Die Erfindung betrifft ein Bauteil, wobei in zumindest einem Teilbereich der Gefügematrix des Bauteils Nanopartikel eingelagert sind.

Ein Bauteil der eingangs genannten Art ist beispielsweise aus der DE 101 37 460 A1 bekannt, wobei dieses Bauteil eine Beschichtung aufweist und die Nanopartikel in die Schicht eingebracht sind, d. h., dass die Schicht den Teilbereich der Gefügematrix des Bauteils bildet, der zur Einbringung der Nanopartikel bestimmt ist. Die so erzeugte Schicht wird als Nanobeschichtung bezeichnet. Durch die Einbringung der Nanoteilchen können Schichteigenschaften erreicht werden, die bei einer Verwendung dieser Schicht gemäß der DE 101 37 460 A1 als Schutzschicht eines Displays sowohl die Widerstandsfähigkeit der Schicht gegen Zerkratzen, als auch ihre chemische Beständigkeit erhöht. Mit der Verwendung von nanoskaligen Schichtbestandteilen können diese also mit verbesserten Schichteigenschaften ausgestattet werden, was die Eigenschaften des gesamten Bauteils beeinflusst.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Bauteil mit in zumindest einem Teilbereich der Gefügematrix eingelagerten Nanopartikeln anzugeben, mit der sich die Eigenschaften des Bauteils weiter verbessern lassen.

Diese Aufgabe wird mit dem eingangs genannten Bauteil erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Nanopartikel einen hartmagnetischen Werkstoff enthalten. Dieser hartmagnetische Werkstoff erzeugt in vorteilhafter Weise ein Magnetfeld, welches sich durch bekannte Messinstrumente nachweisen lässt. Dabei werden die Eigenschaften des Bauteils, insbesondere die mechanischen Eigenschaften, aufgrund der Nanoskaligkeit der eingebrachten Partikel nicht oder nur in geringer Weise beeinflusst, so dass die Funktionalität des Bauteils hinsichtlich des gewünschten Einsatzzweckes vorteilhaft nicht gefährdet wird.

Das Magnetfeld kann vorteilhaft für eine Temperaturüberwachung des Bauteils genutzt werden. Hierbei wird der Effekt genutzt, dass ein hartmagnetischer Werkstoff durch Erwärmung oberhalb der Curie-Temperatur seine Magnetisierung verliert und damit das Magnetfeld zusammenbricht. Durch Messung des Magnetfeldes kann daher indirekt ein Aufschluss erhalten werden, welche thermischen Belastungen das Bauteil während seiner Betriebszeit ertragen muss.

Durch Messung der magnetischen Feldstärke sind neben qualitativen Aussagen des Überschreitens der Curie-Temperatur auch quantitative Aussagen über Art und Dauer der thermischen Belastung möglich. Beispielsweise können die Nanopartikel unterschiedliche hartmagnetische Werkstoffe mit verschiedenen Curie-Temperaturen enthalten, so dass das Magnetfeld bei fortschreitender thermischer Überbeanspruchung des Bauteils stufenweise abnimmt. Eine andere Möglichkeit besteht darin, die Nanopartikel in einem bestimmten Tiefenbereich bezogen auf die Oberfläche des Bauteils zu verteilen. Bei einer kurzzeitigen thermischen Überbeanspruchung würden dann nur die oberflächennahen Nanopartikel ihre Magnetisierung verlieren, während die oberflächenferneren Nanopartikel ihre Magnetisierung behielten. Dadurch würde das Magnetfeld bei kurzzeitigen thermischen Überbeanspruchungen lediglich geschwächt und würde noch nicht vollständig zusammenbrechen.

