Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen einer Nutzschicht sowie auf ein Verfahren zum Herstellen eines Ausgangsmaterials - englischsprachig bzw. fachsprachlich auch Feed-Stock-Material genannt - zur späteren bzw. nachfolgenden Herstellung einer Nutzschicht. Unter dem Begriff "Nutzschicht" ist in diesem Zusammenhang eine Schicht zu verstehen, die einen technischen Nutzen aufweist, beispielsweise eine katalytische Wirkung zeigt oder eine Schutzwirkung für einen mit der Nutzschicht beschichteten Gegenstand entfaltet.

Nutzschichten können beispielsweise auf der Basis von Nanopartikeln hergestellt werden. Bei Nanopartikeln handelt es sich um Partikel, die eine Partikelgröße im Nanometerbereich (1 nm bis 1000 nm) aufweisen sowie meistens chemische und physikalische Eigenschaften zeigen, die sich von denen ihres Partikelmaterials als solchem unterscheiden. Die unterschiedlichen Eigenschaften der Nanopartikel beruhen auf der relativ großen äußeren Oberfläche relativ zu ihrem Volumen.

Darüber hinaus ist beispielsweise aus der europäischen Offenlegungsschrift EP 1 215 306 bekannt, dass MCrAlY-Schutzschichten für den Einsatz als Schutzbeschichtung für Turbinenschaufeln eingesetzt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Herstellen eines Ausgangsmaterials für die Herstellung einer Nutzschicht anzugeben, das sich mit vergleichsweise wenig Aufwand durchführen lässt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in Unteransprüchen angegeben.

Danach ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass eine Beschichtung mit einer Zusammensetzung, die der herzustellenden Nutzschicht entspricht, von ihrem Träger chemisch ungelöst als Festkörper abgelöst wird und mit dem Schichtmaterial der abgelösten Beschichtung das Ausgangsmaterial gebildet wird.

Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass sich mit diesem ohne großen Aufwand ein Ausgangsmaterial für eine Nutzschicht mit einer vorgegebenen chemischen Zusammensetzung bilden lässt. Die Herstellung einer Nutzschicht mit einer komplexen chemischen Struktur ist bei bisherigen vorbekannten Verfahren sehr aufwendig, weil die Materialzusammensetzung des Ausgangsmaterials sehr genau eingestellt werden muss, um für die Nutzschicht die gewünschten Eigenschaften zu erhalten: Beispielsweise für Turbinenschaufel-Schutzschichten geeignetes MCrAlY-Material wird heutzutage durch Mischen von Nickelpulver mit CrAlY-Pulver hergestellt, wobei Spurenelemente wie Rhenium hinzugemischt werden; dies ist jedoch relativ aufwendig und kostenintensiv. An dieser Stelle setzt die Erfindung an, indem erfindungsgemäß vorgesehen wird, für die Herstellung der Nutzschicht eine bereits vorhandene Beschichtung mit der richtigen Materialzusammensetzung heranzuziehen, diese von ihrem Träger abzulösen und das abgelöste Schichtmaterial als mittelbares oder unmittelbares Ausgangsmaterial für die Herstellung der Nutzschicht zu verwenden. Mit anderen Worten besteht der erfinderische Gedanke also darin, eine einmal bereitgestellte, also bereits vorhandene Beschichtungszusammensetzung zu erhalten und diese für neue Nutzschichten zu verwenden, so dass ein kostenaufwendiges Neumischen der Materialzusammensetzung entfällt.

Im Hinblick auf die bereits erwähnte, besondere technische Wirkung von Nanopartikeln wird es als vorteilhaft angesehen, wenn das Verfahren zum Herstellen eines Ausgangsmaterials (Feed-Stock-Material) eingesetzt wird, das für die Herstellung einer auf Nanopartikeln basierende Nutzschicht bzw. für die Herstellung von Nanopartikeln als solchen geeignet ist.

Ein Ausgangsmaterial für die Herstellung von Nanopartikeln lässt sich besonders einfach und damit vorteilhaft dadurch herstellen, dass eine Beschichtung in Form einer Nanopartikelschicht mit einer Nanopartikelzusammensetzung, die der der herzustellenden Nanopartikel entspricht, von ihrem Träger chemisch ungelöst als Festkörper abgelöst wird und dass mit dem Schichtmaterial der abgelösten Nanopartikelschicht das Ausgangsmaterial für die Herstellung der Nanopartikel gebildet wird.

