DE102006008027B3

DE102006008027B3 - Bauteil mit einer nanoskalige Strukturelemente aufweisenden Schicht und Verfahren zur Herstellung dieser Schicht

Info

Publication number: DE102006008027B3
Application number: DE102006008027A
Authority: DE
Inventors: Rene Jabado; Jens Dahl Dr. Jensen; Ursus Dr. Krüger; Daniel Körtvelyessy; Volkmar Dr. Lüthen; Ralph Reiche; Michael Rindler; Raymond Ullrich
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 2006-02-16
Filing date: 2006-02-16
Publication date: 2007-09-06
Anticipated expiration: 2026-02-17
Also published as: WO2007093609A1

Abstract

Gegenstand der Erfindung ist ein Bauteil (11), auf dessen Oberfläche (13) eine Schicht (12) aufgebracht ist. In dieser Schicht sind erfindungsgemäß Nanopartikel (14) aus einer Formgedächtnislegierung vorgesehen, wobei eine Formänderung dieser Nanopartikel (14) Hohlräume (15b) zurücklässt oder an der Oberfläche (13) zu einem Absprengen der Nanopartikel (14) führt. Daher ist mittels der Formgedächtnis-Nanopartikel ein Nachweis des Überschreitens einer bestimmten Temperatur (Umwandlungstemperatur der Nanopartikel) möglich. Hierdurch wird der Schicht vorteilhaft eine neue Funktion implementiert. Alternativ können statt Nanopartikel auch beispielsweise elektrochemisch hergestellte Nanonadeln auf der Oberfläche Verwendung finden, mit der sich beispielsweise Reinigungseffekte erzielen lassen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Bauteil mit einer dessen Oberfläche bildenden Schicht, die nanoskalige Strukturelemente aufweist.

Ein Bauteil mit einer Schicht der eingangs genannten Art ist beispielsweise aus der DE 101 37 460 A1 bekannt, wobei als nanoskalige Strukturelemente, d. h. als die Gefügestruktur der Schicht mitbestimmende, elementare, eigenständige Gefügebereiche, Nanopartikel zur Anwendung kommen, die in einer so genannten Nanobeschichtung eingeschlossen sind. Hierdurch können Schichteigenschaften erreicht werden, die bei einer Verwendung der Schicht als Schutzschicht eines Displays sowohl die Widerstandsfähigkeit der Schicht gegen Zerkratzen als auch ihre chemische Beständigkeit erhöht. Mit der Verwendung von nanoskaligen Strukturelementen in Schichten können diese also mit verbesserten Schichteigenschaften ausgestattet werden.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Bauteil mit einer Schicht anzugeben, die nanoskalige Strukturelemente aufweist und mit der sich die Schichteigenschaften weiter verbessern lassen.

Diese Aufgabe wird mit dem eingangs genannten Bauteil erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Strukturelemente aus einer Formgedächtnislegierung mit bekannter Umwandlungstemperatur bestehen. Der Aufbau der nanoskaligen Strukturelemente als Formgedächtnislegierung eröffnet vorteilhaft neue Anwendungen für Schichten auf Bauteilen, welche mit derartigen na noskaligen Strukturelementen versehen sind. Diese Eigenschaften beruhen, wie im Folgenden noch näher erläutert wird, auf der Phasenumwandlung der Formgedächtnislegierung, die zu einer Formänderung der nanoskaligen Strukturelemente führt.

Hinsichtlich der Nutzung des Formgedächtniseffektes bei nanoskaligen Strukturelementen hat es sich überraschenderweise gezeigt, dass diese Strukturelemente aufgrund ihrer Abmessungen im Nanometerbereich (d. h. von weniger als 1 μm) eine zumindest weitgehend einkristalline Gefügestruktur aufweisen. Hierdurch wird die Gitterverzerrung des Gefüges, welche den Formgedächtnislegierungen bei der Umwandlungstemperatur eigen ist, direkt in eine Formänderung des Strukturelementes umgesetzt. Anders als bei bekannten Bauelementen oder Halbzeugen aus Formgedächtnislegierungen, die aufgrund ihrer um Größenordnungen größeren Abmessungen zur Nutzung des Formgedächtniseffektes erst nachbehandelt werden müssen, ist aufgrund der einkristallinen oder im Wesentlichen einkristallinen Struktur der nanoskaligen Strukturelemente ein Formgedächtniseffekt bereits herstellungsbedingt vorhanden. Dies bewirkt vorteilhaft, dass die Herstellung der Schicht mit den nanoskaligen Strukturelementen wirtschaftlich möglich ist.

Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Strukturelemente durch Nanopartikel gebildet sind, die in die Schicht eingebettet sind. Die Nanopartikel können vorteilhaft vor der Einbettung in die Schicht durch geeignete Verfahren hergestellt werden. Die Einbettung der Nanopartikel in die sich bildende Schicht erfolgt dann durch ein Einbringen der vorgefertigten Nanopartikel in das Beschichtungsverfahren. Vorteilhaft kann dabei auf an sich bekannte Beschichtungsverfahren zurückgegriffen werden, insbesondere auf solche, welche zur Einbettung von Partikeln während des Schicht wachstums verwendet werden (z. B. elektrochemische Beschichtungsverfahren oder Spritzverfahren).

Vorteilhaft können die Nanopartikel an der Oberfläche aus der Schicht herausragen. Dies wird dadurch erreicht, dass beim Schichtbildungsprozess bis zum Abschluss des Verfahrens Nanopartikel in das Beschichtungsverfahren eingebracht werden. Es kann, wenn eine Einbringung von Nanopartikeln lediglich in die Oberfläche gewünscht ist, auch mit dem Einbringen der Nanopartikel erst kurz vor Abschluss des Schichtbildungsprozesses begonnen werden. Genauso ist es möglich, das Einbringen von Nanopartikeln früher zu beenden, als den Schichtbildungsprozess, damit die Nanopartikel ausschließlich in die Schicht eingebettet werden, ohne aus der Oberfläche aus der Schicht herauszuragen.

Weiterhin ist es gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung möglich, dass die Nanopartikel eine duktile Umhüllung insbesondere aus Metall aufweisen. Die duktile Umhüllung verformt sich, wenn der Nanopartikel temperaturbedingt eine Phasenumwandlung (Überschreiten oder Unterschreiten der Umwandlungstemperatur) erfährt, wobei diese Verformung zurückbleibt, wenn ihr ein plastischer Anteil innewohnt. So kann eine Umwandlung des Nanopartikels auch nach einer rückwärtigen Umwandlung noch erkannt werden, weswegen sich die Nanopartikel mit duktiler Umhüllung als Temperaturindikatoren in der Schicht eignen.

Genauso ist es möglich, dass die Nanopartikel eine spröde Umhüllung, insbesondere aus einem keramischen Werkstoff aufweisen. Wird bei dieser Ausgestaltung der Erfindung die Umwandlungstemperatur beispielsweise überschritten (oder unterschritten), so bewirkt die Phasenumwandlung des Nanopartikels ein sprödes Brechen der Umhüllung, so dass die Zerstörung der Umhüllung auch nach einer Rückumwandlung des Nanopartikels nachweisbar bleibt. Auch diese Nanopartikel eignen sich als Temperaturindikatoren.

Gemantelte Nanopartikel mit metallischen oder keramischen Umhüllungen können beispielsweise von der Firma QinetiQ Nanomaterials Ltd. unter dem Handelsnamen Tesimorph^® Nanopowders bezogen werden. Diese Firma ermöglicht die Anpassung der erforderlichen Nanopulver hinsichtlich Legierungszusammensetzung und Umhüllung an die jeweiligen Anforderungen.

Gemäß einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Strukturelemente aus an der Oberfläche ausgebildeten Nanonadeln bestehen. Die Nanonadeln ragen somit von der Oberfläche des Bauteils ab und bilden insofern auf dem Bauteil eine Beschichtung. Durch das Freistehen der Nanonadeln können diese eine Formänderung aufgrund des Formgedächtniseffektes ungehindert durchlaufen, wobei die Formänderung der Nanonadeln beispielsweise zu Reinigungszwecken der Oberfläche verwendet werden kann. Hierdurch können vorteilhaft beispielsweise Verkrustungen oder Kalkablagerungen von der Oberfläche entfernt werden. Es ist jedoch auch vorteilhaft möglich, dass in den Zwischenräumen zwischen benachbarten Nanonadeln weitere Partikel, insbesondere weitere Nanopartikel eingelagert sind. Hierbei kann es sich beispielsweise um einen Farbstoff handeln. Durch die Formänderung der Nanonadeln verändern sich die Zwischenräume zwischen den Nanonadeln, so dass die weiteren Partikel freigegeben werden. Hierdurch ist vorteilhaft indirekt ein Nachweis möglich, dass eine Formänderung der Nanonadeln beispielsweise durch Überschreiten der Umwandlungstemperatur erfolgt ist.

