DE102004015989A1 - Verfahren zum Aufbringen einer dünnen metallischen Haftschicht auf ein metallisches Substrat als Träger für Funktionsbeschichtungen wie z.B. für eine warmfeste keramische Deckschicht - Google Patents

Abstract

Verfahren zum Aufbringen einer dünnen metallischen Haftschicht auf ein metallisches Substrat als Träger für eine Funktionsschicht, insbesondere für eine warmfeste keramische Deckschicht, unter Anwendung des Hochtemperaturlötens in der Weise, dass auf die zu beschichtenden Flächen des metallischen Substrats mittels eines pastösen oder flüssigen Bindemittels ein Metallpulvergemisch aufgebracht wird, welches aus einem Lotlegierungspulver und aus einem zweiten, nicht schmelzenden Metallpulver besteht, wobei durch ein anschließendes Glühen im Vakuum oder in Schutzgasatmosphäre das auf das Substrat aufgebrachte Metallpulvergemisch in eine fest mit dem Substrat verbundene, porenarme sowie eine raue Oberfläche aufweisende Haftschicht überführt wird.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1.
• Wenn die Oberflächen metallischer Bauteile zum Schutz vor Hitze, Korrosion, Erosion oder Reibverschleiß mit einer Beschichtung versehen werden müssen, dann unterscheiden sich die keramischen oder metallischen Beschichtungswerkstoffe häufig so stark vom metallischen Substrat, dass die üblichen Methoden zum Aufrauen der Oberfläche, wie z. B. Ätzen oder Raustrahlen, nicht genügen um eine ausreichende Haftung der Funktionsbeschichtung zu erreichen. In diesen Fällen ist es notwendig, zwischen der Funktionsbeschichtung und dem metallischen Substrat eine metallische Haftschicht aufzubringen, welche bisher üblicherweise durch ein thermisches Spritzverfahren aufgebracht wird. Eine in der Technik sehr bedeutsame Funktionsbeschichtung ist die keramische Wärmedämmschicht, an Hand derer die Erfindung im Folgenden eingehend beschrieben wird.
• Um metallische Bauteile, die während ihres bestimmungsgemäßen Einsatzes hohen Temperaturen ausgesetzt sind, vor der Schädigung durch die Hitze zu schützen, sind in der Technik verschiedene Methoden bekannt. Eine Methode davon ist das Beschichten solcher Bauteile mit thermisch gespritzten Wärmedämmschichten, die aus einer metallischen Haftschicht und einer darauf aufgebrachten keramischen Deckschicht bestehen, welche die eigentliche Wärmedämmschicht verkörpert, weil nämlich keramische Werkstoffe bekanntlich eine wesentlich kleinere Wärmeleitfähigkeit besitzen als metallische Werkstoffe.
• Wenn die keramische Deckschicht mittels eines thermischen Spritzverfahrens aufgebracht wird, muss zwischen dem metallischen Bauteil und der keramischen Deckschicht eine metallische Haftschicht vorhanden sein, die eine raue Oberfläche aufzuweisen hat, um der keramischen Deckschicht genügend Verklammerungsmöglichkeiten zu geben. Die Haftschicht muss ferner sehr oxidationsbeständig sein.
• Darüber hinaus sind gleichmäßige Schichtdicken von Haft- und Deckschichten notwendig. Dies bereitet bei komplizierten Bauteil-Geometrien erhebliche Schwierigkeiten.
• In der Regel werden die metallischen Haftschichten durch ein thermisches Spritzverfahren wie z. B. atmosphärisches Plasmaspritzen, Niederdruck-Plasmaspritzen, Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen u. a. aufgebracht. Diese Verfahren führen jedoch bei Bauteilen mit unregelmäßig und unstetig gekrümmten Oberflächen zu Haftschichten, die hinsichtlich der Schichtdicke und Schichtqualität starke örtliche Schwankungen aufweisen.
