WO2010054633A2 - Verschleissschutzschicht für tial - Google Patents

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Definitions

  • the present invention relates to a wear-resistant component made of a TiAl material for high-temperature applications with a two-layer protective layer and a method for its production and the corresponding application in a Turbinenschau- fei.
  • TiAl materials ie materials based on ⁇ -titanium aluminide, Ot 2 -Ti 3 Al, and corresponding alloys are of interest for use in the construction of gas or aviation turbines.
  • turbine blades are often designed such that they seal with their free ends against sealing surfaces, so-called sealing fins, wherein the ends of the turbine blades grind in order to produce a good sealing effect, so that abrasive wear can occur at the ends of the turbine blades .
  • sealing fins wherein the ends of the turbine blades grind in order to produce a good sealing effect, so that abrasive wear can occur at the ends of the turbine blades .
  • DE 37 88 116 T2 EP 0 166 676 A2 and CA 2 411 156 A1 describe abrasive materials for turbine blade ends.
  • there are temperature or corrosion protection layers as described in US 5,413,871 or JP 2003269105 A.
  • a TiAl component or a corresponding protective system for a TiAl material and a method for its production is to be provided which, in high-temperature applications, offers reliable protection against wear of the most varied types, for example. Erosion, fretting, or wear in connection with corrosion phenomena prevented, the protective layer should be safe and easy to produce during operation.
  • a wear-protected component with the features of claim 1, a method for producing a corresponding component having the features of claim 15 and in particular a turbine blade having the features of claim 20.
  • Advantageous embodiments are the subject of the dependent claims.
  • the invention is characterized in that on an TiAl material, ie a material based on the intermetallic phases ⁇ -TiAl, Ot 2 -Ti 3 Al and alloys thereof, an at least two-layer or two-layer protective layer system is provided which comprises a first diffusion barrier layer comprising a noble metal and a second hard material layer with hard material particles, wherein the hard material particles are embedded in a noble metal matrix.
  • Such a two-layered layer system offers the possibility of preventing diffusion of components of the protective layer, ie in particular of the elements of the hard material particles, into the TiAl, at the same time preventing or at least hindering the ductile noble metal from crack growth, so that the mechanical properties and in particular the vibration resistance of the component not be affected.
  • the hard material particles which are embedded in the noble metal matrix in the hard material layer, provide the necessary hardness and resistance to, for example, erosion or abrasive wear and the like, the incorporation of the hard material particles into a noble metal matrix or the coating of the individual particles by noble metal, the risk of Crack formation and growth and thus reduce or avoid negative effects on the mechanical properties of the entire coating or on the entire composite material.
  • the term of the TiAl material used here generally includes the intermetallic phases of the TiAl, ie in particular ⁇ -Titanalumind or Ot 2 -Ti 3 Al and also corresponding alloys, for example with niobium or the like.
  • the corresponding materials may include companion elements such as nitrogen, carbon, oxygen, hydrogen, and the like.
  • the noble metals for the diffusion barrier layer or the precious metal matrix include the platinum metals, gold, silver, mercury and rhenium, ie in particular ruthenium, rhodium, palladium, silver, rhenium, osmium, iridium, platinum, gold and mercury, in particular the use of palladium, silver , Osmium, platinum and gold come into question.
  • the hard material particles of the hard material layer may in particular be nanoscale in order to avoid the formation of cracks or crack growth due to their size.
  • the hard material particles of the hard material layer can have an average or maximum particle size of 500 nm or less, in particular 250 nm or less, preferably 100 nm or less.
  • the hard material particles may be of a ceramic material or other hard material, such as, in particular, alumina, zirconia, diamond, diamond-like carbon, boron nitride, cubic boron nitride (CBN), titanium nitride, titanium-aluminum nitride, silicon oxide, especially silicon dioxide and silicon carbide and the like.
  • the protective layer may in particular be limited to the above-described, basically two-layered or two-layered structure, wherein the diffusion barrier layer as well as the hard material layer per se may be formed in a plurality of layers or different partial layers.
  • the diffusion barrier layer can be arranged directly on the TiAl material and / or the hard material layer can be formed as a surface layer.
  • the diffusion barrier layer may have a thickness of 0.5 .mu.m to 10 .mu.m, in particular 1 .mu.m to 3 .mu.m, preferably about 1 .mu.m to 2 .mu.m, while the hard material layer has a thickness of 0.1 .mu.m to 100 .mu.m, preferably 0.1 .mu.m to 10 microns, most preferably 0.2 to 0.8 microns, in particular about 0.5 microns may have.
  • the protective layer can be adapted in particular by adapting the hard material layer to different conditions of use.
  • the chemical composition of the hard material particles used, the size of the hard material particles and / or their proportions in the hard material layer can be varied.
  • this variation can be given along the thickness of the hard material layer, so that the protective layer and in particular the hard material layer can be formed in the form of a gradient layer.
  • discrete regions with different configurations of the hard material layer are arranged on one component. In addition, these areas can also merge continuously.
  • the corresponding layers can be deposited on the TiAl material in any suitable manner.
  • an organic precious metal Bond can be used, which can be applied with or without solvent on the TiAl material.
  • organometallic compounds which contain noble metals are mentioned, for example, in EP 0 456 908 A.
  • the solvents present in the applied layer can be vaporized by the effect of temperature.