Das Bauteil kann gemäß einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung durch ein Turbinenteil, insbesondere eine Turbinen schaufel gebildet sein. Turbinenbauteile wie Turbinenschaufeln unterliegen im Betrieb einer starken thermischen Beanspruchung. Dabei werden insbesondere Turbinenschaufeln derart ausgelegt, dass die thermische Beanspruchung die zur Verwendung kommenden Werkstoffe bis an die zulässigen Grenzen auslastet. Eine thermische Überbeanspruchung führt daher schnell zu einem Versagen des Bauteils. Es ist daher wichtig, eine solche thermische Überbeanspruchung im Schadensfall nachweisen zu können, um eine Fehleranalyse zu ermöglichen. Hierzu eignen sich die erfindungsgemäßen nanoskaligen Strukturelemente, da diese eine Überschreitung der zulässigen Betriebstemperaturen in der bereits angegebenen Weise nachweisbar machen. Die Umwandlungstemperatur der Formgedächtnislegierung muss entsprechend der Anforderungen an das Bauteil eingestellt werden.

Das Freisetzen von Farbstoffen durch Nanonadeln (wie oben beschrieben) ermöglicht weiterhin beim Einsatz in Turbinen ein sofortiges reagieren auf den Fall der Überbeanspruchung, da der Farbstoff im Turbinengehäuse nachgewiesen werden kann.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn in dem Turbinenbauteil ein Kühlkanal vorgesehen ist und die Schicht auf der Wandfläche des Kühlkanals angebracht ist. In diesem Bereich der Turbine herrschen meist geringere Temperaturen als die Betriebstemperatur des durch die Turbine geleiteten Fluids, wobei diese Temperaturen in den durch Formgedächtnislegierungen einzustellenden Temperaturbereichen liegen.

Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Erzeugung einer Schicht auf einem Bauteil durch elektrochemisches Beschichten.

Verfahren zum elektrochemischen Beschichten sind allgemein bekannt und beispielsweise in der US 2003/0075450 A1 beschrieben. Elektrochemische Verfahren ermöglichen eine vergleichsweise kostengünstige Beschichtung von Bauteilen, wobei die Beschichtung von schwer zugänglichen Zonen des zu beschichtenden Bauteils beispielsweise durch Anwendung eines gepulsten Stromverlaufes bei der Beschichtung gemäß der US 2003/0075450 A1 verbessert werden kann.

Die Aufgabe der Erfindung liegt darin, ein Verfahren zur Erzeugung einer Schicht durch elektrochemisches Beschichten anzugeben, mit dem sich Schichten erzeugen lassen, die verbesserte Schichteigenschaften aufweisen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit dem angegebenen Verfahren dadurch gelöst, dass auf dem Bauteil eine Oberflächenstruktur mit nanoskaligen Erhebungen hergestellt wird und das elektrochemische Beschichten im Grenzstrombereich durchgeführt wird, wobei ausgehend von den Erhebungen Nanonadeln wachsen, und wobei die Legierungselemente einer Formgedächtnislegierung abgeschieden werden.

Eine Formgedächtnislegierung kann auf dem Bauteil demnach dann abgeschieden werden, wenn die hierzu notwendigen Legierungselemente in Form von Ionen im Elektrolyt des Beschichtungsbades vorliegen. Die Legierungszusammensetzung der Formgedächtnislegierung kann in an sich bekannter Weise durch verschiedene Maßnahmen beeinflusst werden (beispielsweise Komplexierung der Ionen eines Legierungspartners, Einstellen des Abscheidepotentials, Verändern der Ionenkonzentration im Elektrolyt usw.). Um auf elektrochemischem Wege Nanonadeln auf der Oberfläche des Bauteils abscheiden zu können, ist es erfindungsgemäß einerseits notwendig, dass eine Oberflächenstruktur mit nanoskaligen Erhebungen vorliegt. Diese bilden den Untergrund für die aufwachsenden Nanonadeln. Nanonadeln lassen sich erzeugen, wenn das elektrochemische Beschichten im Grenzstrombereich durchgeführt wird. Hierbei entsteht aufgrund der hohen Abscheidestromdichte an der Oberfläche und aufgrund der begrenzten Diffusionsgeschwindigkeit der Ionen im Elektrolyt ein Mangel an abscheidbaren Ionen an der im Aufbau befindlichen Schicht, so dass die im Schichtbereich ankommenden Ionen bevorzugt an den Nadelspitzen abgeschieden werden. Dies liegt an der Feldstärkeverteilung des im Elektrolyt erzeugten elektrischen Feldes, welches sich an den jeweiligen Nadelspitzen konzentriert. Aufgrund der geringen Abmessungen der Nanonadeln wachsen diese, wie bereits eingangs erläutert, vorzugsweise einkristallin auf der Oberfläche des Bauteils auf, weswegen sich der Formgedächtniseffekt der Nanonadeln vorteilhaft ohne weitere Behandlungen nutzen lässt.