Im Hinblick auf minimale Herstellungskosten wird es dabei als vorteilhaft angesehen, wenn eine benutzte, insbesondere eine beschädigte oder abgenutzte Beschichtung - vorzugsweise in Form einer Nanopartikelschicht - zur Herstellung des Ausgangsmaterials verwendet wird. Beispielsweise können auf diese Weise Schutzschichten von Turbinenschaufeln, insbesondere auf der Basis von MCrAlY-Material recycelt werden, um neue Schutzschichten, insbesondere neue Nanopartikel, mit identischer Zusammensetzung wie die der recycelten Schutzschicht zu bilden.

Bezüglich einer einfachen und damit vorteilhaften Weiterverarbeitung des Schichtmaterials der abgelösten Beschichtung bzw. der abgelösten Nanopartikelschicht wird es als vorteilhaft angesehen, wenn die Beschichtung zumindest abschnittsweise als Folie abgelöst wird. Handelt es sich bei der Beschichtung um eine Nanopartikelschicht, so wird diese vorzugsweise zumindest abschnittsweise als Nanopartikelfolie abgelöst.

Besonders schnell und einfach lässt sich eine Beschichtung ablösen, indem der Träger mit der darauf befindlichen Beschichtung in einen Elektrolyten eingebracht und ein elektrischer Strom im Elektrolyten hervorgerufen wird. Bevorzugt wird an eine Elektrode im Elektrolyten ein negatives und an den Träger ein positives Potential angelegt, um ein besonders schnelles Ablösen der Beschichtung zu erreichen.

Besonders bevorzugt werden an den Träger elektrische Pulse angelegt, da bei einem Pulsbetrieb die Ablösegeschwindigkeit der Beschichtung besonders groß ist. Geeignet sind in diesem Zusammenhang elektrische Pulse, die in dem Elektrolyten mit einer Routine erzeugt werden, die einen Dutycycle zwischen 0% und 100 % (0 < Dutycycle < 100 %), zumindest zwei unterschiedliche Stromdichten jeweils zwischen 5 und 1000 mA/cm² und zumindest eine Wiederhol- bzw. Pulsfrequenz zwischen 5 und 1000 Hz aufweist.

Besonders bevorzugt werden elektrische Pulse mit zumindest drei unterschiedlichen Stromdichten und zwei unterschiedlichen Pulsfrequenzen erzeugt, wobei zwischen der größten der drei Stromdichten und der kleinsten der drei Stromdichten mit einer kleineren Pulsfrequenz umgeschaltet wird als zwischen der größten Stromdichte und der mittleren Stromdichte. In dieser Weise entsteht ein überlagerter Strompulsverlauf, der auch als "Superimposed Pulse Pattern" bezeichnet werden kann.

Die Weiterverarbeitung der abgelösten Beschichtung lässt sich besonders einfach und damit vorteilhaft durchführen, wenn das Schichtmaterial der abgelösten Beschichtung unter Bildung von Mikropartikeln zerschreddert wird. Die Mikropartikel weisen dann eine chemische Zusammensetzung auf, die der der herzustellenden Nutzschicht bzw. den herzustellenden Nanopartikeln identisch entspricht. Die Korngröße der Mikropartikel liegt vorzugsweise zwischen 1 Mikrometer und 1000 Mikrometern.

Die Erfindung bezieht sich darüber hinaus auf ein Verfahren zum Herstellen von Nanopartikeln. Erfindungsgemäß ist bezüglich eines solchen Verfahrens vorgesehen, ein Ausgangsmaterial, das wie oben beschrieben erzeugt worden ist, weiter zu verwenden und mit diesem die Nanopartikel herzustellen.

Bezüglich der Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung von Nanopartikeln sei auf die obigen Ausführungen im Zusammenhang mit der Herstellung eines Ausgangsmaterials bzw. Feed-Stock-Materials verwiesen, da die dort erläuterten Vorteile in analoger Weise vorliegen.

Das Schichtmaterial der abgelösten Beschichtung bzw. der Nanopartikelschicht kann im Rahmen der Weiterverarbeitung beispielsweise unter Bildung von Materialclustern im Nanoformat vaporisiert werden; ein solches Vaporisieren kann zum Beispiel nach einem Zerschreddern der abgelösten Beschichtung erfolgen.