  • the organic noble metal compound can be cracked, so that correspondingly volatile components are formed and only the noble metal remains on the treated surface. This can be formed in a very simple manner, a thin diffusion barrier layer of a noble metal.
  • the hard material particles In the same way can thereby form a hard material layer.
  • the hard material particles In this case, only the organic precious metal compound or to the mixture of organic noble metal compound and solvent, the hard material particles must be dispersed so that the hard material particles remain in the deposited noble metal layer after the temperature treatment.
  • solvent used here can be any solvent with which the organic noble metal compound can form a solution, for example water.
  • the proportion of solvent can accordingly also vary in order to influence the properties of the deposited noble metal layer or of the noble metal layer with dispersed hard material particles.
  • the diffusion barrier layer and the hard material layer can be applied separately in succession or pass through parts of the treatment, such as the temperature treatment together.
  • the corresponding organic noble metal compounds can be applied successively in liquid form with or without solvent and once with the corresponding hard material particles in liquid form on the material and subsequently swept together by temperature treatment in corresponding metal layers überbowt.
  • the liquid to be applied is so thin that the dispersed particles of hard material can not be reliably held in the corresponding liquid film, it is advisable to apply it completely separate and in succession.
  • a corresponding turbine blade can have a protective layer according to the invention throughout, but the protective layer can be adapted for the various fields of use.
  • the proportion as well as the size of the hard material particles in the hard material layer can be increased. Accordingly, such a layer can be applied with a lower proportion of solvent. In comparison, the remaining areas can be provided with smaller and less hard particles or be deposited with a larger proportion of solvent.
  • FIG. 1 shows a sectional view through the layer structure of a component according to the invention
  • FIG. 2 is an illustration of the processing sequence for producing a protective layer according to the invention
  • FIG. 3 is a perspective view of a turbine blade according to the invention.
  • Figure 1 shows in a partial sectional view of the surface region of a TiAl component 1, wherein the base material, for example, from ⁇ -TiAl or a corresponding alloy based on ⁇ -TiAl with additions of niobium or accompanying elements such as oxygen, nitrogen, carbon, silicon, hydrogen and may be formed.
  • the base material for example, from ⁇ -TiAl or a corresponding alloy based on ⁇ -TiAl with additions of niobium or accompanying elements such as oxygen, nitrogen, carbon, silicon, hydrogen and may be formed.
  • Such components made of titanium aluminides are used due to their light weight, for example in aircraft turbines in the range of low operating temperatures.
  • a two-day protective layer 4 is arranged on the surface of the TiAl material 1, which consists of the partial layers 2 and 3.
  • the sub-layer 2 is a diffusion barrier layer formed of a noble metal.
  • the noble metals here include ruthenium, rhodium, palladium, silver, rhenium, osmium, iridium, platinum, silver and mercury, in particular palladium, silver, platinum, osmium and gold come into question.
  • a hard material layer 3 which comprises a plurality of hard material particles 6 in a noble metal matrix 5.
  • the noble metal matrix 5 can be formed from the same noble metal as the diffusion barrier layer 2 or from a different noble metal.
  • the hard material particles may be formed as nanoparticles, ie have an average or maximum size of 500 nm, in particular 250 nm, preferably 100 nm. Due to the small size of the hard material particles, cracking and / or crack growth is suppressed or impeded, which improves the mechanical properties of the protective layer 4 or of the entire composite material. In addition, the ductile matrix of a precious metal contributes to the fact that no crack formation can take place.
  • the diffusion barrier layer 2 prevents the diffusion of constituents of the protective layer 4 or in particular of the hard material layer 3 and here again of elements of the hard material particles 6 in the TiAl base material, so that an undesirable change of the TiAl base material can be avoided.
  • the hard material particles may be formed from ceramic materials and in particular comprise one or more components selected from aluminum oxide, zirconium oxide, diamond, diamond-like carbon, boron nitride, cubic boron nitride, titanium nitride, titanium-aluminum nitride or silicon dioxide.
  • the distribution of the hard material particles 6 in the noble metal matrix 5, in particular with regard to the size of the hard material particles and / or the proportion of the hard material particles 6 in the metal matrix 5 and the chemical composition of the hard material particles 6 can vary in the various dimensions of the hard material layer, ie both in the thickness direction perpendicular to the surface of the TiAl material 1 and in the independent spatial directions parallel to the surface of the component.
  • the hard material layer can be applied in multiple layers and / or separated according to different areas.
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a production process with which a corresponding protective layer 4 can be produced on a TiAl material 1.
  • FIG. 2 shows that a container contains a mixture of an organic precious metal compound and a solvent 11, which is applied to a TiAl substrate via brushes or brushes 13 or the like, to form a liquid film 12 on the surface of the TiAl substrate to build.
  • the suitably prepared material is introduced into a furnace 14, in which a heating device 15 is provided, so that the liquid film 12 can be heated together with the substrate 10. This leads to evaporation of the solvent and to a decomposition of the organic noble metal compound and also evaporation of the volatile components, which is represented schematically by the vapor 16.
  • a heating device 15 is provided, so that the liquid film 12 can be heated together with the substrate 10.
  • the noble metal component of the organic noble metal compound Back on the TiAl substrate 10 remains the noble metal component of the organic noble metal compound, so that a noble metal layer 20 is formed, the thickness is very small and is in the micrometer range.
  • the pretreated TiAl substrate provided with a diffusion barrier layer is also painted with a mixture of an organic noble metal compound, a solvent, and hard material particles dispersed therein by brush or brush, so that a liquid film 18 is formed on the previously deposited noble metal layer 20.