Gemäß einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann die Oberflächenstruktur mit den nanoskaligen Erhebungen durch elektrochemisches Beschichten hergestellt werden. Hierbei wird bewusst ein sehr geringer Abscheidestrom gewählt, der zu einem ungleichmäßigen Schichtwachstum und somit zu der Entstehung nanoskaliger Erhebungen auf der Oberfläche des Bauteils führt. Die Erzeugung der nanoskaligen Erhebungen mittels eines elektrochemischen Verfahrens hat den Vorteil, dass für die Herstellung der Schicht und die Erzeugung der Startbedingungen dasselbe Verfahren zur Anwendung kommen kann.

Vorteilhaft ist es auch, wenn das elektrochemische Beschichten im Grenzstrombereich mit einem gepulsten Strom durchgeführt wird. Hierdurch kann eine Wasserstoffbildung an der zu beschichtenden Oberfläche wirksam verhindert werden, die den Grenzstrombereich bzw. dessen Überschreiten in Richtung höherer Abscheideströme bei gewöhnlichen elektrochemischen Be schichtungsverfahren kennzeichnet. Eine Wasserstoffbildung stört nämlich die Ausbildung der Schicht. Wird eine Wasserstoffentstehung durch Verwendung eines gepulsten Abscheidestroms verhindert, so kann mit den Strompulsen eine Abscheidestromdichte auf der zu beschichtenden Oberfläche erzeugt werden, bei der bei einem dauerhaften Vorliegen schon Wasserstoff gebildet würde.

Eine besonders vorteilhafte Variante des Verfahrens wird erhalten, wenn dem Elektrolyt weitere Partikel, insbesondere weitere Nanopartikel zugegeben werden, die derart in die Schicht eingebaut werden, dass sie zwischen den Nanonadeln eingelagert werden. Zu diesem Zweck werden Partikel von geeigneter Größe in das Elektrolyt gegeben, so dass die in Bildung befindliche Beschichtung mit den Partikeln beaufschlagt wird. Während des Wachstums der Nanonadeln verbleiben die Partikel dann in den entstehenden Zwischenräumen, in denen sie durch die Nanonadeln fixiert werden. Durch Eintreten des Formgedächtniseffektes können die Partikel zu einem späteren Zeitpunkt aus den Zwischenräumen zwischen den Nanonadeln befreit werden.

Weiterhin bezieht sich die Erfindung auch auf ein Verfahren zur Erzeugung einer Schicht auf einem Bauteil durch Kaltgasspritzen.

Ein solches Verfahren ist beispielsweise aus der DE 197 47 386 A1 bekannt. Das Kaltgasspritzen zeichnet sich im Unterschied zu thermischen Spritzverfahren dadurch aus, dass die Partikel, die zur Beschichtung verwendet werden, nicht oberhalb ihrer Schmelztemperatur erhitzt werden, sondern dass die Haftung der Partikel durch eine Beschleunigung in den Überschallbereich erzeugt wird. Beim Auftreffen der Partikel auf die zu beschichtende Oberfläche wird die kineti sche Energie der Partikel nämlich umgewandelt, so dass ein lokales Anschmelzen der Partikeloberfläche eine Haftung auf dem Untergrund und zu benachbarten Partikeln gewährleistet. Dennoch ist die thermische Beanspruchung der Partikel beim Kaltgasspritzen wesentlich geringer als beim thermischen Spritzen.

Auch eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es somit, ein Verfahren zur Erzeugung einer Schicht auf einem Bauteil durch Kaltgasspritzen anzugeben, mit denen sich Schichten erzeugen lassen, die verbesserte Eigenschaften aufweisen.