Alternativ kann Ausgangsmaterial einem Atomisierungsschritt unterworfen werden, bei dem das Ausgangsmaterial in seine Bestandteile, vorzugsweise in seine Moleküle oder Atome, aufgespalten wird und bei dem die aufgespaltenen Bestandteile unter Bildung der Nanopartikel neu zusammengesetzt werden.

Das Aufspalten des Ausgangsmaterials in seine Bestandteile kann besonders einfach und damit vorteilhaft durch Flammspritzen oder durch Einwirken eines Plasmas erfolgen.

Ein Flammspritzen kann beispielsweise durchgeführt werden, indem ein Acetylengas verbrannt wird, wobei eine sehr hohe Temperatur hervorgerufen und damit eine sehr große thermische Energie freigesetzt wird; die freigesetzte thermische Energie spaltet das Ausgangsmaterial in seine Bestandteile auf.

Wird anstelle eines Flammspritzens ein Plasma zum Aufspalten des Ausgangsmaterials eingesetzt, so beruht das Aufspalten des Ausgangsmaterials hauptsächlich oder ausschließlich auf der Einwirkung kinetischer Energie und elektrischer Felder, die das Plasma hervorrufen. Ein Plasma kann besonders einfach und damit vorteilhaft durch einen Gleichstromlichtbogen (DC-Plasma), einen Wechselstromlichtbogen oder einen gepulsten Lichtbogen gebildet werden.

Wird das Schichtmaterial der abgelösten Beschichtung bzw. der abgelösten Nanopartikelschicht unter Bildung von Materialclustern im Nanoformat vaporisiert, so wird es als vorteilhaft angesehen, wenn die Materialcluster bzw. Nanocluster, beispielsweise in Form eines nanoskaligen Pulvers, unter Bildung einer neuen Nanopartikelschicht auf einen Gegenstand unter Bildung einer "Nutzschicht" aufgespritzt werden.

Im Hinblick auf Recyclingprozesse wird es als vorteilhaft angesehen, wenn die Nanocluster auf einen Gegenstand aufgespritzt werden, der mit dem Träger, von dem die Nanopartikelschicht abgelöst worden ist, identisch, baugleich oder funktionsgleich ist.

Mit Blick auf die große technische Bedeutung, die Nutzschichten, insbesondere Nanopartikel basierte Nutzschichten, für den Einsatz als Schutzschicht auf Turbinenschaufeln aufweisen, wird es als vorteilhaft angesehen, wenn mit den hergestellten Nanopartikeln eine Nanopartikelschicht als Schutzschicht für eine Turbinenschaufel hergestellt wird. Vorzugsweise wird mit den Nanopartikeln eine MCrA1Y-Schutzschicht gebildet.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert: Dabei zeigen beispielhaft

Figur 1

eine Anordnung zum Ablösen einer Beschichtung von einem Träger vor dem Ablösen der Beschichtung,

Figur 1A

ein erstes Beispiel für einen gepulsten Stromverlauf,

Figur 1B

ein zweites Beispiel für einen gepulsten Stromverlauf,

Figur 2

den Träger gemäß Figur 1 nach einem Ablösen der Beschichtung,

Figur 3

die Herstellung von Mikroteilchen auf der Basis einer abgelösten Beschichtung mit Hilfe einer Zerschreddereinrichtung,

Figur 4

die Weiterverarbeitung von Mikroteilchen mit Hilfe einer Nanoteilchenherstellungseinrichtung,

Figur 5

die Herstellung von Materialclustern im Nanoformat (Nanocluster) mit Hilfe eines Plasmaabbrenners und

Figur 6

das Herstellen einer auf Nanopartikeln basierenden Nutzschicht mit Hilfe einer Spritzanlage.

In der Figur 1 erkennt man einen Behälter 10, in dem ein Elektrolyt 20 enthalten ist. Bei dem Elektrolyten 20 kann es sich beispielsweise um Salzsäure mit einem Konzentrationsbereich zwischen 5 und 20 % handeln.

In dem Elektrolyten 20 befindet sich ein Träger 30, der mit einer Nanopartikelschicht 40 beschichtet ist. Mit dem Träger 30 (als Anode) ist ein Plusanschluss einer Spannungsquelle 50 verbunden, deren Minusanschluss mit dem Elektrolyten 20 über eine Elektrode 55 (Kathode) in elektrischer Verbindung steht. Vorzugsweise wird der Träger 30 vor dem Einbringen in den Elektrolyten beispielsweise durch Sandstrahlen gesäubert, um eine Verschmutzung des Elektrolyten 20 zu vermeiden.

