Komponenten,
die im Bereich der Luft- und Raumfahrttechnik zum Einsatz kommen,
unterliegen stets der Forderung nach Gewichtsoptimierung, gleichzeitig
bestehen aufgrund der Belastungen im Flugbetrieb außerordentlich
hohe Anforderungen an die Werkstoffe hinsichtlich mechanischer,
physikalischer und chemischer Eigenschaften, um die Betriebssicherheit
des Luftfahrzeugs zu gewährleisten. Diese
zum Teil widersprüchlichen
Forderungen spiegeln sich beispielsweise in sehr filigranen Strukturen und
komplexen Formen aber auch der Werkstoffauswahl wieder, wodurch
etwa ein besonders hohes Maß an
Verwindungssteifigkeit, Schwingfestigkeit oder Korrosionsbeständigkeit
erreicht werden soll, um nur einige zu nennen. Hochfeste Aluminiumlegierungen
stellen daher eine der wichtigsten Werkstoffgruppen für die Luft-
und Raumfahrt dar. Das besonders günstige Verhältnis von physikalischer Dichte
zu Festigkeit – insbesondere
bei schwingender Beanspruchung – in
Verbindung mit der vergleichsweise geringen Empfindlichkeit gegenüber Temperaturwechselbeanspruchung
prädestiniert
diese Werkstoffe für
den Einsatz im Bereich des Fahrwerks der Struktur und auch des Antriebs.
Der
zunehmende technische Fortschritt in der Luft- und Raumfahrt und
die daraus resultierenden wachsenden Anforderungen an Material und Bauteilstruktur
vor dem Hintergrund ständig
steigenden Kostendrucks machen die wirtschaftliche Instand setzung
der meist sehr teuren Komponenten heute unverzichtbar. Der Prozess
der Instandsetzung wird jedoch durch die zuvor genannten Charakteristika
luftfahrttechnischer Komponenten wie Komplexität, Werkstoffauswahl sowie die
Auslegung im Grenzbereich erheblich erschwert, da neben den Anforderungen
an die Formgenauigkeit beispielsweise auch nachteilige Einflüsse auf
den Grundwerkstoff vermieden werden müssen. Bereits durch unsachgemäße Handhabung
im Herstellungs/Reparaturprozess können mechanische Beschädigungen
auftreten, wobei übermäßige Wärmezufuhr
im Bearbeitungsprozess in signifikanten Festigkeitseinbußen resultieren
kann.
Komponenten,
die im Bereich der Luft- und Raumfahrttechnik zum Einsatz kommen,
wie z.B. Fahrwerkskomponenten und Propellerblätter, sind im Betrieb mitunter
außerordentlich
starken Beanspruchungen unterworfen.
So
erfahren beispielsweise Fahrwerke von Luftfahrzeugen im Wesentlichen
zwei Hauptbeanspruchungsarten, eine mechanische Komponente bei Start
und Landung sowie ein fortwährend
stattfindender Korrosionsangriff als Folge der Umgebungseinflüsse. Die
mechanische Beanspruchung wiederum setzt sich zusammen aus der statischen
Last allein aufgrund des Luftfahrzeuggewichts, kurzzeitiger Biegebeanspruchung
beim Schleppen des Luftfahrzeugs, sowie starker dynamischer Belastung
bei Start und Landung. Hinsichtlich der dynamischen Last bei Start
und Landung ist es sinnvoll eine weitere Aufteilung zu treffen in
Luftfahrzeuge, die eine Beschleunigungs-/Verzögerungsstrecke für den Start-/Landevorgang
benötigen
(herkömmliche
Flugzeuge), sowie Luftfahrzeuge, die ohne Start-/Landebahn zunächst senkrecht
vom Boden abheben bevor die Beschleunigung in Vortriebsrichtung
erfolgt (Hubschrauber und Senkrechtstarter). Bei herkömmlichen Flugzeugen
wirkt durch die notwendigen hohen Startgeschwindigkeiten in Verbindung
mit vergleichsweise hohen Startgewichten eine extreme Belastung auf
die Fahrwerke. Bei der Landung bewirkt die Verzögerung der Bremse zusätzlich eine
Biegebeanspruchung. In beiden Betriebsarten werden Unebenheiten
von Start- und Landebahn übertragen,
die sich trotz Dämpfung
durch Reifen und Federn auf die Fahrwerksstruktur auswirken und
dort beispielsweise Schwingungen hervorrufen. Neben der Bildung
und Ausbreitung von Rissen wird durch solche Schwingungen auch der
Verschleiß an
gegeneinander laufenden Komponenten wie Fahrwerkszylinder und Kolben
begünstigt.