  • the thus treated TiAl substrate 10 is again introduced into the corresponding furnace 14 and heated by the heater 15 so that the solvent of the mixture 17 of organic noble metal compound, solvent and hard material particles dispersed therein evaporates.
  • the organic noble metal compound is in turn decomposed, wherein the volatile components also evaporate and are in the gas phase 16, which can be removed by appropriate suction devices (not shown) and disposed of properly.
  • the application method shown represents only one possibility, and even here modifications and additions are possible.
  • the mixture 11 or the mixture 17 with other coating technologies, such as spraying or the like are applied.
  • the temperature treatment can also be carried out in another suitable manner.
  • the two different partial layers namely the diffusion barrier layer 20 and the hard material layer 30, are applied in such a way that first the liquid films 12 and 18 are arranged one above the other and only then the temperature treatment takes place.
  • FIG. 3 is a perspective view of a turbine blade 40 to which the present invention can be applied.
  • the turbine blade 40 includes a foot portion 41 which may be inserted into a corresponding rotor of a gas turbine. This foot region may cause signs of wear, as the turbine blade root 41 rubs against the rotor, which is often made of nickel or a nickel-based alloy. In connection with the present corrosion conditions it can come here to fretting appearances.
  • the airfoil 42 may be erosion, for example, when used in air turbines in sandy or dusty areas.
  • the end portion 43 of the turbine blade is often subjected to abrasive wear to achieve a good seal against the housing.
  • the protective layer 4 may correspond to the fields of application, ie the application in the foot region 41, in the airfoil region 42 or be modified according to the end portion 43, for example, as regards the chemical composition of the hard material particles, the size and distribution and the proportion of hard material particles in the hard material layer as well as the method of application.
  • the end portion 43 of the turbine blade which is exposed to high abrasive wear, have a higher concentration of hard material particles, which may also be formed with their average particle size or maximum particle size larger than in the remaining area of the turbine blade 40.
  • the layers are reduced via an organic noble metal compound with solvents, the solvent concentration. Similar adjustments can be made in other areas of the turbine blade 40.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein verschleißgeschütztes Bauteil für Hochtemperaturanwendungen aus einem TiAl-Werkstoff, insbesondere eine Turbinenschaufel mit einer mindestens zweilagigen Schutzschicht (4), wobei eine erste Diffusionssperrschicht (2) aus einem Edelmetall und eine zweite Hartstoffschicht (3) mit Hartstoffpartikeln, die in einer Edelmetallmatrix eingelagert sind, auf dem TiAl-Werkstoff (1) als Schutzschicht aufgebracht sind sowie ein entsprechendes Herstellungsverfahren.

Description

VERSCHLEISSSCHUTZSCHICHT FÜR TIAL
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft ein verschleißgeschütztes Bauteil aus einem TiAl- Werkstoff für Hochtemperaturanwendungen mit einer zweilagigen Schutzschicht sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung und die entsprechende Anwendung bei einer Turbinenschau- fei.
STAND DER TECHNIK
TiAl-Werkstoffe, also Werkstoffe auf der Basis von γ-Titanaluminid, Ot2-Ti3Al sowie entspre- chenden Legierungen sind aufgrund ihres geringen Gewichts für den Einsatz im Gas- bzw. Flugturbinenbau interessant.
Allerdings benötigen diese Werkstoffe, die insbesondere für Turbinenschaufeln Verwendung finden, einen Schutz gegen Verschleiß und/oder korrosionsbedingte Degradation. So besteht beispielsweise bei der Anordnung der TiAl-Turbinenschaufeln auf Rotoren aus Nickelwerkstoffen die Gefahr einer Schädigung durch Fretting, also die Kombination aus Reibverschleiß und Korrosion.
Im Schaufelblattbereich kann durch Umgebungseinflüsse, beispielsweise beim Einsatz von Flugturbinen in sandigen oder staubigen Gegenden, Erosion als Schädigungsmechanismus auftreten.
Ferner sind derartige Turbinenschaufeln häufig so ausgebildet, dass sie mit ihren freien Enden gegenüber Dichtflächen, so genannten Dicht -Fins abdichten, wobei zur Erzeugung einer gu- ten Dichtwirkung sich die Enden der Turbinenschaufeln einschleifen, so dass an den Enden der Turbinenschaufeln abrasiver Verschleiß auftreten kann. So sind beispielsweise in der DE 37 88 116 T2, EP 0 166 676 A2 und der CA 2 411 156 Al Schleifmaterialien für Turbinen- schaufelenden beschrieben. Gleichzeitig gibt es Temperatur- oder Korrosionsschutzschichten, wie in der US 5,413,871 oder der JP 2003269105 A beschrieben.
Die US 5,116,430 und die US 5,154,816 beschreiben Verschleißschutzschichten für Titan- Werkstoffe bei welchen insbesondere Nickelschichten unter einer Verschleißschutzschicht mit harten, insbesondere keramischen Partikeln vorgesehen sind. Allerdings besteht bei diesen Schichtsystemen die Problematik, dass bei Hochtemperaturanwendungen, wie bei der Anwendung von Titanaluminiden in Turbinen, durch die Diffusion von Komponenten des Schichtmaterials in den Grundwerkstoff der Grundwerkstoff in unzulässiger Weise verändert oder beeinträchtigt werden kann.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
AUFGABE DER ERFINDUNG
Es ist deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Schutzschicht für TiAl-Werkstoffe bzw. entsprechende Bauteile, insbesondere Turbinenschaufeln und ein Verfahren zu deren Herstellung bereitzustellen, welches die Probleme aus dem Stand der Technik vermeidet.