Unter Beachtung der Hysterese, die bei hartmagnetischen Werkstoffen verhältnismäßig groß ausfällt, kann durch Anlegen eines genügend starken Magnetfeldes an das Bauteil eine Magnetisierung der Nanopartikel erneut erfolgen, wenn das Bauteil nach Überschreiten der Curie-Temperatur in der Gefügematrix noch verwendbar ist. Ein derartiger Magnetisierungsvorgang kann auch Verwendung finden, um die Magnetisierung der Nanopartikel in der Gefügematrix zueinander auszurichten. Dies vergrößert vorteilhaft die magnetische Feldstärke des außerhalb des Bauteils messbaren Magnetfeldes.

Werden bereits magnetisierte Nanopartikel in die Gefügematrix des Bauteils eingebracht, so beeinflussen sich diese untereinander auch derart, dass eine selbstständige Ausrichtung unter Erzeugung des Magnetfeldes erfolgt (self assembling). Daher ist die Erzeugung eines Magnetfeldes durch in die Gefügematrix eingebrachte, bereits magnetisierte, hartmagnetische Nanopartikel auch möglich, ohne anschließend eine Magnetisierung vorzunehmen.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Nanopartikel neben dem hartmagnetischen Werkstoff auch einen weichmagnetischen Werkstoff enthalten. Hierdurch kann die magnetische Wirkung der Nanopartikel vergrößert werden, da sich der weichmagnetische Werkstoff unter Einfluss des hartmagnetischen Werkstoffes magnetisieren lässt und das Magnetfeld auf diese Weise verstärkt. Die Ausführungsform mit einem hartmagnetischen und einem weichmagnetischen Werkstoff verbessert vorteilhaft auch die Möglichkeit, die Nanopartikel für Aussagen hinsichtlich der thermischen Beanspruchung des Bauteils über die gesamte vorgesehene Betriebsdauer zu verwenden. Hierbei wird die Neigung von Legierungsbestandteilen in einem Gefüge ausgenutzt, sich untereinander zu vermischen. Dabei diffundieren Legierungsbestandteile vom Ort höherer Konzentration zu Orten geringerer Konzentration im Gefüge, wobei diese Neigung bei zunehmender thermischer Beanspruchung von Bauteilen verstärkt wird. Im Falle der Nanopartikel mit einem hartmagnetischen Werkstoff oder einem hartmagnetischen und einem weichmagnetischen Werkstoff bedeutet die Änderung der Legierungszusammensetzung dieser Werkstoffe jedoch auch eine Veränderung der magnetischen Eigenschaften, die sich in einer Veränderung der Feldstärke des Magnetfeldes auswirken können. Im Extremfall verlieren die Nanopartikel ihre magnetische Wirkung vollständig. Beispielsweise ist von Edelstahllegierungen bekannt, dass die ferromagnetischen Eigenschaften des Eisens als Legierungsbestandteil des Edelstahls ab einen bestimmten Anteil von Chrom verloren gehen. Ist also die Gefügematrix des Bauteils chromhaltig, so würde das aufgrund einer thermischen Beanspruchung des Bauteils in die Nanopartikel eindiffundierende Chrom einen weichmagnetischen Anteil der Nanopartikel aus Eisen mit der Zeit unwirksam machen.

Gemäß einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der weichmagnetische Werkstoff eine geringere Curie-Temperatur aufweist, als der hartmagnetische Werkstoff. Hierdurch lässt sich erreichen, dass die Feldstärke des durch die Nanopartikel erzeugten Magnetfeldes beim Überschreiten der Curie-Temperatur des weichmagnetischen Werkstoffes abnimmt, wodurch das Überschreiten dieser Temperatur nachgewiesen werden kann. Sofern die thermische Beanspruchung jedoch nicht oberhalb der Curie-Temperatur des hartmagnetischen Werkstoffes erfolgt, bleibt die Magnetisierung des hartmagnetischen Anteils der Nanopartikel erhalten. Sinkt die Temperatur des Bauteils unterhalb der Curie-Temperatur des weichmagnetischen Werkstoffes, so können die weichmagnetischen Anteile der Nanopartikel aufgrund des Einflusses des Magnetfeldes der hartmagnetischen Anteile der Nanopartikel wieder magnetisiert werden. Insofern ist der Vorgang des Entmagnetisierens reversibel, wobei ein Überschreiten der Curie-Temperatur des weichmagnetischen Anteils der Nanopartikel nur nachgewiesen werden kann, solange der thermische Überlastfall besteht.

