DE102008056741A1 - Wear protection layer for Tial - Google Patents
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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.The present invention relates to a wear-protected component for high-temperature applications of a TiAl material, in particular a turbine blade with a protective layer (2) having at least two layers, wherein a first diffusion barrier layer (2) made of a noble metal and a second hard material layer (3) with hard material particles, in a Precious metal matrix are embedded, are applied to the TiAl material (1) as a protective layer and a corresponding manufacturing process.
Description
HINTERGRUND DER ERFINDUNGBACKGROUND OF THE INVENTION
GEBIET DER ERFINDUNGFIELD OF THE INVENTION
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 Turbinenschaufel.The 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 with a turbine blade.
STAND DER TECHNIKSTATE OF THE ART
TiAl-Werkstoffe, also Werkstoffe auf der Basis von γ-Titanaluminid, α2-Ti3Al sowie entsprechenden Legierungen sind aufgrund ihres geringen Gewichts für den Einsatz im Gas- bzw. Flugturbinenbau interessant.TiAl materials, ie materials based on γ-titanium aluminide, α 2 -Ti 3 Al and corresponding alloys are interesting because of their low weight for use in gas and turbine construction.
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.Indeed need these materials, especially for Turbine blades find use, a protection against wear and / or corrosion-related degradation. So exists for example in the Arrangement of TiAl turbine blades on rotors made of nickel materials the risk of damage by fretting, ie the combination from fretting and corrosion.
Im Schaufelblattbereich kann durch Umgebungseinflüsse, beispielsweise beim Einsatz von Flugturbinen in sandigen oder staubigen Gegenden, Erosion als Schädigungsmechanismus auftreten.in the Airfoil area can be influenced by environmental factors, for example when using turbines in sandy or dusty areas, erosion occur as a damage mechanism.
Ferner
sind derartige Turbinenschaufeln häufig so ausgebildet,
dass sie mit ihren freien Enden gegenüber Dichtflächen,
so genannten Dicht-Fins abdichten, wobei zur Erzeugung einer guten
Dichtwirkung sich die Enden der Turbinenschaufeln einschleifen,
so dass an den Enden der Turbinenschaufeln abrasiver Verschleiß auftreten
kann. So sind beispielsweise in der
Gleichzeitig
gibt es Temperatur- oder Korrosionsschutzschichten, wie in der
Die
OFFENBARUNG DER ERFINDUNGDISCLOSURE OF THE INVENTION
AUFGABE DER ERFINDUNGOBJECT OF THE INVENTION
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.It Therefore, the object of the present invention is a protective layer for TiAl materials or corresponding components, in particular To provide turbine blades and a method of making the same, which avoids the problems of the prior art.
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.Especially should a TiAl component or a corresponding protection system for provided a TiAl material and a method for its production which are safe in high temperature applications before wear of various types, such. As erosion, fretting, or wear in the Associated with corrosion phenomena prevented, with the protective layer safe and easy to produce during operation.
TECHNISCHE LÖSUNGTECHNICAL SOLUTION
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.These Task is solved by a wear-resistant Component with the features of claim 1, a method for manufacturing a corresponding component with the features of claim 15 and in particular a turbine blade with the features of Claim 20. Advantageous embodiments are the subject of the dependent Claims.
Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass auf einem TiAl-Werkstoff, also einem Werkstoff auf Basis der intermetallischen Phasen γ-TiAl, α2-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.The invention is characterized in that on a TiAl material, ie a material based on the intermetallic phases γ-TiAl, α 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.
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.One Such a two-ply layer system offers the possibility a diffusion of components of the protective layer, ie in particular the elements of the hard particles, to prevent in the TiAl at the same time the ductile noble metal prevents crack growth or at least hindered, so that the mechanical properties and in particular, the vibration resistance of the component are not impaired.
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.The hard material particles, which are embedded in the precious metal matrix in the hard material layer, provide the necessary hardness and resistance For example, erosion or abrasive wear and the like ready, the incorporation of the hard particles in a noble metal or the coating of the individual particles by precious metal, the risk of cracking and growth and thus negative effects on the mechanical properties of the entire coating or on the entire composite materials reduce or avoid.
Der hier verwendete Begriff des TiAl-Werkstoffs umfasst ganz allgemein die intermetallischen Phasen des TiAl, also insbesondere γ-Titanalumind bzw. α2-Ti3Al sowie auch entsprechende Legierungen, beispielsweise mit Niob oder dergleichen. Außerdem können die entsprechenden Werkstoffe Begleitelemente, wie Stickstoff, Kohlenstoff, Sauerstoff, Wasserstoff und dergleichen umfassen.The term of the TiAl material used here generally includes the intermetallic phases of the TiAl, ie in particular γ-Titanalumind or α 2 -Ti 3 Al and also corresponding alloys, for example with niobium or the like. In addition, the respective materials may include companion elements such as nitrogen, carbon, oxygen, hydrogen, and the like.