• In der US 6.387.527 ist ein Verfahren für das Beschichten eines Substrates in Form von Turbinentriebwerksteilen beschrieben, bei dem die metallische Haftschicht als auf einem Trägerblech aufgebrachte Folie aus einem MCrAlY-Material durch Plasmaspritzen hergestellt wird, die nach dem Lösen von dem Trägerblech auf das Substrat als Haftschicht mittels eines Hartlötverfahrens oder Hochtemperatur-Lötverfahrens aufgebracht wird. Dadurch wird die Folie mit dem Substrat fest verbunden und kann anschließend mit einer warmfesten keramischen Deckschicht versehen werden.
• Ein solches Verfahren ist jedoch aufwendig und in der Fertigung wenig zufriedenstellend, insbesondere unter Berücksichtigung der komplizierten Konfigurationen der zu beschichtenden Teile von Turbinentriebwerken. Dort ist in der Regel ein vorheriges Zuschneiden der von dem Trägerblech zu lösenden Folien notwendig, um diese in die Form der Beschichtungsflächen des Substrats zu bringen.
• Darüber hinaus ist das spaltgenaue Aufbringen der Folienzuschnitte auf die zu beschichtenden Teile für das Hartlöten schwierig, da Volumendefekte verursachende Lücken zwischen jeweiliger Folie und Beschichtungsfläche zu vermeiden sind.
• Hier setzt nun die Erfindung ein, deren Aufgabe es ist, ein neues Verfahren zum Aufbringen einer dünnen metallischen Haftschicht auf ein Substrat als Träger einer Funktionsschicht, insbesondere einer warmfesten keramischen Deckschicht zu schaffen, das besser als bisher das Aufbringen der notwendigen Haftschicht auf metallische Substrate auch von kompliziert geformten Bauteilen sicher ermöglicht und dabei die Nachteile der bekannten Verfahren vermeidet.
• Diese Aufgabe ist gemäß der Erfindung durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
• Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen. Gemäß der Erfindung werden, wie beim Hochtemperaturlöten üblich, zwei Metallpulver, nämlich ein Lotlegierungspulver und ein zweites Metallpulver, das beim Löten nicht schmilzt, miteinander vermischt und mit einem sogenannten Binder bzw. Bindemittel zu einer Lotpaste verrührt und diese dann auf die zu belotenden Bereiche aufgetragen. Damit nach dem Löten die Haftschicht eine möglichst raue Oberfläche aufweist, wird hier bewusst weniger Lotlegierung verwandt als bei anderen Anwendungen des Hochtemperaturlötens wo ja in der Regel eine glatte Oberfläche angestrebt wird.
• Als Lotlegierung kann jede Legierung verwandt werden, deren Liquidustemperatur niedriger ist als die Solidustemperatur des Grundwerkstoffes und niedriger ist als die Solidustemperatur der Legierung des zweiten Metallpulvers. Weil die fertige Haftschicht während des bestimmungsgemäßen Einsatzes der Wärmedämmschicht nicht anschmelzen darf, muss andererseits aber auch der Schmelzbereich der Lotlegierung entsprechend hoch liegen. Diese Anforderungen werden u. a. von den handelsüblichen Hochtemperatur-Lotlegierungen auf Nickel- oder Kobaltbasis erfüllt, deren Schmelzbereich insbesondere durch die Legierungselemente Bor und Silicium abgesenkt wird und die auch noch weitere Legierungselemente wie Chrom oder Aluminium zur Steigerung der Oxidationsbeständigkeit und der Festigkeit enthalten können. Andere Lotlegierungen, wie z. B. Edelmetalllegierungen, können aber auch zur Anwendung kommen. Die Verwendung von Silicium oder eventuell auch von Edelmetallen, wie z. B. Palladium, als Legierungselemente in den Lotlegierungen kann die Oxidationsbeständigkeit der Haftschicht zusätzlich erhöhen.