Diese Aufgabe wird mit dem erwähnten Verfahren erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass in den Kaltgasstrahl neben den partikulären Schichtmaterial Nanopartikel aus einer Formgedächtnislegierung mit bekannter Umwandlungstemperatur eingebracht werden und der Energieeintrag bei dem Verfahren soweit begrenzt wird, dass die Nanopartikel in ihrer Legierungszusammensetzung nicht beeinflusst werden. Es hat sich nämlich gezeigt, dass aufgrund der geringen thermischen Beanspruchung der Beschichtungspartikel eine Verarbeitung von Nanopartikeln einer Formgedächtnislegierung möglich ist, ohne dass diese ihre Formgedächtniseigenschaften aufgrund einer Veränderung der Legierungszusammensetzung einbüßt. Hierzu müssen die Verfahrensparameter in geeigneter Weise eingestellt werden, damit eine schonende Herstellung der Schicht möglich wird.

Die Nanopartikel können beispielsweise dadurch in den Kaltgasstrahl eingebracht werden, dass diese auf der Oberfläche des partikulären Schichtmaterials aufgebracht sind. Hierdurch kann eine definierte Zusammensetzung der Schicht erreicht werden, da alle Nanopartikel, die auf den Schichtmaterial angelagert sind, in die Schicht eingebaut werden. Die Verfahrensparameter des Kaltgasspritzens können dabei optimal auf das verwendete Schichtmaterial eingestellt werden, ohne dass berücksichtigt werden muss, dass die Nanopartikel aus der Formgedächtnislegierung evtl. unter anderen Beschichtungsbedingungen aufgebracht werden müssten.

Zuletzt bezieht sich die Erfindung auch auf ein Verfahren zur Erzeugung einer Schicht auf einem Bauteil, wobei die Aufgabe gelöst werden soll, dass sich bei der Herstellung der Schicht verbesserte Schichteigenschaften erzeugen lassen.

Bei diesem Verfahren ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass Nanopartikel aus einer Formgedächtnislegierung mit bekannter Umwandlungstemperatur vorläufig auf ein Formteil aufgebracht werden, in dem Formteil das Bauteil durch Urformen hergestellt wird, wobei ein Teil der Nanopartikel in die Oberfläche des Bauteils eingebaut werden und das Bauteil mit den in die Oberfläche eingebauten Nanopartikeln entformt wird. Als Formteile im Sinne der Erfindung werden alle formgebenden Bauteile eines Urformverfahrens angesehen, die eine Grenzfläche zu der Oberfläche des zu erzeugenden Urformteils aufweisen. Dies können beispielsweise die Formschalen einer Gussform, jedoch auch diverse Gusskerne sein.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Nanopartikel auf der Oberfläche des entsprechenden Formteils anhaften, bevor das zu erzeugende Bauteil urformtechnisch hergestellt wird. Hierbei kann beispielsweise das bereits erwähnte Kaltgasspritzen verwendet werden, wobei der Energieeintrag in den Kaltgasstrahl grade hoch genug gewählt wird, dass die Nanopartikel der Formgedächtnislegierung auf der Oberfläche des Formteils haften bleiben. Die Haftung ist dann so gering, dass der Einbau der Nanopartikel in die Oberfläche des urgeformten Bauteils zu einer stärkeren Bindung führt. Durch anschließendes Entformen des Bauteils entsteht somit eine Oberfläche des Bauteils, in die die Nanopartikel als Schicht eingelagert sind. Diese Schicht muss keine zusammenhängende Oberfläche bilden. Vielmehr ist es auch möglich, dass ein Teil der Oberfläche des urgeformten Bauteils von der Schicht frei bleibt. Mit dem Verfahren ist es vorteilhaft möglich, urgeformte Bauteile mit einer Beschichtung herzustellen, die ohne einen nachgelagerten Beschichtungsvorgang für die Schicht auf der Bauteiloberfläche auskommen.