Insbesondere soll ein TiAl-Bauteil bzw. ein entsprechendes Schutzsystem für einen TiAl- Werkstoff und ein Verfahren zu dessen Herstellung bereitgestellt werden, welche bei Hochtemperaturanwendungen einen sicheren Schutz vor Verschleiß unterschiedlichster Arten bietet, wie z.B. Erosion, Reibverschleiß, oder Verschleiß im Zusammenhang mit Korrosionserscheinungen verhindert, wobei die Schutzschicht im Betrieb sicher und einfach herstellbar sein soll.
TECHNISCHE LÖSUNG
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein verschleißgeschütztes Bauteil mit den Merkmalen des Anspruchs 1, ein Verfahren zur Herstellung eines entsprechenden Bauteils mit den Merkmalen des Anspruchs 15 sowie insbesondere einer Turbinenschaufel mit den Merkmalen des Anspruchs 20. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass auf einem TiAl- Werkstoff, also einem Werkstoff auf Basis der intermetallischen Phasen γ-TiAl, Ot2-Ti3Al und Legierungen daraus, ein mindestens zweilagiges bzw. zweischichtiges Schutzschichtsystem bereitgestellt wird, welches eine erste Diffusionssperrschicht aus einem Edelmetall und eine zweite Hartstoffschicht mit Hartstoffpartikeln umfasst, wobei die Hartstoffpartikel in einer Edelmetallmatrix eingelagert sind.
Ein derartiges zweilagiges Schichtsystem bietet die Möglichkeit eine Diffusion von Komponenten der Schutzschicht, also insbesondere der Elemente der Hartstoffpartikel, in das TiAl zu verhindern, wobei gleichzeitig das duktile Edelmetall Risswachstum verhindert bzw. zumindest behindert, so dass die mechanischen Eigenschaften und insbesondere die Schwingfestigkeit des Bauteils nicht beeinträchtigt werden.
Die Hartstoffpartikel, die in der Edelmetallmatrix in der Hartstoffschicht eingelagert sind, stellen die nötige Härte und den Widerstand gegen beispielsweise Erosion oder abrasiven Verschleiß und dergleichen bereit, wobei die Einlagerung der Hartstoffpartikel in eine Edelmetallmatrix bzw. die Umhüllung der einzelnen Partikel durch Edelmetall die Gefahr von Rissbildung und -Wachstum und damit negativen Einwirkungen auf die mechanischen Eigenschaften der gesamte Beschichtung bzw. auf den gesamten Werkstoffverbund verringern bzw. vermeiden.
Der hier verwendete Begriff des TiAl-Werkstoffs umfasst ganz allgemein die intermetallischen Phasen des TiAl, also insbesondere γ-Titanalumind bzw. Ot2-Ti3Al sowie auch entsprechende Legierungen, beispielsweise mit Niob oder dergleichen. Außerdem können die ent- sprechenden Werkstoffe Begleitelemente, wie Stickstoff, Kohlenstoff, Sauerstoff, Wasserstoff und dergleichen umfassen.
Die Edelmetalle für die Diffusionssperrschicht bzw. die Edelmetallmatrix umfassen die Platinmetalle, Gold, Silber, Quecksilber und Rhenium, also insbesondere Ruthenium, Rhodium, Palladium, Silber, Rhenium, Osmium, Iridium, Platin, Gold und Quecksilber wobei insbesondere die Verwendung von Palladium, Silber, Osmium, Platin und Gold in Frage kommen.
Die Hartstoffpartikel der Hartstoffschicht können insbesondere nanoskalig ausgebildet sein, um durch ihre Größe bereits die Bildung von Rissen oder Risswachstum zu vermeiden. Insbe- sondere können die Hartstoffpartikel der Hartstoffschicht eine mittlere oder maximale Korngröße von 500 nm oder weniger, insbesondere 250 nm oder weniger, vorzugsweise 100 ran oder weniger aufweisen.
Die Hartstoffpartikel können aus einem keramischen Werkstoff oder einem sonstigen harten Werkstoff sein, wie insbesondere Aluminiumoxid, Zirkonoxid, Diamant, diamantähnlichem Kohlenstoff, Bornitrid, kubischem Bornitrid (CBN), Titannitrid, Titan-Aluminium-Nitrid, Siliziumoxid, insbesondere Siliziumdioxid und Siliziumcarbid und dergleichen.
Die Schutzschicht kann insbesondere auf den oben geschilderten, grundsätzlich zweischichtigen bzw. zweilagigen Aufbau beschränkt sein, wobei die Diffusionssperrschicht als auch die Hartstoffschicht an sich in mehreren Lagen oder unterschiedlichen Teilschichten ausgebildet sein können.
Insbesondere kann die Diffusionssperrschicht unmittelbar auf dem TiAl-Werkstoff angeordnet sein und/oder die Hartstoffschicht als Oberflächenschicht ausgebildet sein.
Die Diffusionssperrschicht kann eine Dicke von 0,5 μm bis 10 μm, insbesondere 1 μm bis 3μm, vorzugsweise ca. 1 μm bis 2 μm aufweisen, während die Hartstoffschicht eine Dicke von 0,1 μm bis 100 μm, vorzugsweise 0,1 μm bis 10 μm, höchst vorzugsweise 0,2 bis 0,8 μm, insbesondere ca. 0,5 μm aufweisen kann.