Eine zusätzliche Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Nanopartikel mit einer Ummantelung ausgestattet sind. Diese kann vorteilhaft keramisch sein, beispielsweise aus amorphen Aluminiumoxid bestehen. Die Ummantelung vermindert vorteilhaft die Diffusionsgeschwindigkeit von Legierungsbestandteilen aus den Nanopartikeln in die Gefügematrix bzw. aus der Gefügematrix in die Nanopartikel. Die Folge ist, dass die gemantelten Nanopartikel eine höhere Langzeitstabilität hinsichtlich ihrer magnetischen Eigenschaften aufweisen. Die Verwendung von mehreren Hüllen aus geeigneten Materialien können die unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten der metallischen und keramischen Materialien ausgleichen und so die Lebensdauer der Partikel weiter erhalten.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Teilbereich der Gefügematrix, in den die Nanopartikel eingelagert sind, eine Beschichtung des Bauteils ist. Im Sinne der Erfindung ist die Beschichtung insofern als Teil des Bauteils zu betrachten. Die Nanopartikel können vorteilhaft in eine Beschichtung besonders einfach eingebracht werden. Nanopartikel lassen sich beispielsweise durch elektrochemisches Abscheiden in eine Beschichtungsmatrix einbauen. Eine andere Möglichkeit besteht in der Vornahme der Beschichtung mittels Kaltgasspritzen oder durch thermisches Flammspritzen (HVOF).

Werden die magnetischen Nanopartikel in einer oberflächennahen Beschichtung oder einer die Oberfläche bildenden Beschichtung des Bauteils vorgenommen, so werden diese vorteilhaft bei einer thermischen Beanspruchung sofort erwärmt, da sich das Bauteil unter Ausbildung eines Temperaturgradienten außen schneller als innern erwärmt. Das Überschreiten bestimmter Prozesstemperaturen mit der Folge einer thermischen Beanspruchung des Bauteils lässt sich daher vorteilhaft sehr zeitnah feststellen.

Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung kann das Bauteil durch eine Turbinenschaufel einer Strömungsmaschine gebildet sein. Insbesondere die Turbinenschaufeln von Gasturbinen werden einer starken thermischen Beanspruchung ausgesetzt, so dass bei derartigen Bauteilen eine Temperaturüberwachung besonders vorteilhaft ist. Eine Temperaturüberwachung ermöglicht nämlich den Betrieb der Turbinenschaufel im Grenzbereich zur thermischen Überbeanspruchung, da für den Fall, dass dieser Grenzbereich überschritten wird, sofort Maßnahmen zum Schutz der Turbinenschaufel eingeleitet werden können.

Für diese Verwendung ist es vorteilhaft, wenn der Teilbereich der Gefügematrix, in dem die Nanopartikel eingelagert sind, denjenigen Schaufelabschnitt der Turbinenschaufel beinhaltet, der der größten thermischen Belastung bei Betrieb der Turbinenschaufel ausgesetzt ist. In diesen Teilbereichen der Turbinenschaufel ist eine thermische Überbeanspruchung am ehesten zu erwarten. Beschränkt sich die Verwendung der magnetischen Nanopartikel auf diesen Teilbereich, so wird das erzeugte Magnetfeld durch ein Überschreiten der Curie-Temperatur der Nanopartikel verhältnismäßig stark verringert, so dass die Empfindlichkeit des Messverfahrens zur Feststellung der thermischen Überbeanspruchung vorteilhaft gesteigert werden kann.