Weitere Einzelheiten der Erfindung werden im Folgenden anhand der Zeichnung beschrieben. Gleiche oder sich entsprechende Zeichnungselemente sind hierbei mit jeweils den gleichen Bezugszeichen versehen und werden nur insoweit mehrfach erläutert, wie sich Unterschiede zwischen den einzelnen Figuren ergeben. Es zeigen
1 bis 3 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schicht mit Formgedächtnis-Nanopartikeln und deren Wirkungsweise im schematischen Schnitt,
4 bis 9 Ausführungsbeispiele von ummantelten Formgedächtnis-Nanopartikeln und die Wirkungsweise des Formgedächtniseffektes im schematischen Schnitt,
10 und 11 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schicht mit Nanonadeln als Seitenansicht,
12 eine perspektivische Ansicht einer Oberfläche mit einer Formgedächtnis-Nanonadeln enthaltenden Schicht und
13 und 14 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer Nanopartikel enthaltenden Schicht auf einem Bauteil im schematischen Schnitt.
In 1 ist ein Bauteil 11 schematisch dargestellt. Auf diesem Bauteil ist eine Schicht 12 aufgebracht, die die Oberfläche 13 des Bauteils bildet. In der Schicht sind weiterhin Nanopartikel 14 aus einer Formgedächtnislegierung wie z. B. Nickeltitan (NiTi) eingebracht. Diese können durch die Schicht 12 entweder vollständig umschlossen sein oder an der Oberfläche 13 ein Stück aus der Schicht 12 herausragen.
In 2 ist zu erkennen, wie die Nanopartikel 14 aufgrund einer Phasenumwandlung des Gefüges oberhalb einer Umwandlungstemperatur ihre Form verändern. Dies ist zurückzuführen auf eine austenitisch-martensitische Phasenumwandlung, die zu einer Verzerrung des Gefügegitters der Nanopartikel führt. Aufgrund der Nanoskaligkeit der Nanopartikel liegt diese nämlich zumindest im Wesentlichen einkristallin vor, so dass sich die Verzerrung des Gitters auch auf die Form des gesamten Nanopartikels auswirkt. Hier besteht ein Unterschied zu Konstruktions-Bauteilen aus Formgedächtnislegierungen, die eine Vielzahl von Gefügekörnern mit unterschiedlicher kristalliner Ausrichtung aufweisen, weswegen sich ein Formgedächtniseffekt auf die Gesamtgeometrie des Bauteils nicht auswirkt, da sich die Verzerrungseffekte statistisch aufheben. Bei konstruktiven Bauteilen hat daher nach der Herstellung des Bauteils eine Nachbehandlung zu erfolgen, die den Formgedächtniseffekt nutzbar macht. Eine solche Nachbehandlung kann bei Nanopartikeln jedoch entfallen. Zu erkennen ist in 2 weiterhin die Verformung der Nanopartikel, wobei die Schicht beispielsweise aus einem Polymer (Lack) bestehen kann. Eine Kontur 15a des unverformten Nanopartikels lässt sich in 2 als Hohlraum erkennen.
In 3 hat eine Rückumwandlung der Nanopartikel durch Abkühlung und Unterschreiten der Umwandlungstemperatur stattgefunden. Bei dem in die Schicht 12 eingeschlossenen Nanoparti kel 14 bleibt jedoch ein plastischer Verformungsanteil der ehemals verformten Kontur 15b erhalten, der einen Hohlraum 16b schafft. Dieser Hohlraum kann beispielsweise durch Anfertigen eines Schliffes des Bauteils mittels einer zerstörenden Werkstoffprüfung nachgewiesen werden, wobei dieser Hohlraum den Schluss zulässt, dass das Bauteil mindestens einmal über die Umwandlungstemperatur der Nanopartikel hinaus thermisch beansprucht wurde.
Das an der Oberfläche befindliche Nanopartikel wird bei seiner Rückumwandlung aus der Oberfläche 13 herausgelöst, da der plastische Verformungsanteil des Matrixwerkstoffes der Schicht an der Oberfläche eine Vertiefung zurücklässt, die für das Nanopartikel zu groß ist. Durch das Fehlen des Nanopartikels (und anderer Nanopartikel) an der Oberfläche kann eine Überschreitung der Umwandlungstemperatur auch nachgewiesen werden, ohne das Bauteil zu zerstören. Insbesondere kann die Einbringung der Nanopartikel in einen Prozess, in den das Bauteil integriert ist, nachgewiesen werden, so dass auch während des Betriebs das Überschreiten (bei Vorliegen der Nanopartikel in der Tieftemperaturphase der Schicht) oder Unterschreiten (bei Vorliegen der Nanopartikel in der Hochtemperaturphase) der Umwandlungstemperatur im Bauteil nachgewiesen werden kann.
In 4 ist ein einzelnes Nanopartikel schematisch dargestellt. Dieses weist zur Verdeutlichung der Verformung aufgrund des Formgedächtniseffektes einen von der Realität abweichenden rechteckigen Querschnitt auf. Das Nanopartikel 14 ist weiterhin mit einer spröden Umhüllung 17 versehen.