Die Schutzschicht kann insbesondere durch eine Anpassung der Hartstoffschicht an unterschiedliche Einsatzbedingungen angepasst werden. So kann beispielsweise die chemische Zusammensetzung der verwendeten Hartstoffpartikel, die Größe der Hartstoffpartikel und/oder deren Anteile in der Hartstoffschicht variiert werden. Für ein Bauteil kann diese Variation entlang der Dicke der Hartstoffschicht gegeben sein, so dass die Schutzschicht und insbesondere die Hartstoffschicht in Form einer Gradientenschicht ausgebildet sein können. Darüber hinaus ist es auch denkbar, dass diskrete Bereiche mit unterschiedlichen Ausbildun- gen der Hartstoffschicht auf einem Bauteil angeordnet werden. Darüber hinaus können diese Bereiche auch kontinuierlich ineinander übergehen.
Die entsprechenden Schichten können in jeder geeigneten Art und Weise auf dem TiAl- Werkstoff abgeschieden werden. Insbesondere kann jedoch eine organische Edelmetallver- bindung eingesetzt werden, die mit oder ohne Lösemittel auf dem TiAl-Werkstoff aufgebracht werden kann. Beispiele für organo-metallische Verbindungen, die Edelmetalle enthalten, sind z.B. in der EP 0 456 908 A genannt.
Die in der aufgebrachten Schicht vorhandenen Lösemittel können durch Temperatureinwirkung verdampft werden. Gleichzeitig kann bei der Temperaturbehandlung die organische Edelmetallverbindung gecrackt werden, so dass entsprechend flüchtige Komponenten entstehen und nur das Edelmetall auf der behandelten Oberfläche zurückbleibt. Damit kann in sehr einfacher Weise eine dünne Diffusionssperrschicht aus einem Edelmetall gebildet werden.
In gleicher Weise lässt sich dadurch eine Hartstoffschicht ausbilden. In diesem Fall müssen lediglich zur organischen Edelmetallverbindung bzw. zu dem Gemisch aus organischer Edelmetallverbindung und Lösemittel die Hartstoffpartikel dispergiert werden, so dass die Hartstoffpartikel nach der Temperaturbehandlung in der abgeschiedenen Edelmetallschicht verbleiben.
Bei der hier verwendeten Bezeichnung Lösemittel kann es sich um jedes Lösemittel handeln, mit welchem die organische Edelmetallverbindung eine Lösung eingehen kann, beispielsweise auch um Wasser.
Der Lösemittelanteil kann entsprechend auch variieren, um die Eigenschaften der abgeschiedenen Edelmetallschicht bzw. der Edelmetallschicht mit dispergierten Hartstoffteilchen zu beeinflussen.
Für die Aufbringung der organischen Edelmetallverbindung mit oder ohne Lösemittel bzw. mit oder ohne Hartstoffpartikel können sämtliche geeigneten Aufbringungstechniken verwendet werden, insbesondere Techniken aus dem Beriech der Lackiertechnik, wie Bestreichen, Sprühen und dergleichen.
Die Diffusionssperrschicht und die Hartstoffschicht können separat nacheinander aufgebracht werden oder Teile der Behandlung, wie beispielsweise die Temperaturbehandlung zusammen durchlaufen. In diesem Fall können die entsprechenden organischen Edelmetallverbindungen mit oder ohne Lösemittel sowie einmal ohne und einmal mit den entsprechenden Hartstoffpartikeln nacheinander in flüssiger Form auf dem Werkstoff aufgebracht werden und anschlie- ßend gemeinsam durch Temperaturbehandlung in entsprechende Metallschichten überfuhrt werden. Sollte jedoch die aufzubringende Flüssigkeit so dünnflüssig sein, dass die dispergier- ten Hartstoffpartikel nicht zuverlässig in dem entsprechenden Flüssigkeitsfilm gehalten werden können, empfiehlt sich eine vollständig getrennte und zeitlich aufeinander folgende Auf- bringung.
Eine entsprechende Turbinenschaufel kann durchgehend eine erfindungsgemäße Schutzschicht aufweisen, wobei jedoch für die verschiedenen Einsatzgebiete die Schutzschicht an- gepasst werden kann. So können beispielsweise im Bereich der Schaufelenden mit der Abra- sivschicht der Anteil als auch die Größe der Hartstoffpartikel in der Hartstoffschicht erhöht werden. Entsprechend kann auch eine derartige Schicht mit einem geringeren Lösemittelanteil aufgetragen werden. Im Vergleich dazu können die übrigen Bereiche mit kleineren und weniger Hartstoffpartikeln versehen werden bzw. mit größerem Lösemittelanteil abgeschieden werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
Weitere Vorteile, Kennzeichen und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden bei der nachfolgenden detaillierten Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der beigefügten Zeichnungen deutlich. Die Zeichnungen zeigen hierbei in rein schematischer Weise in
Figur 1 eine Schnittansicht durch den Schichtaufbau eines erfindungsgemäßen Bauteils;
Figur 2 eine Darstellung der Bearbeitungsfolge zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Schutzschicht; und in Figur 3 eine perspektivische Darstellung einer erfindungsgemäßen Turbinenschaufel.