Durch die Spannungsquelle 50 wird ein Strom I durch den Träger 30 und den Elektrolyten 20 hervorgerufen, durch den die Nanopartikelschicht 40 von dem Träger 30 zumindest abschnittsweise unter Bildung von Nanopartikelfolien abgelöst wird. Mit Blick auf ein möglichst schnelles Ablösen der Nanopartikelschicht 40 wird es als vorteilhaft angesehen, wenn der Strom I gepulst erzeugt wird und einen Dutycycle zwischen 0 und 100 %, zwei unterschiedliche Stromdichten I1 und I2 jeweils zwischen 5 und 1000 mA/cm² und eine Frequenz f1=1/T1 zwischen 5 bis 1000 Hz aufweist (vgl. Figur 1A).

Noch besser löst sich die Nanopartikelschicht 40 bei einem Stromverlauf I ab, wie er in der Figur 1B dargestellt ist: Man erkennt, dass die elektrischen Pulse I mit drei unterschiedlichen Stromdichten und zwei unterschiedlichen Pulsfrequenzen f1 und f2 erzeugt werden, wobei zwischen der größten der drei Stromdichten I3 und der kleinsten der drei Stromdichten I1 mit einer kleineren Pulsfrequenz f1=1/T1 umgeschaltet wird als zwischen der größten Stromdichte I3 und der mittleren Stromdichte I2; zwischen der größten Stromdichte I3 und der mittleren Stromdichte I2 wird mit einer Pulsfrequenz f2=1/T2 umgeschaltet (f1 < f2). In dieser Weise entsteht ein überlagerter Strompulsverlauf ("Superimposed Pulse Pattern"). Vorzugsweise ist die Differenz zwischen der größten Stromdichte I3 und der mittleren Stromdichte I2 kleiner als die Differenz zwischen der mittleren Stromdichte I2 und der kleinsten Stromdichte I1: $$\mathrm{I}\mathrm{3}\mathrm{-}\mathrm{I}\mathrm{2}\mathrm{<}\mathrm{I}\mathrm{2}\mathrm{-}\mathrm{I}\mathrm{1}$$

Alternativ kann die Differenz zwischen der größten Stromdichte I3 und der mittleren Stromdichte I2 jedoch auch größer als die Differenz zwischen der mittleren Stromdichte I2 und der kleinsten Stromdichte I1 sein: $$\mathrm{I}\mathrm{3}\mathrm{-}\mathrm{I}\mathrm{2}>\mathrm{I}\mathrm{2}\mathrm{-}\mathrm{I}\mathrm{1}$$

Die von dem Träger 30 abgelösten Nanopartikelfolien sind in der Figur 2 dargestellt und dort mit dem Bezugszeichen 60 gekennzeichnet.

In der Figur 3 ist dargestellt, wie die abgelösten Nanopartikelfolien 60 weiterverarbeitet werden können. Man erkennt in der Figur 3 einen Behälter 100, in dem die Nanopartikelfolien 60 nach einem Herausfiltern aus dem Elektrolyten 20 und einem Trocknen gelagert sind.

Von dem Behälter 100 gelangen die Nanopartikelfolien 60 in eine Zerschreddereinrichtung 110, die die Nanopartikelfolien 60 unter Bildung von Mikropartikeln M zerschreddert. Die Mikropartikel M bilden somit ein Ausgangsmaterial bzw. ein Feed-Stock-Material, das für die Herstellung von Nanopartikeln oder der Bildung einer Nutzschicht basierend auf Nanopartikeln geeignet ist, da es bereits eine richtige Nanopartikelzusammensetzung aufweist.

In der Figur 4 ist beispielhaft dargestellt, wie die Mikropartikel M gemäß Figur 3 zu Nanopartikeln weiterverarbeitet werden können. Hierfür werden die Mikropartikel M in einem Behälter 200 aufbewahrt und von dort zu einer Nanopartikelherstellungseinrichtung 210 geleitet, in der die Nanopartikel N gebildet werden.

Die Herstellung der Nanopartikel N auf der Basis der Mikropartikel M kann beispielsweise im Rahmen eines Atomisierungsschritts erfolgen, bei dem die Mikropartikel M in ihre Atome aufgespalten werden und die aufgespaltenen Atome unter Bildung der Nanopartikel neu zusammengesetzt werden. Das Atomisieren der Mikropartikel M kann beispielsweise durch Flammspritzen auf der Basis von Acetylen oder durch Einwirken eines Plasmas erfolgen. Ein solches Plasma kann beispielsweise mit einem Gleichstromlichtbogen, einem Wechselstromlichtbogen oder einem gepulsten Lichtbogen gebildet werden.