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.The Precious metals for the diffusion barrier layer or the precious metal matrix include the platinum metals, gold, silver, mercury and rhenium, so in particular ruthenium, rhodium, palladium, silver, rhenium, osmium, Iridium, platinum, gold and mercury being in particular the use of Palladium, silver, osmium, platinum and gold come into question.
Die Hartstoffpartikel der Hartstoffschicht können insbesondere nanoskalig ausgebildet sein, um durch ihre Größe bereits die Bildung von Rissen oder Risswachstum zu vermeiden. Insbesondere können die Hartstoffpartikel der Hartstoffschicht eine mittlere oder maximale Korngröße von 500 nm oder weniger, insbesondere 250 nm oder weniger, vorzugsweise 100 nm oder weniger aufweisen.The Hard material particles of the hard material layer can in particular Nanoscale be formed by its size already avoid the formation of cracks or crack growth. Especially can the hard material particles of the hard material layer a average or maximum grain size of 500 nm or less, in particular 250 nm or less, preferably 100 nm or have less.
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.The Hard material particles can be made of a ceramic material or other hard material, in particular alumina, Zirconia, diamond, diamond-like carbon, boron nitride, cubic boron nitride (CBN), titanium nitride, titanium-aluminum nitride, Silica, in particular silicon dioxide and silicon carbide and like.
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.The Protective layer can, in particular on the above-described, in principle be limited to two-layer or two-layer structure, wherein the diffusion barrier layer and the hard material layer on formed in multiple layers or different sub-layers could be.
Insbesondere kann die Diffusionssperrschicht unmittelbar auf dem TiAl-Werkstoff angeordnet sein und/oder die Hartstoffschicht als Oberflächenschicht ausgebildet sein.Especially The diffusion barrier layer can be applied directly to the TiAl material be arranged and / or the hard material layer as a surface layer be educated.
Die Diffusionssperrschicht kann eine Dicke von 0,5 μm bis 10 μm, insbesondere 1 μm bis 3 μm, 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.The Diffusion barrier layer can have a thickness of 0.5 μm to 10 μm, in particular 1 .mu.m to 3 .mu.m, preferably about 1 .mu.m to 2 microns, while the hard material layer a thickness of 0.1 μm to 100 μm, preferably 0.1 μm to 10 μm, most preferably 0.2 to 0.8 microns, in particular about 0.5 microns can.
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 Ausbildungen der Hartstoffschicht auf einem Bauteil angeordnet werden. Darüber hinaus können diese Bereiche auch kontinuierlich ineinander übergehen.The Protective layer can in particular by an adaptation of the hard material layer be adapted to different conditions of use. So can for example, the chemical composition of the hard material particles used, the size of the hard material particles and / or their Shares in the hard material layer can be varied. For a Component can be given this variation along the thickness of the hard material layer so that the protective layer and in particular the hard material layer may be formed in the form of a gradient layer. In addition, it is also conceivable that discrete areas with different formations of the hard material layer on one Component be arranged. In addition, you can these areas also merge into each other continuously.
Die
entsprechenden Schichten können in jeder geeigneten Art
und Weise auf dem TiAl-Werkstoff abgeschieden werden. Insbesondere
kann jedoch eine organische Edelmetallverbindung eingesetzt werden,
die mit oder ohne Lösemittel auf dem TiAl-Werkstoff aufgebracht
werden kann. Beispiele für organometallische Verbindungen,
die Edelmetalle enthalten, sind z. B. in der
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.The in the applied layer existing solvents can be evaporated by the action of temperature. At the same time can at the temperature treatment, the organic precious metal compound cracked so that correspondingly volatile components are formed and only the precious metal remains on the treated surface. This can in a very simple way a thin diffusion barrier layer be formed from a precious metal.
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.In In the same way can thereby a hard material layer form. In this case, only need to organic Noble metal compound or to the mixture of organic noble metal compound and solvents the hard material particles are dispersed, so that the hard particles after the temperature treatment in the deposited noble metal layer remain.
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.at The term solvent used here may be used to act on any solvent with which the organic Precious metal compound can enter into a solution, for example also about water.
Der Lösemittelanteil kann entsprechend auch variieren, um die Eigenschaften der abgeschiedenen Edelmetallschicht bzw. der Edelmetallschicht mit dispergierten Hartstoffteilchen zu beeinflussen.Of the Solvent content may also vary accordingly to the Properties of the deposited noble metal layer or the noble metal layer with to influence dispersed hard material particles.
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.For the application of the organic noble metal compound with or without Solvent or with or without hard particles can all suitable application techniques are used, in particular Techniques from the field of painting technology, such as brushing, spraying and the same.