AUSFÜHRUNGSBEISPIEL(E)
Figur 1 zeigt in einer teilweisen Schnittansicht den Oberflächenbereich eines TiAl-Bauteils 1 , wobei der Grundwerkstoff beispielsweise aus γ-TiAl oder einer entsprechenden Legierung auf Basis von γ-TiAl mit Zusätzen von Niob oder Begleitelementen wie Sauerstoff, Stickstoff, Kohlenstoff, Silizium, Wasserstoff und dergleichen gebildet sein kann. Derartige Bauteile aus Titanaluminiden werden aufgrund ihres leichten Gewichtes beispielsweise in Flugzeugturbinen im Bereich niedriger Betriebstemperaturen eingesetzt. Zum Schutz von Erosion, Verschleiß und/oder Korrosion ist eine zweitägige Schutzschicht 4 auf der Oberfläche des TiAl-Werkstoffs 1 angeordnet, die aus den Teilschichten 2 und 3 besteht.
Die Teilschicht 2 ist eine Diffusionssperrschicht, die aus einem Edelmetall gebildet ist. Die Edelmetalle umfassen hierbei Ruthenium, Rhodium, Palladium, Silber, Rhenium, Osmium, Iridium, Platin, Silber und Quecksilber, wobei insbesondere Palladium, Silber, Platin, Osmium und Gold in Frage kommen.
Auf der Diffusionssperrschicht 2 aus einem Edelmetall ist eine Hartstoffschicht 3 vorgesehen, welche eine Vielzahl von Hartstoffpartikeln 6 in einer Edelmetallmatrix 5 umfasst. Die Edelmetallmatrix 5 kann hierbei aus dem gleichen Edelmetall gebildet sein, wie die Diffusionssperrschicht 2 oder aus einem unterschiedlichen Edelmetall.
Die Hartstoffpartikel können als Nanopartikel ausgebildet sein, also eine durchschnittliche oder maximale Größe von 500 nm, insbesondere 250 nm, vorzugsweise 100 nm aufweisen. Durch die geringe Größe der Hartstoffpartikel wird Rissbildung und/oder Risswachstum unterdrückt oder erschwert, was die mechanischen Eigenschaften der Schutzschicht 4 bzw. des gesamten Werkstoffverbundes verbessert. Darüber hinaus trägt die duktile Matrix aus einem Edelmetall dazu bei, dass keine Rissausbildung stattfinden kann.
Die Diffusionssperrschicht 2 verhindert das Eindiffundieren von Bestandteilen der Schutzschicht 4 bzw. insbesondere der Hartstoffschicht 3 und hier wiederum von Elementen der Hartstoffpartikel 6 in den TiAl-Grundwerkstoff, so dass eine unerwünschte Veränderung des TiAl-Grundwerkstoffs vermieden werden kann.
Die Hartstoffpartikel können aus keramischen Werkstoffen gebildet sein und insbesondere eine oder mehrere Komponenten ausgewählt aus Aluminiumoxid, Zirkonoxid, Diamant, dia- mantähnlichem Kohlenstoff, Bornitrid, kubischem Bornitrid, Titannitrid, Titan-Aluminium- Nitrid oder Siliziumdioxid umfassen.
Die Verteilung der Hartstoffpartikel 6 in der Edelmetallmatrix 5 insbesondere hinsichtlich der Größe der Hartstoffpartikel und/oder des Anteils der Hartstoffpartikel 6 in der Metallmatrix 5 sowie der chemischen Zusammensetzung der Hartstoffpartikel 6 kann in den verschiedenen Dimensionen der Hartstoffschicht variieren, also sowohl in Dickenrichtung senkrecht zur Oberfläche des TiAl-Werkstoffs 1 als auch in den unabhängigen Raumrichtungen parallel zur Oberfläche des Bauteils. Hierzu kann beispielsweise die Hartstoffschicht mehrlagig und/oder getrennt nach verschiedenen Bereichen aufgebracht werden.
Die Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Produktionsprozesses, mit dem eine entsprechende Schutzschicht 4 auf einem TiAl-Werkstoff 1 erzeugt werden kann. Die Figur 2 zeigt, dass in einem Behälter eine Mischung aus einer organischen Edelmetallverbindung und einem Lösemittel 11 enthalten ist, welche über Pinsel oder Bürsten 13 oder dergleichen auf ein TiAl-Substrat aufgetragen wird, um einen flüssigen Film 12 auf der Oberfläche des TiAl- Substrats zu bilden.
Der entsprechend vorbereitete Werkstoff wird in einen Ofen 14 eingeführt, in dem eine Heiz- einrichtung 15 vorgesehen ist, so dass der flüssige Film 12 zusammen mit dem Substrat 10 erhitzt werden kann. Dadurch kommt es zu einem Verdampfen des Lösungsmittels sowie zu einer Zersetzung der organischen Edelmetallverbindung und ebenfalls Verdampfen der flüchtigen Komponenten, was schematisch durch den Dampf 16 dargestellt ist. Zurück auf dem TiAl-Substrat 10 verbleibt die Edelmetallkomponente der organischen Edelmetallverbindung, so dass sich eine Edelmetallschicht 20 ausbildet, wobei die Dicke sehr gering ist und sich im Mikrometerbereich befindet.