In der Figur 5 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel für die Herstellung von Nanopartikeln dargestellt. Man erkennt abgelöste Nanopartikelfolien 60, die beispielsweise hergestellt worden sind, wie dies im Zusammenhang mit den Figuren 1 und 2 erläutert worden ist.

Die Nanopartikelfolien 60 befinden sich in einem Behälter 300 und gelangen von diesem zu einem Plasmaabbrenner 310, der die Nanopartikelfolien auf eine Temperatur über 10000°C erhitzt. Durch dieses Erhitzen werden die Nanopartikelfolien 60 vaporisiert, so dass Materialcluster im Nanoformat - nachfolgend Nanocluster genannt - gebildet werden. Die Nanocluster bilden Nanopartikel und sind in der Figur 5 mit dem Bezugszeichen N' gekennzeichnet und können als nanoskaliges Pulver unmittelbar weiter verwendet werden.

Die Funktionsweise des Plasmaabbrenners 310 beruht vereinfacht beschrieben darauf, dass dieser durch die hohe Temperatur eines Plasmas die Mikropartikel M in deren Atome zerlegt und anschließend im Rahmen eines Kondensierens bzw. Kondensationsvorganges die Atome wieder in Nanopartikel bzw. Nanocluster zurückkondensiert.

In der Figur 6 ist eine Weiterverarbeitung der Nanopartikel N gemäß Figur 4 bzw. der Nanocluster N' gemäß Figur 5 beispielhaft gezeigt. Man erkennt in der Figur 6 einen Behälter 400, in dem die Nanopartikel N bzw. die Nanocluster N' aufbewahrt werden. Vor dort gelangen die Nanopartikel N bzw. die Nanocluster N' zu einer Spritzanlage 410, in der diese auf einen zu beschichtenden Gegenstand 30' aufgespritzt werden. Bei dem Gegenstand 30' kann es sich beispielsweise um den Träger 30 gemäß der Figur 2 handeln oder um einen baugleichen oder funktionsgleichen Gegenstand.

Durch das Aufspritzen der Nanopartikel N bzw. der Nanocluster N' wird eine Nutzschicht 420 auf dem Gegenstand 30' gebildet, die auf Nanopartikeln beruht und somit Nanopartikeleigenschaften aufweist. Der mit der Nutzschicht 420 beschichtete Gegenstand 30' ist in der Figur 6 in seiner Gesamtheit mit dem Bezugszeichen 430 gekennzeichnet.

Zusammengefasst ist festzustellen, dass die Nanopartikel N gemäß Figur 4 sowie die Nanocluster N' gemäß Figur 5 bereits die richtige Materialzusammensetzung aufweisen, die für die Nutzschicht 420 erforderlich ist, weil sie unmittelbar aus einer entsprechenden Nanopartikelschicht 40 abgeleitet bzw. mit dieser gebildet wurden. Insbesondere sind alle Spurenelemente, die für Nanopartikel, zum Beispiel auf der Basis von MCrAlY-Material, notwendig sind, bereits vorhanden, so dass diese nicht extra zugemischt werden müssen.

Falls Aluminium für die Herstellung der Nanopartikel N bzw. der Nanocluster N' zusätzlich erforderlich sein sollte, so kann dieses zu den Mikropartikeln M gemäß Figur 4 bzw. zu den Nanopartikelfolien 60 gemäß Figur 5 hinzugefügt werden, bevor mit der Nanopartikelherstellungseinrichtung 210 bzw. mit dem Plasmaabbrenner 310 die Nanopartikel N bzw. die Nanocluster N' hergestellt werden.

Mit den anhand der Figuren beispielhaft beschriebenen Verfahren ist ein Recyceln sogenannter MCrAlY-Schichten, wie sie für Turbinenschaufeln von Generatoren eingesetzt werden, möglich. Durch den Recycelvorgang kann man ein Spritzpulver im Nanoformat erhalten, dem keine Spurenelemente mehr zugesetzt werden müssen und das unmittelbar zum Aufspritzen auf eine Turbinenschaufel eingesetzt werden kann. Ein Neumischen bzw. eine vollständige Neuherstellung des Spritzpulvers wird somit vermieden.