterschiedlichen Temperaturen zu erzeugen. In den Randzonen des Umschmelzbades 600, insbesondere in Nähe der Oberfläche, liegt nur noch eine geringe Temperatur vor. Dies führt zu einer Verminderung der Temperaturgradienten rings um das Umschmelzbad 600 (Schmelzzone) gerade in Oberflächennähe und dies führt zu einer Verminderung der Heißrissneigung. Das heißt, dass durch das V-förmige Umschmelzbad, die thermischen Spannungen während des Umschmelzprozesses reduziert werden und eine Rissbildung verhindert werden kann. Das durch die bifokale Linse 3 entstehende V-förmige Umschmelzbad erstarrt von der Spitze der V-Form, das heißt vom Inneren der Wärmedämmschicht 100 zur Wärmedämmschichtoberfläche, was zu einer verminderten Porenbildung führt. Einschlüsse und Ausgaszonen werden zur Wärmedämmschichtoberfläche geführt und können dort entweichen, was zu einer verminderten Porenbildung führt. Der eigentliche Umschmelzprozess findet daher im Inneren der Wärmedämmschicht statt, während die Wärmedämmschichtoberfläche lediglich vorgewärmt wird. Insbesondere in der Grenzschicht zwischen dem Ringstrahl 40 und dem angrenzenden Bereich in der Wärmedämmschicht 100 findet kein Umschmelzen statt.
Durch das Umschmelzen mit einer bifokalen Linse wird die Wärmedämmschichtoberfläche derart verdichtet bzw. versiegelt, dass Fremdstoffe nun nicht mehr durch die poröse Wärmedämmschichtoberfläche in die poröse Wärmedämmschicht eindringen können; ein Abplatzen der Wärmedämmschicht wird somit vermieden. Dadurch kann die Lebensdauer der Beschichtung und des Bauteils, z.B. einer Turbinenschaufel verlängert werden.
Selbstverständlich können anstatt der einen Laserlichtquelle 1 auch mehrere Laserlichtquellen verwendet werden(nicht gezeigt). Diese können gleich stark oder unterschiedlich stark sein, auch unterschiedliche Strahleigenschaften aufweisen. Auch können mehr als zwei Fokusse ausgebildet werden, was beispielsweise die Einkopplung von hohen Leistungen in große Materialtiefen ermöglicht (nicht gezeigt).