DE10001620A1

DE10001620A1 - Beschichtungsverfahren

Info

Publication number: DE10001620A1
Application number: DE10001620A
Authority: DE
Inventors: Ulrike Taeck
Original assignee: ABB Alstom Power Switzerland Ltd
Current assignee: General Electric Technology GmbH
Priority date: 2000-01-17
Filing date: 2000-01-17
Publication date: 2001-07-19

Abstract

Es wird ein Verfahren zum Beschichten eines Grundmaterials (1) mittels eines bekannten Beschichtungsverfahrens offenbart, wobei das Grundmaterial (1) während des Beschichtungsvorgangs mit einer bestimmten Frequenz, welche im Ultraschallbereich liegt, zur verbesserten Adhäsion der Beschichtung (3) auf dem Grundmaterial (1) angeregt wird. Zudem wird eine geringere Porösität der Beschichtung (3) erreicht. In einem Ausführungsbeispiel handelt es sich bei dem Grundmaterial (1) um eine Turbinenschaufel, aus einer Nickelbasis-Superlegierung, welche mit MCrAlY und/oder TBC beschichtet wird.

Description

TECHNISCHES GEBIET

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur verbesserten Beschichtung eines Grundmaterials.

STAND DER TECHNIK

Es ist allgemein und zahlreich bekannt, Turbinenschaufeln, also Leit- oder Laufschaufeln beispielsweise von Gasturbinen, mit einer oder mehreren Schutzschichten zu versehen, um die Turbinenschaufel vor den thermischen und mechanischen Belastungen, vor Oxidation oder anderen, schädlichen Einflüssen während des Betriebes zu schützen und die Lebensdauer der Turbinenschaufel zu verlängern. Dabei besteht eine erste Schutzschicht einer Turbinenschaufel in der Regel aus einer metallischen Legierung aus MCrAlY, wobei M für Ni, Co oder Fe steht. Diese Art der metallischen Beschichtung, welche auch als "Bond-coating" bezeichnet wird, dient als Schutz vor Oxidation. Solche Beschichtungen sind zahlreich aus dem Stand der Technik und beispielsweise aus US 3,528,861 oder US 4,585,481 bekannt.

Zudem wird eine zweite Schutzschicht aus TBC (Thermal Barrier Coating), welche aus einem keramischen Material (Y stabilisiertes Zr-Oxid) besteht und als thermischer Schutz dient, aufgebracht. Nachgeschaltete Wärmebehandlungen (Diffusion heat treatment, DHT) sorgen danach für eine verbesserte Haftung zwischen der Beschichtung und dem Grundmaterial. Wenig vorteilhaft bei den herkömmlichen Beschichtungsverfahren, so etwa bei Plasma-Spritzverfahren (air plasma spraying, APS, low pressure plasma spraying, LPPS, oder vakuum plasma spraying VPS) oder bei elektrischen oder chemischen Aufdampfverfahren (physical or chemical vapour deposition PVD, CVD), welche beispielsweise aus US 4,152,223 bekannt oder auch in Thermal barrier coating for airbreathing combustion systems (KH. G. Schmitt-Thomas) in Z. Flugwiss. Weltraumforsch. 19, 1995, S. 41-46 beschrieben sind, und welche aus dem Stand der Technik allgemein in grosser Menge bekannt sind, ist allerdings, dass vor der Diffusionswärmebehandlung die Haftung zwischen dem Grundmaterial und dem aufzutragenden Material oft ungenügend ist. Vor dieser Wärmebehandlung ist die Beschichtung durch mangelnde Adhäsion und Porösität entsprechend empfindlicher, was bei unsachgemässer Handhabung zu einer ungewünscht hohen Ausschussrate durch vorzeitige Beschädigung der Beschichtung (Spallation) führen kann. Zudem ist es auch schwierig, bei komplexen Geometrien, besonders bei gekrümmten Formen, wie sie bei Turbinenschaufeln vorliegen, alle Bereiche des zu beschichtenden Grundmaterials in gleicher Qualität zu beschichten, was zu der erhöhten Porösität führt.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Beschichten eines Grundmaterials zu schaffen, mit dem es möglich ist, bereits während des Beschichtungsverfahrens einerseits eine verbesserte Haftung der Schutzschicht auf dem Grundmaterial und andererseits eine verringerte Porösität der Schutzschicht zu erreichen.

Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass das Grundmaterial während des Beschichtens in einer im Ultraschallbereich liegenden Frequenz durch einen Übertragungskopf, welcher mit einem Schwingungserzeuger verbunden ist, angeregt wird.

Durch die direkte oder die indirekte Anregung (d. h. die Anregung einer Halterung, an welcher das Grundmaterial befestigt ist) des Grundmaterials mit einer Ultraschallfrequenz während des Beschichtungsvorgangs können vorteilhaft eine bessere Adhäsion und auch eine verringerte Porösität der Schutzschicht auf dem Grundmaterial erreicht werden.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform kann es sich bei dem Grundmaterial beispielsweise um eine Turbinenschaufel einer Gasturbine aus einer Nickelbasis- Superlegierung mit einer Schutzschicht aus MCrAlY handeln. Vorteilhaft kann dieser Beschichtungsvorgang zur Vermeidung von Oxidation im Vakuum durchgeführt werden. Dabei werden die aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren, also Plasma-Spritzverfahren oder elektrische oder chemische Aufdampfverfahren, verwendet. Nach erfolgreicher Beschichtung durch das erfindungsgemässe Verfahren wird bei Turbinenschaufeln eine weitere Dffusionswärmebehandlung durchgeführt.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Es zeigen:

Fig. 1 eine Anordnung einer Beschichtungsanlage gemäss dem erfindungsgemässen Verfahren (indirekte Schallübertragung) und

Fig. 2 eine zweite Anordnung einer Beschichtungsanlage gemäss dem erfindungsgemässen Verfahren (direkte Schallübertragung).

Es werden nur die für die Erfindung wesentlichen Elemente dargestellt. Gleiche Elemente in unterschiedlichen Figuren sind gleich bezeichnet.

WEG ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Beschichten eines Grundmaterials 1 mit einer Schutzschicht 3. Dabei wird eine verbesserte Adhäsion bei gleichzeitig verringerter Porösität der Schutzschicht 3 auf dem Grundmaterial 1 erreicht. In der Fig. 1 ist der schematische Aufbau einer erfindungsgemässen Beschichtungsanlage sichtbar. Ein Grundwerkstoff 1 wird mittels eines Beschichtungsmittels 2 mit einer Schutzschicht 3 versehen. Dies geschieht durch im Stand der Technik bekannte Beschichtungsverfahren. Je nach dem, welches Beschichtungsverfahren verwendet wird und welche Beschichtung aufgetragen werden soll, ist es notwendig, die Bedingungen unter denen das Verfahren abläuft, anzupassen und es beispielsweise zur Vermeidung von Oxidation im Vakuum durchzuführen. Ebenso ist es denkbar, die Beschichtung in einer inerten Gasatmosphäre oder an Luft zu vollziehen.

Erfindungsgemäss wird das Grundmaterial 1, welches an einer Halterung 4 befestigt ist, während des Verfahrens mit im Ultraschallbereich liegenden Schwingungen angeregt. In den Fig. 1 und 2 geschieht dies durch einen Übertragungskopf 6, welcher mit einem Schwingungserzeuger 5 verbunden ist. Der Übertragungskopf kann dabei, wie dies in der Fig. 2 sichtbar ist, mit dem Grundmaterial 1 direkt verbunden sein. In der Fig. 1 wird die Halterung 4 des Grundmaterials 1 angeregt und dadurch indirekt auch das Grundmaterial 1.

In einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel handelt es sich bei dem Grundmaterial 1 um eine Turbinenschaufel, also um eine Leit- oder Laufschaufel einer Gasturbine. Die Turbinenschaufel besteht beispielsweise aus einer Superlegierung. Eine solche Superlegierung auf der Basis von Nickel ist zum Beispiel aus der Patentschrift US 5,759,301 bekannt. Eine Turbinenschaufel aus einer Cobaltbasis-Superlegierung oder aus Stahl ist ebenso denkbar. Üblicherweise wird eine solche Turbinenschaufel mit einer metallischen Legierung MCrAlY beschichtet, wobei es sich bei M um Co, Ni oder Fe handeln kann. Eine solche FeCrAlY-Legierungen ist beispielsweise aus der Druckschrift US 3,528,861 bekannt. Eine andere solche MCrAlY-Legierung ist in dem Patent US 4,585,481 beschrieben. Allgemein können die bei der Schutzschicht verwendeten Materialien metallische Legierungen oder keramische Materialien (z. B. TBC) sein. Für eine solche Turbinenschaufel sind verschiedene Beschichtungsverfahren aus dem Stand der Technik bekannt, um eine Schutzschicht 3 aufzutragen. Beispielsweise in der Druckschriften US 4,152,223 ist ein Plasma- Spritz-Verfahren offenbart. Dabei wird ein metallisches oder keramisches Pulver aus dem aufzutragenden Material in eine Flamme oder einen Plasmastrahl eingeführt. Dieses Pulver schmilzt auf der Stelle und wird gegen die zu beschichtende Oberfläche gespritzt, wo sich das Material verfestigt und eine durchgehende Schicht bildet.

Auch ein physikalisches (oder chemisches) Aufdampf-Verfahren ist möglich. Bei diesem Verfahren wird festes Beschichtungsmaterial in blockförmiger Form erhitzt und evaporiert (z. B. mit einem Laser oder einem Elektronenstrahl). Der Dampf (vapour) schlägt sich auf dem Grundmaterial nieder und bildet dort nach einer adäquaten Zeit eine Beschichtung. Andere, gleichwertige Beschichtungsverfahren sind ebenso denkbar.

Nach der Beschichtung ist es aus dem Stand der Technik bekannt, eine Diffusionswärmebehandlung durchzuführen, um eine verbesserte Haftung der Schutzschicht 3 auf der Turbinenschaufel zu erreichen. Durch das erfindungsgemässe Beschichtungsverfahren, wie es in den Patentansprüchen gekennzeichnet ist, ist die Adhäsion bereits vor der Diffusionswärmebehandlung verbessert und die Gefahr einer Spallation durch unsachgemässe Handhabung ist verringert. Dies gilt insbesondere bei komplexen Geometrien des Grundmaterials 1.

Die Erfindung ist nicht auf das Ausführungsbeispiel begrenzt, sondern bezieht sich allgemein auf eine verbesserte Haftung von Schutzschichten, welche mittels bekannten Beschichtungsverfahren auf ein Grundmaterial aufgetragen werden, bei gleichzeitig verringerter Porösität.

BEZUGSZEICHENLISTE

1

Grundmaterial

2

Beschichtungsmittel

3

Schutzschicht

4

Halterung für Grundmaterial

5

Schwingungserzeuger

6

Übertragungskopf

Claims

1. Verfahren zum Beschichten eines Grundmaterials (1) mit einer Schutzschicht (3) mittels eines bekannten Beschichtungsverfahrens, dadurch gekennzeichnet, dass das Grundmaterial (1) während des Beschichtens in einer im Ultraschallbereich liegenden Frequenz durch einen Übertragungskopf (6), welcher mit einem Schwingungserzeuger (5) verbunden ist, angeregt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Übertragungskopf (5) direkt an dem Grundmaterial (1) angebracht ist und das Grundmaterial (1) direkt angeregt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Übertragungskopf an einer Halterung (4), an welcher das Grundmaterial (1) während des Beschichtens befestigt ist, angebracht ist und das Grundmaterial (1) indirekt angeregt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das zu beschichtende Grundmaterial (1) eine Leit- oder Laufschaufel einer Gasturbine ist, welche aus einer Superlegierung auf der Basis von Nickel oder Cobalt oder aus Stahl besteht.

5. Verfahren nach einem der vorangegangen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzschicht, welche auf das Grundmaterial (1) aufgetragen wird, aus MCrAlY oder TBC besteht.

6. Verfahren nach einem der vorangegangen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Beschichtungsverfahren um ein Plasma-Spritz-Verfahren, ein physikalisches oder chemisches Aufdampf-Verfahren handelt.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Beschichtungsvorgang im Vakuum, in einer Gasatmosphäre oder an Luft geschieht.

8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Beschichtungsverfahren eine Diffusionswärmebehandlung durchgeführt wird.