DE102004028348B4

DE102004028348B4 - Verfahren zum Beschichten von Bauteilen

Info

Publication number: DE102004028348B4
Application number: DE200410028348
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Eichmann; Rolf Gerstner; Karl Heinz Manier; Markus Uecker; Thomas Dr. Uihlein
Original assignee: MTU Aero Engines GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines AG
Priority date: 2004-06-11
Filing date: 2004-06-11
Publication date: 2006-12-21
Anticipated expiration: 2024-06-12
Also published as: DE102004028348A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Beschichten von Bauteilen, insbesondere von Gasturbinenbauteilen, wobei ein Bauteil bereitgestellt wird, dessen zu beschichtende Oberfläche eine komplexe dreidimensionale Kontur aufweist, und wobei zum Beschichten einer Oberfläche des Bauteils ein gerichteter Materiestrom oder Partikelstrom aus Beschichtungsmaterial auf das Bauteil gerichtet wird. Erfindungsgemäß wird in Anhängigkeit der dreidimensionalen Kontur der Oberfläche eine dreidimensionale Bewegungsbahn mit translatorischen und rotatorischen Bewegungskomponenten für das Bauteil generiert, wobei das Bauteil während der Beschichtung entlang dieser Bewegungsbahn derart bewegt wird, dass alle Bereiche der zu beschichtenden Oberfläche vom Materiestrom bzw. Partikelstrom gleichmäßig erfasst werden. Hierdurch wird eine homogene Beschichtung erzielt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Beschichten von Bauteilen, insbesondere von Gasturbinenbauteilen, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Gasturbinenbauteile, wie zum Beispiel Leitschaufelsegmente oder integral beschaufelte Rotoren, sind zum Schutz derselben vor Oxidation, Korrosion oder auch Erosion an ihren Oberflächen mit speziellen Beschichtungen versehen. Zur Beschichtung der Gasturbinenbauteile sind eine Vielzahl von Beschichtungsverfahren bekannt, so zum Beispiel das PVD-Beschichten. Beim PVD-Beschichten wird unter Vakuum ein Materiestrahl bzw. Partikelstrahl des Beschichtungswerkstoffs auf das zu beschichtende Gasturbinenbauteil gerichtet. Die Qualität der sich hierbei einstellenden Beschichtung hängt stark von einer homogenen Schichtdickeverteilung der zu beschichtenden Bereiche des Gasturbinenbauteils ab. Insbesondere dann, wenn das zu beschichtende Gasturbinenbauteil eine komplexe dreidimensionale Oberflächenkontur aufweist, ist das Bereitstellen einer homogenen Schichtdickeverteilung beim Beschichten problematisch.

Die EP 0 892 081 A2 offenbart eine Vorrichtung zum PVD-Beschichten von Bauteilen, wobei ein Partikelstrom eines Beschichtungswerkstoffs auf das zu beschichtende Bauteil gerichtet wird, und wobei das Bauteil während der Beschichtung relativ zu einer Beschichtungsquelle verschoben und verdreht werden kann.

EP 0 931 851 B1 zeigt ein Verfahren zur Beschichtung der Innenwand von Hohlkörpern, bei dem der Hohlkörper zur Kompensation der Ausdehnung entlang der drei Koordinatenachsen bewegt wird.

Mit einer derart einfachen, vom zu beschichtenden Bauteil unabhängigen Bewegung des Bauteils relativ zur Beschichtungsquelle ist eine gleichmäßige Beschichtung von Bauteilen mit einer komplexen dreidimensionalen Oberflächenkontur nicht möglich.

Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung das Problem zu Grunde, ein Verfahren zur homogenen Beschichtung von Bauteilen mit komplexen dreidimensionalen Konturen zu schaffen.

Dieses Problem wird durch ein Verfahren zum Beschichten von Bauteilen im Sinne von Patentanspruch 1 gelöst. Erfindungsgemäß wird in Anhängigkeit der dreidimensionalen Kontur der Oberfläche eine dreidimensionale Bewegungsbahn mit translatorischen und rotatorischen Bewegungskomponenten für das Bauteil generiert und das Bauteil während der Beschichtung entlang dieser Bewegungsbahn derart bewegt wird, dass alle Bereiche der zu beschichtenden Oberfläche vom Materiestrom oder Partikelstrom des Beschichtungsmaterials gleichmäßig erfasst werden.