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 anschließend gemeinsam durch Temperaturbehandlung in entsprechende Metallschichten überführt werden. Sollte jedoch die aufzubringende Flüssigkeit so dünnflüssig sein, dass die dispergierten Hartstoffpartikel nicht zuverlässig in dem entsprechenden Flüssigkeitsfilm gehalten werden können, empfiehlt sich eine vollständig getrennte und zeitlich aufeinander folgende Aufbringung.The Diffusion barrier layer and the hard material layer can be applied separately in succession or parts of the treatment, such as to go through the temperature treatment together. In this case, the corresponding organic noble metal compounds with or without solvent and once with and without the corresponding hard material particles in succession in liquid Form can be applied to the material and then be transferred together by temperature treatment in corresponding metal layers. However, should the applied liquid so thin be that the dispersed hard particles are not reliable be held in the corresponding liquid film can be recommended, a completely separate and sequential application.
Eine entsprechende Turbinenschaufel kann durchgehend eine erfindungsgemäße Schutzschicht aufweisen, wobei jedoch für die verschiedenen Einsatzgebiete die Schutzschicht angepasst werden kann. So können beispielsweise im Bereich der Schaufelenden mit der Abrasivschicht 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.A corresponding turbine blade can continuously a inventive Protective layer, but for the different Areas of application the protective layer can be adapted. So can for example in the area of the blade ends with the abrasive layer the proportion as well as the size of the hard particles be increased in the hard material layer. Accordingly also such a layer with a lower proportion of solvent be applied. In comparison, the rest Regions are provided with smaller and less hard particles or deposited with a larger proportion of solvent become.
KURZE BESCHREIBUNG DER FIGURENBRIEF DESCRIPTION OF THE FIGURES
Weitere Vorteile, Kennzeichen und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden bei der nachfolgenden detaillierten Beschreibung eines Ausführungsbei spiels anhand der beigefügten Zeichnungen deutlich. Die Zeichnungen zeigen hierbei in rein schematischer Weise inFurther Advantages, characteristics and features of the present invention in the following detailed description of a Ausführungsbei game clearly with reference to the attached drawings. The painting show here in a purely schematic way in
AUSFÜHRUNGSBEISPIEL (E)EMBODIMENT (E)
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 zweilagige Schutzschicht
Die
Teilschicht
Auf
der Diffusionssperrschicht
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
Die
Diffusionssperrschicht
Die Hartstoffpartikel können aus keramischen Werkstoffen gebildet sein und insbesondere eine oder mehrere Komponenten ausgewählt aus Aluminiumoxid, Zirkonoxid, Diamant, diamantähnlichem Kohlenstoff, Bornitrid, kubischem Bornitrid, Titannitrid, Titan-Aluminium-Nitrid oder Siliziumdioxid umfassen.The hard material particles may be formed from ceramic materials and in particular one or more components selected from alumina, zirconia, diamond, diamond-like carbon, boron nitride, cubic boron nitride, Ti tannitride, titanium-aluminum nitride or silicon dioxide.
Die
Verteilung der Hartstoffpartikel
Die
Der
entsprechend vorbereitete Werkstoff wird in einen Ofen
Danach
wird das vorbehandelte, mit einer Diffusionssperrschicht versehene
TiAl-Substrat mit einer Mischung aus einer organischen Edelmetallverbin dung,
einem Lösemittel und darin dispergierten Hartstoffpartikeln
ebenfalls über Pinsel oder Bürsten lackiert, so
dass ein flüssiger Film
Zurück
bleibt eine Edelmetallmatrix mit darin eingelagerten Hartstoffpartikeln,
die die Hartstoffschicht
Das
gezeigte Aufbringungsverfahren stellt lediglich eine Möglichkeit
dar, wobei selbst hier Abwandlungen und Ergänzungen möglich
sind. So können beispielsweise statt eines Bürsten-
oder Pinselauftrags die Mischung
Zudem
ist es vorstellbar, dass die beiden unterschiedlichen Teilschichten,
nämlich die Diffusionssperrschicht
Die
Das
Schaufelblatt
Der
Endbereich
Allen
diesen unterschiedlichen Bedingungen, die unter dem Oberbegriff
Verschleiß verstanden werden sollen, kann mit der oben
geschilderten Schutzschicht aus Diffusionssperrschicht
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 Rahmen 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 umfasst insbesondere sämtliche Kombinationen aller vorgestellten Merkmale.Even though the present invention with reference to the accompanying embodiments has been described in detail, is for the expert of course, that the invention is not limited to this Embodiments is limited, so that modifications or changes in the context of the general knowledge Professional are possible, in particular different combinations the featured features as well as omitting individual features, without the scope of the appended claims leave. The present invention includes in particular all Combinations of all featured features.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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