Hubschrauber und Senkrechtstarter müssen zum Abheben und Landen
zwar keine lange Distanzen auf dem Rollfeld zurücklegen, wodurch sich die Belastung
deutlich verringert, dennoch führen
auch hier die Relativbewegung zwischen bewegten Teilen zu Schwingungen,
die vom Antrieb auf die gesamte Struktur übertragen werden, und zu einem ähnlich starken
Verschleiß.
Als Folge lokalen Verschleißes – etwa im
Bereich von Dichtungsringen – entstehen
Spalte, Verunreinigungen wie Staub der Umgebungsluft dringen ein
und verstärken
den Verschleißmechanismus
an bewegten Teilen.
Spritzwasser,
welches bei winterlichen Betriebsbedingungen zusätzlich mit gelösten Salzen versetzt
ist, sowie Kondenswasser, das sich abhängig von der Flughöhe und der
Luftfeuchtigkeit bildet, bieten die Grundlage für das Auftreten von Korrosionsangriff.
Trotz des vergleichsweise sehr guten Eigenschutzes des Aluminiums
durch die sich schnell bildende stabile Oxidschicht tritt der Korrosionsangriff gerade
im Bereich von Schwachstellen wie Verschraubungen und Dichtungen
besonders ausgeprägt
auf, da hier meist eine gewisse Zugänglichkeit für etwaige
Elektrolyten gegeben ist und eine einmal geschädigte Dichtung oder ein Dichtungssitz
kaum noch wirksamen Schutz bietet. Es ist ferner bekannt, dass die
dynamische Belastung eines Bauteils Korrosion begünstigt,
insbesondere Formen wie Lochfraß oder
Spannungsrisskorrosion.
Extreme
dynamische Belastungen treten insbesondere auch bei Propellerblättern auf.
Die Aufgabe von Propellern ist, die durch einen Motor erzeugte Rotationsenergie
in Form von Strömungsenergie
an das umgebende Medium abzugeben. Ihre Wirkungsweise beruht darauf,
dass durch die Rotation eine bestimmte Luftmasse pro Zeiteinheit
ergriffen und aus ihrer Ruhelage nach hinten beschleunigt abgestoßen wird.
Die verschiedene Wölbung
von Ober- und Unterseite sowie die Ausrichtung der einzelnen Flügel bewirken
eine unterschiedlich starke Umlenkung und Beschleunigung des umgebenden
Mediums z.B. Luft. Auf der stärker
gewölbten
Seite entsteht ein Sog, da hier das Medium einen längeren Weg
zurücklegen
muss und dementsprechend auf höhere Geschwindigkeiten
beschleunigt wird, die Seite (der Bewegungsrichtung zugewandt) wird
deshalb auch als Saugseite bezeichnet. Entsprechend bezeichnet man
die Seite geringerer Umströmungsgeschwindigkeiten
und höheren
Drucks als Druckseite (der Bewegungsrichtung abgewandt). Der Druckgradient
zwischen Saug- und Druckseite erzeugt an jedem Flügel dynamische
Auftriebskräfte
deren axial gerichteten Komponenten zusammen den Propeller und das
damit verbundene Objekt vorwärts
treiben. Die überlagerten
Axialkräfte
werden auch als Schub bezeichnet. Die höheren Strömungsgeschwindigkeiten der Luft
auf der Saugseite des Propellerblattes erzeugen ebenso höhere Geschwindigkeiten
der darin enthaltenen festen und flüssigen Stoffe wie etwa Staub, Sand
und kleinere Steinchen oder auch Wassertröpfchen. Deren Aufprall auf
die Blattoberfläche
führt besonders
im Bereich der Propellerblattvorderkante zu starken plastischen
Verfor mungen (Kraterbildung) und ausgeprägtem Materialabtrag. Lokal
starke Beschädigungen
etwa durch aufgewirbeltes Material während der Start-/Landephase
des Luftfahrzeugs können
gerade bei diesen dynamisch hoch belasteten Komponenten als Kerbe
für die
Rissausbreitung wirken und ein plötzliches Versagen hervorrufen. Weitere
Einflussgrößen auf
den Materialabtrag sind die Betriebsbedingungen und damit verbunden
die Anstellung des Blattes sowie der Einsatzort. Die extreme dynamische
Beanspruchung und der fortwährend
stattfindende Verschleiß durch
Erosion werden meist überlagert
von Korrosionsangriff, der ebenfalls von den Einsatzbedingungen
abhängig
ist, z.B. Betrieb unter winterlichen oder tropischen Bedingungen.