Gemäß 5 ist dargestellt, wie aufgrund einer Phasenumwandlung im Gefüge und der daraus resultierenden Verzerrung des einkristallinen Kristallgitters das Nanopartikel einen rautenförmigen Querschnitt annimmt. Die spröde Umhüllung bekommt aufgrund der Tatsache, dass sie dieser Verformung nicht gewachsen ist, Risse 18. Verformt sich das Nanopartikel 14 wieder zurück, so wird ein Teil der Umhüllung 17 abgesprengt (6), wodurch das zumindest einmalige Auftreten der Phasenumwandlung des Nanopartikels nachweisbar wird.
Das Nanopartikel 14 gemäß 7 ist mit einer duktilen Umhüllung 19 versehen. Auch dieses Nanopartikel ist wieder schematisch mit rechteckigem Querschnitt dargestellt. Bei einer Phasenumwandlung gemäß 8 folgt die duktile Umhüllung der Verformung des Nanopartikels, wobei ein plastischer und ein elastischer Verformungsanteil an der Verformung der Umhüllung beteiligt ist. Findet gemäß 9 das Nanopartikel in seine ursprüngliche Form zurück, so bleibt der plastische Verformungsanteil der Umhüllung weitgehend erhalten, so dass ein Hohlraum 16b entsteht.
Das Bauteil 11 gemäß 10 ist mit einer Schicht 12 aus Nanonadeln 20 ausgestattet. Diese können beispielsweise mittels eines elektrochemischen Verfahrens auf das Bauteil 11 aufgebracht werden. Während des Entstehens der Schicht 12 sind in Zwischenräume 21 zwischen den Nanonadeln weitere Nanopartikel 22 eingebettet worden, die durch die Nanonadeln 20 fixierte werden. Während des Betriebs des Bauteils 11 hat sich weiterhin eine Kruste 23 aus Schmutz oder Kalk gebildet.
In 11 ist das Auftreten eines Formgedächtniseffektes der Nanonadeln 20 schematisch dargestellt. Die Gefügeverzerrung führt zu einer Art Verbiegung der Nanonadeln 20, wodurch die spröde Kruste 23 zerstört und abgesprengt wird. Weiterhin werden die Nanopartikel 22 zumindest zum Teil freigegeben, da sich die Zwischenräume 21 zwischen den Nanonadeln 20 teilweise erweitern. Ein Nachweis des Auftretens des Formgedächtnis effektes (Überschreiten oder Unterschreiten der Umwandlungstemperatur) kann damit nach den oben bereits erwähnten Mechanismen nachgewiesen werden.
In 12 ist eine Schicht bestehend aus elektrochemisch hergestellten Nanonadeln 20 perspektivisch und schematisch dargestellt. Die Dimensionen der Nanonadeln sind dergestalt, dass der Durchmesser der Nanonadeln geringer als 1 μm ist. Weiterhin sind Nanopartikel 22 zu erkennen, die zwischen den Nanonadeln 20 eingebettet sind.
In 13 ist eine Form 24 für eine Turbinenschaufel im Schnitt zu erkennen. Diese besteht aus zwei Formhälften 25 und einen Kern 26, der für einen Kühlkanal in der zu gießenden Turbinenschaufel vorgesehen ist. Alle Formteile, d. h. die Formhälften 25 und der Kern 26 sind durch Kaltgasspritzen mit Nanopartikeln 14 beschichtet worden, so dass diese auf den Wandungen der Formteile haften geblieben sind.
In die Form 24 kann in bekannter, nicht dargestellter Weise der Gusswerkstoff für die Turbinenschaufel eingefüllt werden, wobei nach dem Abkühlen und Entformen eine Turbinenschaufel 27 gemäß 14 entsteht. Diese ist im Turbinenschaufelprofil geschnitten dargestellt, wobei der Kühlkanal 28 der durch den Kern 26 gemäß 13 gebildet wurde, zu erkennen ist. Weiterhin ist hinter der Zeichenebene ein Fuß 29 der Turbinenschaufel 27 zu erkennen, mit dem diese in einer Turbine montiert werden kann. Die Nanopartikel 14, die ohne große Haftung auf der Oberfläche der Formteile gehaftet hatten, sind nun in die Oberfläche 13 der Turbinenschaufel eingebettet und können dort zum Nachweis einer unzulässigen Temperaturüberschreitung genutzt werden. Eine Anwendung der Nanopartikel auf der das Profil ausbildenden Oberfläche der Turbinenschaufel ist aufgrund des durch Formgedächtnislegierungen einstellbaren Umwandlungstemperaturbereiches insbesondere für Dampfturbinenschaufeln geeignet. Eine Beschichtung der Kühlkanäle 28 von Turbinenschaufeln kann auch bei thermisch höher belasteten Gasturbinenschaufeln Anwendung finden, da sich zum Kühlkanal 28 hin ein Temperaturgradient einstellt und eine evtl. Umwandlung von Formgedächtnis-Nanopartikeln in dem Kühlkanal 28 indirekt einen Rückschluss auf eine thermische Überbeanspruchung der Schaufeloberfläche in einem wesentlich höheren Temperaturbereich ermöglicht.