• Das zweite Metallpulver besteht aus einer Legierung, die zwei Anforderungen genügen muss: Zum Einen muss die Solidustemperatur dieser Legierung über der Liquidustemperatur der Lotlegierung liegen. Zum Anderen muss die Legierung des zweiten Metallpulvers, in Kombination mit der Lotlegierung, nach dem Löten eine möglichst gute Oxidationsbeständigkeit aufweisen. Nach dem derzeitigen Stand der Technik kommen als Legierungen für das zweite Metallpulver insbesondere oxidationsbeständige MCrAlY-Legierungen oder auch Legierungen in Betracht, welche die gleiche oder eine ähnliche chemische Zusammensetzung wie der Grundwerkstoff des Substrates besitzen.
• Während des Lötvorganges wird die Lotpaste, die auf die zu beschichtenden Flächen des Substrats aufgebracht wurde, erhitzt. Durch die Wärmeeinwirkung wird zunächst der Binder vollständig verdampft oder zersetzt und damit aus der Lotpaste entfernt. Mit weiter steigender Temperatur wird anschließend die Lotlegierung in dem verbliebenen Metallpulvergemisch aufgeschmolzen und die dadurch entstehende flüssige Phase benetzt dann die zu beschichtenden Oberflächen des Bauteils und die Pulverteilchen des zweiten Metallpulvers. Wenn am Ende der Haltezeit oder erst während der Abkühlzeit schließlich die flüssige Phase erstarrt, entsteht eine homogene gleichmäßige Haftschicht mit annähernd porenfreier aber rauer Oberfläche. Während des Lötvorganges wird eine Oxidation der zu beschichtenden Oberflächen und des Pulvers durch das Vakuum beziehungsweise durch die Schutzgasatmosphäre verhindert.
• Bei der Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens können auch kompliziert geformte Oberflächen leicht und sicher und genau beschichtet werden, was mit Hilfe der beim thermischen Spritzen zu verwendenden Spritzpistole nicht möglich ist.
• Gerade bei kompliziert geformten Leitschaufelsegmenten und ähnlichen Bauteilen ist es nämlich sehr schwierig, auf bestimmte Stellen eine ausreichend dicke und porenarme Haftschicht zu spritzen, ohne dabei zu gleich an anderen Stellen mehrfach aufzuspritzen und damit zu hohe Schichtdicken zu erzeugen.
• Eine weitere Variante der Erfindung besteht darin, die Oxidationsbeständigkeit der Haftschicht zusätzlich durch eine nach dem Löten aufgebrachte Diffusionsschutzschicht wie z. B. durch eine Aluminiumdiffusionsschutzschicht (= Alitierschicht) oder durch eine Chromdiffusionsschutzschicht (= Inchromierschicht) zu erhöhen, wenn die Oxidationsbeständigkeit der Haftschicht für die vorgesehenen Betriebsbedingungen nicht ausreicht.
• Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird zuerst der Binder auf die zu beschichtenden Flächen des Substrats aufgebracht und diese Flächen werden anschließend mit dem vorher hergestellten Pulvergemisch bestreut, das dann durch den Lötvorgang auf dem zu beschichtenden Substrat die gewünschte Haftschicht bildet. Die Erfindung ist nachfolgend anhand zweier Ausführungsbeispiele näher erläutert.
• Ausführungsbeispiel 1
• Bei einem Bauteil eines Gasturbinentriebwerkes, welches aus einer aushärtbaren und warmfesten Nickelbasis-Superlegierung, wie z. B. „René 80", „René 125", „MAR-M 247" u. a., in Form einer Leitschaufel oder eines Leitschaufelsegmentes erzeugt wurde, wird auf die betroffenen und zuvor gereinigten Beschichtungsflächen eine Lotpaste aufgetragen, die aus dem Gemenge zweier Metallpulver und einem Bindemittel durch Verrühren hergestellt wurde und deren Dicke etwa 0,07 bis 0,5 mm beträgt.