Wird eine erfindungsgemäß mit Nanopartikeln ausgestattete Turbinenschaufel in eine Strömungsmaschine eingebaut, so ergibt sich eine vorteilhafte Ausgestaltung der Strömungsmaschine (insbesondere einer Gasturbine) mit einem Gehäuse, in dem ein Turbinenläufer mit Turbinenschaufeln gelagert ist, wobei zumindest ein Teil dieser Turbinenschaufeln in der beschriebenen Weise mit Nanopartikeln ausgestattet ist und in dem diesen Teil der Turbinenschaufeln umgebenden Gehäuse mindestens eine elektrische Induktionsschleife verlegt ist. Die Induktionsschleife ist vorteilhaft dazu geeignet, ein Maß für die Feldstärke des durch die Turbinenschaufeln erzeugten Magnetfeldes während des Betriebes durch Erzeugung eines Induktionsstromes zur Verfügung zu stellen. Dabei wird das durch die Gesamtheit der Nanopartikel in den betreffenden Turbinenschaufeln erzeugte umlaufende Magnetfeld unter Ausnutzung des Dynamo-Effektes verwendet, um in der Induktionsschleife einen Wechselstrom zu erzeugen. Zu diesem Zweck muss das Magnetfeld in geeigneter Weise ausgerichtet sein. Eine Verringerung des Magnetfeldes aufgrund thermischer Überbeanspruchung oder auch diffusionsbedingter Prozesse, die ein Hinweis auf das Erreichen des Endes der Gesamtbetriebszeit der Turbinenschaufeln liefern, lassen sich durch eine Verringerung des gemessenen Induktionsstromes in der Induktionsschleife nachweisen.

Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zur Erzeugung eines Bauteils mit zumindest in einem Teilbereich der Gefügematrix eingelagerten Nanopartikeln. Ein solches Verfahren ist aus der eingangs erläuterten DE 101 37 460 A1 ebenfalls bekannt.

Die Aufgabe der Erfindung besteht demnach des Weiteren darin, ein Verfahren zur Erzeugung eines Bauteils mit Nanopartikeln in der Gefügematrix anzugeben, mit dem sich die Bauteileigenschaften weiter verbessern lassen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit dem oben angegebenen Verfahren dadurch gelöst, dass Nanopartikel verwendet werden, die einen hartmagnetischen Werkstoff enthalten, wobei die Nanopartikel während der Erzeugung des Bauteils in die Gefügematrix eingelagert werden. Dadurch, dass die Nanopartikel in einem gesonderten Prozess gefertigt werden können und anschließend in die Gefügematrix eingelagert werden, können die Nanopartikel mit den für den vorgesehenen Anwendungsfall bestimmten magnetischen Eigenschaften ausgestattet werden. Ihre Eigenschaften werden durch den Erzeugungsprozess des Bauteils nicht oder nur wenig beeinflusst, so dass das thermische Verhalten der Nanopartikel während des Betriebs des Bauteils vorhersagbar ist. Beispielsweise können die Nanopartikel in einen Spritzgießprozess für ein Kunststoffbauteil eingebracht werden.

Gemäß einer besonderen Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass die Nanopartikel zusammen mit einer Beschichtung abgeschieden werden, die den Teilbereich der Gefügematrix des Bauteils mit den Nanopartikeln bildet. Hierbei können besonders vorteilhaft Schichtbildungsprozesse verwendet werden, die eine geringe Belastung der Nanopartikel bewirken. Beispiele für derartige Schichtprozesse (elektrochemisches Abscheiden, Kaltgasspritzen) sind bereits genannt worden.