Claims

Bauteil mit einer dessen Oberfläche (13) bildenden Schicht (12), die nanoskalige Strukturelemente (14, 20) aufweist dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturelemente (14, 20) aus einer Formgedächtnislegierung mit bekannter Umwandlungstemperatur bestehen.
Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturelemente durch Nanopartikel (14) gebildet sind, die in die Schicht (12) eingebettet sind.
Bauteil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Nanopartikel (14) an der Oberfläche (13) aus der Schicht herausragen.
Bauteil nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Nanopartikel (14) eine duktile Umhüllung (19) insbesondere aus einem Metall aufweisen.
Bauteil nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Nanopartikel (14) eine spröde Umhüllung (17) insbesondere aus einem keramischen Werkstoff aufweisen.
Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturelemente aus an der Oberfläche (13) ausgebildeten Nanonadeln (20) bestehen.
Bauteil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass in den Zwischenräumen (21) zwischen benachbarten Nanonadeln (20) weitere Partikel, insbesondere weitere Nanopartikel (22) eingelagert sind.
Bauteil nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil durch ein Turbinenbauteil, insbesondere eine Turbinenschaufel (27) gebildet ist.
Bauteil nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass dieses einen Kühlkanal (28) aufweist und die Schicht (12) auf der Wandfläche des Kühlkanals (28) angebracht ist.
Verfahren zur Erzeugung einer Schicht (12) auf einem Bauteil (11) durch elektrochemisches Beschichten, dadurch gekennzeichnet, dass – auf dem Bauteil eine Oberflächenstruktur mit nanoskaligen Erhebungen hergestellt wird und – das elektrochemische Beschichten im Grenzstrombereich durchgeführt wird, wobei ausgehend von den Erhebungen Nanonadeln wachsen, – wobei die Legierungselemente einer Formgedächtnislegierung abgeschieden werden.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenstruktur mit den nanoskaligen Erhebungen durch elektrochemisches Beschichten hergestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrochemische Beschichten im Grenzstrombereich mit einem gepulsten Strom durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass dem Elektrolyt weitere Partikel, insbesondere weitere Nanopartikel (22) zugegeben werden, die derart in die Schicht eingebaut werden, dass sie zwischen den Nanonadeln eingelagert werden.
Verfahren zur Erzeugung einer Schicht (12) auf einem Bauteil (11) durch Kaltgasspritzen, dadurch gekennzeichnet, dass in den Kaltgasstrahl neben dem partikulären Schichtmaterial Nanopartikel (14) aus einer Formgedächtnislegierung mit bekannter Umwandlungstemperatur eingebracht werden und der Energieeintrag bei dem Verfahren soweit begrenzt wird, dass die Nanopartikel (14) in ihrer Legierungszusammensetzung nicht beeinflusst werden.
Verfahren zur Erzeugung einer Schicht (12) auf einem Bauteil (11), dadurch gekennzeichnet, dass – Nanopartikel (14) aus einer Formgedächtnislegierung mit bekannter Umwandlungstemperatur vorläufig auf ein Formteil (25, 26) aufgebracht werden, – in dem Formteil (25, 26) das Bauteil durch Urformen hergestellt wird, wobei zumindest ein Teil der Nanopartikel in die Oberfläche (13) des Bauteils (11) eingebaut werden und – das Bauteil mit den in die Oberfläche (13) eingebauten Nanopartikeln (14) entformt wird.