Im Sinne der hier vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, in Abhängigkeit der zu beschichtenden, dreidimensionalen Oberflächenkontur des Bauteils eine dreidimensionale Bewegungsbahn mit translatorischen und rotatorischen Bewegungskomponenten für das Bauteil zu generieren und das Bauteil während der Beschichtung entlang dieser Bewegungsbahn zu führen bzw. zu bewegen, sodass alle Bereiche der zu beschichtenden, dreidimensionalen Oberflächenkontur vom Materiestrom oder Partikelstrom aus Beschichtungsmaterial homogen erfasst werden. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich, auch auf komplexen dreidimensionalen Oberflächenkonturen eine gleichmäßige Schichtdickenverteilung bereitzustellen, da auch Zwischenräume, Hinterschneidungen oder abgeschattete Bereiche des zu beschichtenden Bauteils auf diese Art und Weise vom Materiestrom bzw. Partikelstrom aus Beschichtungsmaterial erfasst werden. Hierdurch wird letztendlich die Beschichtung optimiert und die Lebensdauer der beschichteten Bauteile verlängert.

Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird, ohne hierauf beschränkt zu sein, an Hand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:
1 ein zu beschichtendes Bauteil mit einer komplexen dreidimensionalen Kontur; und
2 ein weiteres zu beschichtendes Bauteil mit einer komplexen dreidimensionalen Kontur.
Nachfolgend wird die hier vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf 1 und 2 in größerem Detail beschrieben.
1 zeigt als ein zu beschichtendes Bauteil einen integral beschaufelten Rotor 20 mit einer Rotorscheibe 21 und mehreren an der Rotorscheibe 21 integral befestigten Laufschaufeln 22. Ein derartiger Rotor 20 mit integraler Beschaufelung wird auch als blisk (bladed disk) bezeichnet. Ein solcher integral beschaufelter Rotor 20 muss an seiner Oberfläche, insbesondere im Bereich von Schaufelblättern 23 der Laufschaufeln 22 und im Bereich einer Nabe 24, beschichtet werden. Wie 1 entnommen werden kann, verfügt der zu beschichtende Rotor 20 an diesen Oberflächen über eine komplexe dreidimensionale Kontur, die durch unterschiedliche Wölbungen im Bereich der Schaufelblätter 23 sowie durch abgedeckte bzw. abgeschattete Bereiche zwischen zwei benachbarten Schaufelblättern 23 insbesondere in Nachbarschaft zur Nabe 24 des Rotors 20 gekennzeichnet ist.
2 zeigt als ein weiteres zu beschichtendes Bauteil ein Leitschaufelsegment 10, wobei das Leitschaufelsegment 10 aus vier einzelnen Leitschaufeln 11 zusammengesetzt ist, die jeweils ein Schaufelblatt 12, ein Innendeckband 13 sowie ein Außendeckband 14 umfassen. Ein derartiges Leitschaufelsegment 10 muss insbesondere an strömungskanalrelevanten Oberflächenbereichen desselben beschichtet werden, also im Bereich der Schaufelblätter 12, an der radial innenliegenden Oberfläche des Außendeckbands 14 sowie an der radial außenliegenden Oberfläche des Innendeckbands 13. Wie 1 entnommen werden kann, verfügt das zu beschichtende Leitschaufelsegment 10 an diesen Oberflächen über eine komplexe dreidimensionale Kontur, die durch unterschiedliche Wölbungen im Bereich der Schaufelblätter 12 sowie durch abgedeckte bzw. abgeschattete Bereiche zwischen zwei benachbarten Schaufelblättern 12 gekennzeichnet ist.
Im Sinne der hier vorliegenden Erfindung erfolgt das Beschichten der obigen Oberflächenbereiche des integral beschaufelten Rotors 20 bzw. des Leitschaufelsegments 10 derart, dass in Abhängigkeit der dreidimensionalen Kontur dieser Oberflächenbereiche eine dreidimensionale Bewegungsbahn mit translatorischen und rotatorischen Bewegungskomponenten für das Bauteil generiert wird.
Während der Beschichtung wird das Bauteil entlang dieser Bewegungsbahn derart bewegt bzw. geführt, dass alle Bereiche der zu beschichtenden Oberfläche gleichmäßig vom Materiestrom bzw. Partikelstrom aus Beschichtungsmaterial erfasst werden. Bei der in Abhängigkeit der dreidimensionalen Kontur der zu beschichtenden Oberflächenbereiche erzeugten Bewegungsbahn mit translatorischen und rotatorischen überlagerten Bewegungskomponenten wird das Bauteil entlang dieser Bewegungsbahn frei im Raum entlang und um jeweils eine Achse sowie in allen Raumrichtungen überlagert bewegt.
In einer bevorzugten Ausführungsform der hier vorliegenden Erfindung wird eine derartige dreidimensionale Bewegungsbahn für das Bauteil generiert, dass bei einer Bewegung des Bauteils entlang dieser Bewegungsbahn der Materiestrom bzw. Partikelstrom aus Beschichtungsmaterial für möglichst viele Abschnitte der zu beschichtenden Oberfläche mit einem optimierten Beschichtungswinkel auf den jeweils zu beschichtenden Abschnitt bzw. Bereich der Oberfläche ausgerichtet ist. Vorzugsweise steht die Richtung des Materiestroms bzw. Partikelstroms aus Beschichtungsmaterial für möglichst viele Abschnitte der Oberfläche bei der Beschichtung derselben in etwa senkrecht auf die jeweils zu beschichtenden Abschnitte der Oberfläche. Ist dies aufgrund von Hinterschneidungen oder Abdeckungen der Bauteilgeometrie nicht möglich, so wird das Bauteil bei der Beschichtung derart bewegt, dass ein dem optimalen Beschichtungswinkel möglichst nahe kommender Beschichtungswinkel für den Oberflächenbereich bzw. Oberflächenabschnitt gewährleistet ist.
Es liegt demnach im Sinne der hier vorliegenden Erfindung, bei der Beschichtung eines Gasturbinenbauteils dasselbe während der Beschichtung mit einem gerichteten Partikelstrom bzw. Materiestrom durch eine dreidimensionale Bewegung so zu manipulieren, dass alle zu beschichtenden Bereiche vom Materiestrom bzw. Partikelstrom gleichmäßig erfasst werden und so eine umfassend homogene Beschichtung auf dem Bauteil erzielt wird. Hierdurch ergeben sich optimierte Beschichtungseigenschaften.
Bei der Beschichtung von Rotoren mit integraler Beschaufelung, sogenannten blisks (bladed disks), besteht die Möglichkeit einer Kantengestaltung an Bliskschaufeln, die durch Zerspanverfahren nicht realisierbar ist. Durch die Steuerung des Schichtaufbaus bei der Beschichtung in Verbindung mit Blenden sind neue Kantengestaltung an den Bliskschaufeln möglich.
Bevorzugt findet das Verfahren Verwendung in Kombination mit dem PVD-Beschichten. Es kann aber auch bei anderen Beschichtungsverfahren, so z.B. beim thermischen Spritzen wie dem Plasmaspritzen, zum Einsatz kommen.