Eine besondere Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, dass die Einlagerung der Nanopartikel in einem von außen angelegten Magnetfeld erfolgt. Durch Anlegen eines äußeren Magnetfeldes ist es möglich, die Ausrichtung der Nanopartikel zu beeinflussen, so dass ein self assembling der Nanopartikel in der vom Konstrukteur des Bauteils gewünschten Weise erfolgt. Eine anschließende Magnetisierung der Nanopartikel ist dann nicht notwendig, wobei die Nanopartikel in bereits magnetisierter Form in den Beschichtungsprozess eingebracht werden müssen. Nach Beendigung des Erzeugungsverfahrens für das Bauteil kann das von außen angelegte Magnetfeld deaktiviert werden. Die Nanopartikel erzeugen dann ein Magnetfeld, welches hinsichtlich der Feldverteilung genau dem von außen angelegten Magnetfeld entspricht.

Weitere Einzelheiten der Erfindung werden im Folgenden anhand der Zeichnung beschrieben. Gleiche oder sich entsprechende Zeichnungselemente sind in den Figuren mit jeweils den gleichen Bezugszeichen versehen und werden nur insoweit mehrfach erläutert, wie sich Unterschiede zwischen den einzelnen Figuren ergeben. Es zeigen

1 schematisch einen Schnitt durch ein beschichtetes Bauteil gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei nur ein oberflächennaher Ausschnitt dargestellt ist,

2 und 3 Ausführungsbeispiele für Nanopartikel, die erfindungsgemäß in dem Bauteil verwendet werden können und

4 eine Gasturbine im schematischen Längsschnitt mit als Ausführungsbeispiel für das Bauteil ausgeführten Turbinenschaufeln.

In 1 ist ein Bauteil 11 als Ausschnitt dargestellt. Dieses ist aus einem Grundwerkstoff 12 gefertigt, wobei das Bauteil beispielsweise den Grundkörper einer Turbinenschaufel darstellen könnte (vgl. 4). Auf dem Grundwerkstoff ist eine Beschichtung 13 aufgebracht, die im Falle einer Turbinenschaufel beispielsweise eine MCrAlY-Schicht darstellen kann. Auf der Beschichtung 13 ist eine weitere Schutzschicht 14 vorgesehen. Im Falle einer Turbinenschaufel kommt als thermische Schutzschicht ein so genannter thermal barrier coating (TBC) zum Einsatz.

Sowohl in den Grundwerkstoff 12 als auch in die Beschichtung 13 sind magnetische Nanopartikel 15a, 15b eingebracht. Die Nanopartikel 15a bestehen vollständig aus einem hartmagnetischen Werkstoff 16. Die Nanopartikel 15b haben einen Kern aus hartmagnetischen Werkstoff 16 und eine Hülle 17 aus Aluminiumoxid, welche eine Diffusion von Legierungsbestandteilen zwischen der Beschichtung 13 und dem hartmagnetischen Werkstoff vermindern sollen.

Die Nanopartikel 15a, 15b können bei einer Turbinenschaufel beispielsweise dazu genutzt werden, eine Alterung der Turbinenschaufel und somit das Erreichen ihres Standzeitendes dadurch anzuzeigen, dass diffusionsbedingt die Nanopartikel 15a, 15b ihre magnetischen Eigenschaften verlieren. Die Nanopartikel 15a sind aufgrund ihrer größeren Entfernung zur Oberfläche 18 des Bauteils 11 einer geringeren thermischen Beanspruchung ausgesetzt, weswegen auf einer Hülle zur Verminderung von Diffusionsprozessen verzichtet wird. In der Beschichtung 13 ist die thermische Beanspruchung wesentlich höher, weswegen die Diffusionsprozesse mittels der Hülle 17 der Nanopartikel 15b vermindert werden müssen.

Die 2 und 3 zeigen andere Ausführungsformen der Nanopartikel. In 2 ist allgemein ein Nanopartikel dargestellt, welches neben dem hartmagnetischen Werkstoff 16 auch einen weichmagnetischen Werkstoff 19 enthält. Dieses Nanopartikel ist in der bereits beschriebenen Weise mit einer Umhüllung 17 versehen. Mögliche Herstellungsverfahren für solche Nanopartikel werden beispielsweise von QinetiQ Nanomaterials Ltd. zur Verfügung gestellt und unter dem Namen Tesimorph^® als Nanopulver vertrieben.