Danach wird das vorbehandelte , mit einer Diffusionssperrschicht versehene TiAl-Substrat mit einer Mischung aus einer organischen Edelmetallverbindung, einem Lösemittel und darin dispergierten Hartstoffpartikeln ebenfalls über Pinsel oder Bürsten lackiert, so dass ein flüssiger Film 18 auf der vorher abgeschiedenen Edelmetallschicht 20 ausgebildet wird. Das so behandelte TiAl-Substrat 10 wird wieder in den entsprechenden Ofen 14 eingeführt und mittels der Heizeinrichtung 15 erhitzt, so dass das Lösemittel der Mischung 17 aus organischer Edelmetallverbindung, Lösemittel und darin dispergierten Hartstoffteilchen verdampft. Durch die Temperaturbehandlung wird die organische Edelmetallverbindung wiederum zersetzt, wobei die flüchtigen Komponenten ebenfalls verdampfen und sich in der Gasphase 16 befinden, die durch geeignete Absaugvorrichtungen (nicht gezeigt) entfernt und sachgerecht entsorgt werden kann. Zurück bleibt eine Edelmetallmatrix mit darin eingelagerten Hartstoffpartikeln, die die Hartstoffschicht 30 bilden, so dass sich insgesamt der Schutzschichtaufbau aus einer äußeren Deckschicht 30 aus Hartstoffpartikeln in einer Edelmetallmatrix und einer darunter angeordneten Edelmetallmatrix auf dem TiAl -Werkstoff ergibt.
Das gezeigte Aufbringungsverfahren stellt lediglich eine Möglichkeit dar, wobei selbst hier Abwandlungen und Ergänzungen möglich sind. So können beispielsweise statt eines Bürstenoder Pinselauftrags die Mischung 11 bzw. die Mischung 17 mit anderen Lackiertechnologien, zum Beispiel Sprühverfahren oder dergleichen, aufgebracht werden. Auch die Temperaturbe- handlung kann in anderer geeigneter Weise erfolgen.
Zudem ist es vorstellbar, dass die beiden unterschiedlichen Teilschichten, nämlich die Diffusionssperrschicht 20 und die Hartstoffschicht 30 so aufgebracht werden, dass zunächst die Flüssigfϊlme 12 und 18 übereinander angeordnet werden und erst danach die Temperaturbe- handlung stattfindet.
Die Figur 3 zeigt in einer perspektivischen Darstellung eine Turbinenschaufel 40, bei der die vorliegende Erfindung angewandt werden kann. Die Turbinenschaufel 40 umfasst einen Fußbereich 41, der in einen entsprechenden Rotor einer Gasturbine eingesetzt werden kann. In diesem Fußbereich kommt es unter Umständen zu Verschleißerscheinungen, da der Turbinen- schaufelfuß 41 gegen den Rotor, der oftmals aus Nickel oder einer Nickelbasislegierung hergestellt ist, reibt. Im Zusammenhang mit den vorliegenden Korrosionsbedingungen kann es hier zu Frettingerscheinungen kommen.
Das Schaufelblatt 42 kann beispielsweise bei Verwendung in Flugturbinen in sandigen oder staubigen Gegenden Erosion augesetzt sein.
Der Endbereich 43 der Turbinenschaufel wird häufig zur Erzielung einer guten Abdichtung gegenüber dem Gehäuse abrasiven Verschleiß ausgesetzt.
Allen diesen unterschiedlichen Bedingungen, die unter dem Oberbegriff Verschleiß verstanden werden sollen, kann mit der oben geschilderten Schutzschicht aus Diffusionssperrschicht 2 und Hartstoffschicht 3 begegnet werden. Allerdings kann die Schutzschicht 4 entsprechend den Einsatzgebieten, also der Anwendung im Fußbereich 41, im Schaufelblattbereich 42 oder dem Endbereich 43 entsprechend modifiziert sein, was beispielsweise die chemische Zusammensetzung der Hartstoffpartikel, die Größe und Verteilung sowie den Anteil der Hartstoffpartikel in der Hartstoffschicht als auch das Verfahren zum Auftragen anbelangt. So kann beispielsweise der Endbereich 43 der Turbinenschaufel, welcher hohem abrasiven Verschleiß ausgesetzt ist, eine höhere Konzentration an Hartstoffpartikeln aufweisen, wobei diese zusätzlich mit ihrer mittleren Teilchengröße oder maximalen Teilchengröße auch größer ausgebildet sein können als im übrigen Bereich der Turbinenschaufel 40. Zudem kann beim Auftragen der Schichten über eine organische Edelmetallverbindung mit Lösemitteln die Lösemittelkonzentration verringert werden. Ähnliche Anpassungen lassen sich auch in anderen Bereichen der Turbinenschaufel 40 vornehmen.
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand der beigefügten Ausführungsbeispiele detailliert beschrieben worden ist, ist für den Fachmann selbstverständlich, dass die Erfindung nicht auf diese Ausführungsbeispiele beschränkt ist, so dass Abwandlungen oder Änderungen im Rah- men des Fachwissens des allgemeinen Fachmanns möglich sind, insbesondere andersartige Kombinationen der vorgestellten Merkmale als auch Weglassen einzelner Merkmale, ohne den Schutzbereich der beigefügten Ansprüche zu verlassen. Die vorliegende Erfindung um- fasst insbesondere sämtliche Kombinationen aller vorgestellten Merkmale.