10: Leitschaufelsegment
11: Leitschaufel
12: Schaufelblatt
13: Innendeckband
14: Außendeckband
20: Rotor
21: Rotorscheibe
22: Laufschaufel
23: Schaufelblatt
24: Nabe

Claims

Verfahren zum Beschichten von Bauteilen, insbesondere von Gasturbinenbauteilen, wobei ein Bauteil bereitgestellt wird, dessen zu beschichtende Oberfläche eine komplexe dreidimensionale Kontur aufweist, und wobei zum Beschichten einer Oberfläche des Bauteils ein gerichteter Materiestrom oder Partikelstrom aus Beschichtungsmaterial auf das beweglich angeordnete Bauteil gerichtet wird, dadurch gekennzeichnet, dass in Anhängigkeit der dreidimensionalen Kontur der Oberfläche eine dreidimensionale Bewegungsbahn mit translatorischen und rotatorischen Bewegungskomponenten für das Bauteil generiert und das Bauteil während der Beschichtung entlang dieser Bewegungsbahn derart bewegt wird, dass alle Bereiche der zu beschichtenden Oberfläche vom Materiestrom oder Partikelstrom gleichmäßig erfasst werden, um eine homogene Beschichtung zu erzielen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine derartige dreidimensionale Bewegungsbahn für das Bauteil generiert wird, dass bei einer Bewegung des Bauteils entlang dieser Bewegungsbahn der Materiestrom oder Partikelstrom für möglichst viele Abschnitte der Oberfläche bei der Beschichtung derselben mit einem optimierten Winkel auf den jeweils zu beschichten Abschnitt ausgerichtet ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine derartige dreidimensionale Bewegungsbahn für das Bauteil generiert wird, dass bei einer Bewegung des Bauteils entlang dieser Bewegungsbahn eine Richtung des Materiestroms oder Partikelstroms für möglichst viele Abschnitte der Oberfläche bei der Beschichtung derselben in etwa senkrecht zu dem jeweils zu beschichten Abschnitt ausgerichtet ist.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein integral beschaufelter Rotor beschichtet wird.