Die
Strömungsmechanik
eines Propellerblattes bestimmt die Höhe der Schubkraft des Triebwerks.
Schubkraft entsteht aus der Beschleunigung einer Masse, weshalb
Abweichungen von der Blattgeometrie im Auslegungspunkt nur in sehr
begrenztem Maße
tolerierbar sind. Im Rahmen der Blattüberholung wird daher eingehend
geprüft,
inwieweit die Ist-Geometrie des Blattes vom Soll-Wert abweicht und
welche Schubeinbußen
damit verbunden sind. Blätter,
bei denen sich die Geometrie mit ihren Mindestabmessungen nicht
mehr einstellen ließ,
mussten daher bisher verschrottet werden.
Im
Rahmen der Überholung
von Fahrwerkskomponenten wird eingehend geprüft, wie stark die Schädigung durch
Korrosion und mechanischen Verschleiß ausgeprägt ist und ob etwa ein Versagen
des Bauteils im weiteren Einsatz zu befürchten ist. Reparaturmaßnahmen
waren bisher nur sehr begrenzt möglich
und reduzierten sich im Wesentlichen auf das Glätten von Dichtungssitzen, Führungen
oder dergleichen durch Schleifen und Polieren gefolgt von einer
Wiederherstellung des Korrosionsschutzes beispielsweise durch Eloxieren
oder Chromatieren.
Während bei
zahlreichen Anwendungen flächenhaft
aufgebrachte Beschichtungen durch thermisches Spritzen (Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen,
Plasmaspritzen, Lichtbogenspritzen, Detonationsspritzen) in beachtlichem
Maße dazu
beitragen, die Lebensdauer von Bauteilen zu verlängern, sind diese Verfahren
für Komponenten,
die im Bereich der Luft- und Raumfahrttechnik zum Einsatz kommen, nur
begrenzt einsetzbar. So sind diese Verfahren insbesondere aufgrund
begrenzter Schichtdicke und Haftungsproblemen auf Aluminiumlegierungen
nur eingeschränkt
anwendbar.
Bei
Prozessen des thermischen Spritzens wird der Spritzwerkstoff als
Pulver oder Draht einer Energiequelle zugeführt und dort an- bzw. aufgeschmolzen.
Die Bezeichnung des Spritzverfahrens richtet sich dabei nach dem
jeweiligen Prozess, durch den die thermische Energie zum Aufschmelzen
des Spritzwerkstoffs erzeugt wird. Bei den etablierten Verfahren
geschieht dies durch Verbrennung eines Brennstoff-Sauerstoff-Gemisches,
Zündung
eines Lichtbogens oder Überführung eines
Prozessgases in den plasmaförmigen
Zustand. Das geschmolzene Material wird dann durch die expandierenden Verbrennungsgase
oder auch durch Druckluft auf die Bauteiloberfläche hin beschleunigt.