In 3 ist eine besonders günstige Ausführungsform dargestellt, bei der der hartmagnetische Werkstoff 16 vom weichmagnetischen Werkstoff 19 umgeben ist. Dadurch stellt der weichmagnetische Werkstoff 19 einen Schutz entsprechend der Umhüllung 17 für den hartmagnetischen Werkstoff 16 dar.

Zur Verarbeitung der Nanopartikel gemäß 2 und 3 kann, wie bereits erwähnt, ein Kaltgasspritzen verwendet werden. Dabei werden in den Kaltgasstrahl neben dem partikulären Schichtmaterial auch die magnetischen Nanopartikel eingebracht, wobei der Energieeintrag bei dem Verfahren des Kaltgasspritzens so weit begrenzt ist, dass die Nanopartikel in ihrer Legierungszusammensetzung nicht beeinflusst werden. Dies wird erreicht, indem der Energieeintrag durch eine genügende Beschleunigung des Schichtmaterials erfolgt, so dass die Haftung des Schichtmaterials durch Umwandlung der kinetischen Energie beim Auftreffen der Partikel erfolgt. Die Verfahrensparameter müssen so eingestellt werden, dass eine möglichst schonende Herstellung der Schicht möglich wird.

Um einen möglichst effektiven Einbau der magnetischen Nanopartikel in die Schicht zu erreichen, können diese vorteilhaft unter Berücksichtigung ihrer äußerst geringen Masse auf das partikuläre Schichtmaterial aufgebracht werden. Hierdurch kann insbesondere eine definierte Zusammensetzung der Schicht erreicht werden, da alle Nanopartikel, die auf dem 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 einzelne Nanopartikel aus der Formgedächtnislegierung eventuell unter anderen Beschichtungsbedingungen eingebaut werden müssten.

Des Weiteren kann die Einbringung der Nanopartikel als Dispersanten im Brennstoff des Hochgeschwindigkeitsflammspritzens (HVOF), besonders vorteilhaft in den flüssigen Treibstoffen wie Kerosin oder Benzin, erfolgen.

Bei der in 4 dargestellten Gasturbine ist ein Anwendungsfall für mit magnetischen Nanopartikeln ausgestattete Bauteile gezeigt. Es handelt sich hierbei um die erste Stufe 21 der Turbine, bestehend aus einem Satz Leitschaufeln 22a und einem Satz Laufschaufeln 22b. Die bei dem ersten Satz Turbinenschaufeln der Turbine handelt es sich um die am stärksten thermisch beanspruchten Bauteile, so dass in diesem Bereich die kritischen Temperaturen auftreten, deren Temperaturüberwachung daher besonders wichtig ist. Auf den Leit- und Laufschaufeln 22a, 22b sind die Nanopartikel in den am stärksten beanspruchten Schaufelabschnitten 23 (schraffiert dargestellt) vorgesehen. In den angrenzenden Teilen eines die Turbine aufnehmenden Gehäuses 24 und der Turbinenwelle 25 sind Induktionsschleifen 26a, 26b verlegt, mit denen das durch die Nanopartikel erzeugte Magnetfeld gemessen werden kann.

Die thermische Beanspruchung der Turbinenschaufeln 22a, 22b entsteht dadurch, dass die durch einen Verdichter 27 angesaugte Luft aus dem Gehäuse 24 in nicht dargestellter Weise in einem Brennraum 28 geführt wird und dort mit einem Brennstoff versetzt wird. Die heißen Verbrennungsgase werden über eine Turbine 29 entspannt, wodurch die in nicht näher dargestellten Lagern 30 gelagerte Turbinenwelle 25 in Drehung versetzt wird.