• Das erste Metallpulver besteht aus einem Nickelbasis-Lotlegierungspulver, das etwa 19 Gew.-% Chrom und 10 Gew.-% Silicium enthält. Die Lotlegierung besitzt eine Solidustemperatur von etwa 1080°C und eine Liquidustemperatur von etwa 1135°C. Der Pulverhersteller empfiehlt für diese Lotlegierung einer Löttemperatur im Temperaturbereich zwischen 1149°C und 1205°C.
• Das beim Hochtemperaturlöten nicht schmelzende zweite Metallpulver besteht aus einer speziellen MCrAlY-Legierung, bei der das „M" für Nickel und Kobalt steht und das außer den Elementen Chrom, Aluminium und Yttrium zusätzlich auch noch Tantal, Rhenium, Silicium und Hafnium als weitere Legierungselemente enthält.
• In der Metallpulvermischung betragen die Anteile des ersten Metallpulvers 25 bis 30 Gew.-% und des zweiten Metallpulvers 75 bis 70 Gew.-%. In diese Mischung wird anschließend ein handelsübliches pastöses oder flüssiges Bindemittel eingerührt, wie z. B. ein Binder auf Wasserbasis, der Polymere als Quellmittel enthält. Die Menge des eingerührten Binders muss ausreichen, eine Lotpaste zu erzeugen, die sich gut verarbeiten bzw. verstreichen lässt. Die gebrauchsfertige Lotpaste besteht dann zu ungefähr 10 Gew.-% aus dem Binder.
• Nach dem Aufbringen der Lotpaste auf die Beschichtungsflächen des Substrats wird dieses schrittweise bis zur Höchsttemperatur, der sogenannten Löttemperatur, zwischen 1149 und 1205°C erhitzt und auf dieser Temperatur für die Dauer von etwa 10 bis 60 Minuten gehalten. Die Temperaturen und Haltezeiten sind hierbei auch an die Erfordernisse des jeweiligen Bauteiles bzw. des Grundwerkstoffes anzupassen. Falls außer dem Löten weitere Glühbehandlungen, wie z. B. ein Diffusions- oder ein Auslagerungsglühen, erforderlich sind, können diese auch in Kombination mit dem eigentlichen Löten in einem gemeinsamen Wärmebehandlungszyklus durchgeführt werden, wobei aber diese anderen Glühbehandlungen nach dem Ende der Löttemperatur-Haltezeit und unterhalb der Löttemperatur erfolgen müssen.
• Nach dem Abschluss des gesamten Wärmebehandlungszyklus weisen die Beschichtungsflächen eine homogene und porenarme Haftschicht mit rauer Oberfläche in einer Stärke von etwa 50 bis 300 μm auf.
• Ausführungsbeispiel 2:
• Bei einem Bauteil eines Gasturbinentriebwerkes, welches aus einer aushärtbaren und warmfesten Nickelbasis-Superlegierung, wie z. B. „René 80", „René 125", „MAR-M 247" u. a., in Form einer Leitschaufel oder eines Leitschaufelsegmentes hergestellt wurde, wird auf die betroffenen und zuvor gereinigten Beschichtungsflächen ein handelsüblicher pastöser oder flüssiger Binder durch Bestreichen oder Aufspritzen aufgetragen, welcher z.B. aus einem Bindemittel auf Wasserbasis besteht und der Polymere als Quellmittel enthält. Daran anschließend wird auf die binderbeschichteten Flächen ein Gemenge zweier Metallpulver gestreut. Das Metallpulvergemisch bleibt wegen des Bindemittels auf den Beschichtungsflächen haften. Das erste Metallpulver besteht aus einem Nickelbasis-Lotlegierungspulver, das die folgende chemische Zusammensetzung in Gewichtsprozent (Herstellerangabe) aufweist: 13% Chrom, 3% Tantal, 4% Aluminium, 2,7% Bor und 0,02% Yttrium; der Rest ist Nickel. Die Lotlegierung besitzt eine Solidustemperatur von etwa 1080°C und eine Liquidustemperatur von etwa 1157°C. Der Pulverhersteller empfiehlt für dieses Lotlegierung eine Löttemperatur im Temperaturbereich zwischen 1177° und 1218°C.