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Verschleißgeschütztes Bauteil für Hochtemperaturanwendungen aus einem TiAl- Werkstoff mit einer mindestens zweilagigen Schutzschicht (4), dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Diffusionssperrschicht (2) aus einem Edelmetall und eine zweite Hartstoffschicht (3) mit Hartstoffpartikeln, die in einer Edelmetallmatrix eingelagert sind, auf dem Ti AI-Werkstoff (1) als Schutzschicht aufgebracht sind.
2. Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ti Al -Werkstoff γ-Ti Al, Ct2-Ti3Al oder eine Legierung auf Basis dieser intermetallischen Phasen ist.
3. Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Diffusionssperrschicht (2) aus Platin, Palladium, Osmium, Silber, Gold oder Legierungen davon ist.
4. Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Edelmetallmatrix der Hartstoffschicht (3) durch Platin, Osmium, Silber, Gold oder
Legierungen davon gebildet ist.
5. Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hartstoffpartikel (6) der Hartstoffschicht nanoskalige Partikel sind.
6. Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hartstoffpartikel (6) der Hartstoffschicht eine mittlere oder maximale Korngröße von 500 nm oder weniger aufweisen.
7. Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hartstoffpartikel (6) der Hartstoffschicht eine mittlere oder maximale Korngröße von 250 nm oder weniger aufweisen.
8. Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hartstoffpartikel der Hartstoffschicht eine mittlere oder maximale Korngröße von 100 nm oder weniger aufweisen.
9. Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hartstoffpartikel der Hartstoffschicht aus einem keramischen Werkstoff sind.
10. Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hartstoffpartikel der Hartstoffschicht mindestens eine Komponente der Gruppe umfassen, die Aluminiumoxid, Zirkonoxid, Diamant, diamantähnlichen Kohlenstoff, Bornitrid, kubisches Bornitrid (CBN), Titannitrid, Titan-Aluminium-Nitrid, Siliziumoxid und Siliziumcarbid enthält.
11. Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Ti AI-Werkstoff ausschließlich die zweilagige Schutzschicht (4) angeordnet ist.
12. Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Diffusionssperrschicht (2) unmittelbar auf dem Ti AI-Werkstoff angeordnet ist und/oder die Hartstoffschicht (3) als Oberflächenschicht ausgebildet ist.
13. Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Diffusionssperrschicht (2) eine Dicke von 0,5 μm bis 10 μm und/oder die Hartstoffschicht eine Dicke von 0,1 μm bis 100 μm aufweist.
14. Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hartstoffpartikel (6) sich über der Flächenausdehnung und/oder der Dicke der Hartstoffschicht (3) in ihrer Größe, chemischen Zusammensetzung und/oder ihrem Anteil in der Hartstoffschicht unterscheiden.
15. Verfahren zur Herstellung einer mindestens zweilagigen Verschleißschutzschicht (4) auf einem Ti Al- Werkstoff (1) , dadurch gekennzeichnet, dass zur Herstellung einer Diffusionssperrschicht (2) ein Edelmetall abgeschieden wird und dass zur Ausbildung einer Hartstoffschicht (3) in einer Edelmetallmatrix eingelagerte Hartstoffpartikel abgeschieden werden.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass ein Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 13 hergestellt wird.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass zur Herstellung der Diffusionssperrschicht eine organische Edelmetallverbindung mit oder ohne Lösemittel auf dem Ti Al- Werkstoff aufgebracht wird.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass zur Herstellung der Hartstoffschicht eine organische Edelmetallverbindung mit oder ohne Lösemittel mit dispergierten Hartstoffpartikeln aufgebracht wird.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass zur Herstellung der Diffusionssperrschicht und/oder der Hartstoffschicht eine organische Edelmetallverbindung mit einem Lösemittelanteil von 30 % und mehr aufgebracht wird.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die organische Edelmetallverbindung mit oder ohne Lösemittel und mit oder ohne Hartstoffpartikel mittels Lasertechnik aufgebracht wird.
21. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die organische Edelmetall Verbindung mit oder ohne Lösemittel und mit oder ohne Hartstoffpartikel einer Temperaturbehandlung unterzogen wird, so dass vorhandenes Lösemittel verdampft und/oder die organische Edelmetallverbindung zersetzt wird.
22. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die organische Edelmetallverbindung mindestens ein Element aus der Gruppe umfasst, die
Pt, Pd, Os, Re, Ru, Cu, Ag, Au, Ir und Mo enthält.
23. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass zuerst die Diffusionssperrschicht und anschließend die Hartstoffschicht aufgebracht werden.
24. Verfahren nach Anspruch 21 , dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturbehandlung für die Diffusionssperrschicht und/oder die Hartstoffschicht nacheinander getrennt oder zusammen erfolgt.
25. Turbinenschaufel aus einem TiAl-Werkstoff mit einer mindestens zweitägigen Schutz- schicht, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Diffusionssperrschicht aus einem Edelmetall und eine zweite Hartstoffschicht mit Hartstoffpartikeln, die in einer Edelmetallmatrix eingelagert sind, von der Schutzschicht auf dem TiAl-Werkstoff umfasst sind.
26. Turbinenschaufel nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass sie als Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 13 ausgebildet ist.
27. Turbinenschaufel nach Anspruch 25 oder 26, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich einer Dichtfläche eine Hartstoffschicht vorgesehen ist, die mit einer organischen Edelmetallverbindung mit gegenüber der übrigen Schutzschicht geringerem Lösemittelgehalt aufgetragen ist und/oder gegenüber der übrigen Schutzschicht mehr und/oder größere Hartstoffpartikel umfasst.
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