• Das beim Hochtemperaturlöten nicht schmelzende zweite Metallpulver besteht aus einer speziellen MCrAlY-Legierung, bei der das „M" für Nickel und Kobalt steht und das außer den Elementen Chrom, Aluminium und Yttrium zusätzlich auch noch Tantal, Rhenium, Silicium und Hafnium als weitere Legierungselemente enthält.
• In der Metallpulvermischung betragen die Anteile des ersten Metallpulvers 25 bis 30 Gew.-% und des zweiten Metallpulvers 75 bis 70 Gew.-%.
• Nach dem Aufbringen von Binder und Metallpulvergemisch wird das Substrat schrittweise bis zur Höchsttemperatur, der sogenannten Löttemperatur, zwischen 1177°C und 1218°C erhitzt und auf dieser Temperatur für die Dauer von etwa 10 bis 60 Minuten gehalten. Für den gesamten Wärmbehandlungszyklus gilt ansonsten das Gleiche, was bereits im ersten Ausführungsbeispiel hierzu geschrieben wurde.
• Nach dem Abschluss des gesamten Wärmebehandlungszyklus weisen die Beschichtungsflächen eine homogene und porenarme Haftschicht mit rauer Oberfläche in einer Stärke von etwa 50 bis 250 μm auf.

Claims (7)

1. Verfahren zum Aufbringen einer dünnen metallischen Haftschicht als Träger für eine Funktionsschicht, insbesondere für eine warmfeste keramische Deckschicht, auf ein metallisches Substrat, unter Anwendung des Hochtemperaturlötens, bei welchem die Haftschicht dadurch hergestellt wird, dass eine aus einem Lotlegierungspulver und einem nicht schmelzenden Metallpulver bestehende Lotpaste auf die zu belotenden Beschichtungsflächen des Substrats aufgetragen und durch Glühen im Vakuum oder in Schutzgasatmosphäre in eine fest mit dem Substrat verbundene, porenarme sowie eine raue Oberfläche aufweisende Haftschicht überführt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein erstes Lotlegierungsmaterial und ein zweites, beim Lötvorgang nicht schmelzendes Metallpulver mit einem pastösen oder flüssigen Bindemittel bzw. Binder vor dem Aufbringen auf die Beschichtungsflächen des metallischen Substrats zu einer Lotpaste verrührt und diese dann auf die zu belotenden Bereiche des Substrats aufgetragen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der pastöse oder flüssige Binder vor dem Lötvorgang auf die zu belotenden Beschichtungsflächen des Substrats aufgetragen und ein Metallpulvergemisch, welches zuvor aus einem Lotlegierungspulver und einem nicht schmelzenden Metallpulver durch Mischen hergestellt wurde, auf die durch den Binder befeuchteten Flächen aufgestreut wird.
4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwecks Erzielung einer rauen Oberfläche der Anteil des Lotlegierungspulvers im Metallpulvergemisch bzw. in der Lotpaste kleiner ist als der Anteil des zweiten, beim Lötvorgang nicht schmelzenden Metallpulvers.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Gewichtsverhältnis des ersten Metallpulvers, dem Lotlegierungspulver, zum zweiten, beim Lötvorgang nicht schmelzenden Metallpulver zwischen 1:20 und 2:3 beträgt.
6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass als zweites, beim Lötvorgang nicht schmelzendes Metallpulver eine MCrAlY-Legierung oder auch eine Legierung verwendet wird, welche die gleiche oder eine ähnliche chemische Zusammensetzung wie der Grundwerkstoff des Substrates aufweist.
7. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die durch Hochtemperaturlöten auf die Beschichtungsflächen des Substrats aufgebrachte Haftschicht zusätzlich einer Diffusionsglühbehandlung unterworfen wird, bei welcher bestimmte Elemente, wie z. B. Aluminium oder Chrom, in die Oberfläche der Haftschicht eindiffundieren und damit eine Steigerung der Oxidations- und Korrosionsbeständigkeit bewirken.