Mit
thermischen Spritzverfahren hergestellte Schichten enthalten Oxide
und Poren, welche die Eigenschaften der Schichten unterschiedlich
stark beeinträchtigen
können.
Bei Korrosionsschutzschichten aus Aluminium und Zink auf Stahl beispielsweise
ist der Einfluss gering, da diese Schichten unedler sind als Stahl
und deshalb die Schutzwirkung so lange gegeben ist, bis sich die
anodisch wirkende Schicht aufgelöst
hat. Kathodisch wirkende Schichten, beispielsweise Schichten aus
Nickellegierungen auf Stahl müssen
dagegen dicht sein, um einen Kontakt zwischen dem Grundwerkstoff
und dem korrosiven Medium zu verhindern. Sie dürfen auch keine Oxide an den
Grenzflächen
der Partikel enthalten, die sich bei der Korrosion herauslösen und
das Durchdringen des Mediums bis zum Grundwerkstoff ermöglichen. Physikalische
Eigenschaften wie die elektrische Leitfähigkeit oder Wärmeleitfähigkeit
werden ebenfalls durch Oxide und Poren beeinträchtigt.
Reparaturmethoden,
die ein Aufschmelzen des Reparaturwerkstoffs oder gar des Grundwerkstoffs
bedingen, wie etwa thermische Spritzverfahren (Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen,
Plasmaspritzen, Lichtbogenspritzen, Detonationsspritzen) sind zudem
aus konstruktions- und fertigungstechnischer Hinsicht nur begrenzt
anwendbar, da abhängig
von der Bauteilform und Herstellungsgeschichte mit dem notwendigen
Wärmeeintrag
oft ein unzulässiger
Verzug einhergeht. Von besonderer Bedeutung sind die nachteiligen
Effekte werkstofftechnischer Hinsicht, da diese nicht immer unmittelbar
zu erkennen sind und daher ein besonderes Gefährdungspotenzial für die Betriebssicherheit
darstellen. So können
thermisch aktivierte Prozesse wie Phasenumwandlungen, Legierungsbildung
und Teilchenwachstum zu unabsehbaren Änderungen der Werkstoffeigenschaften
z.B. Festigkeitsverlust und damit zum Versagen des gesamten Bauteils
führen.
Auch sind viele Luftfahrtmaterialien nicht oder nur unter großem Aufwand
schweißbar,
und solche Schweißungen
immer mit einer Beeinflussung des Gefüge- und Spannungszustandes
verbunden.
In
besonders nachteiliger Weise jedoch werden die mechanischen Eigenschaften
der Schichten beeinträchtigt.
So ist hinlänglich
bekannt, dass thermisch gespritzte Schichten eine im Vergleich zu
Massivmaterial nur sehr geringe Dauerfestigkeit unter schwingender
Beanspruchung aufweisen.
Weiterentwicklungen
bei den Verfahren des thermischen Spritzens hatten daher das Ziel,
den Oxidgehalt und Porenanteil der Schichten zu verringern. Ein
großer
Fortschritt war die Einführung
des Vakuum-Plasmaspritzens und des Niederdruck-Plasmaspritzens, mit denen es gelang
oxidarme Schichten auch aus sehr reaktiven Materialien herzustellen. Im
Bereich der Luftfahrt und Kraftwerkstechnik werden beispielsweise
dynamisch und thermisch hoch beanspruchte Turbinenschaufeln zum
Schutz gegen Oxidation mit MCrAIY-Legierungen (M für Ni und/oder
Co) beschichtet.
Das
Kaltgasspritzen, wie es beispielsweise in
US 5 302 414 und
EP 0 484 533 beschrieben ist, stellt
insofern einen bedeutenden Fortschritt auf dem Gebiet der Oberflächentechnik
dar, da hierdurch oxidarme und besonders dichte metallische Schichten auch
unter atmosphärischen
Bedingungen hergestellt werden können.
Obschon die mechano-physikalischen Schlüsseleigenschaften der Schichten
wie Duktilität,
Schwingfestigkeit und Leitfähigkeit
bei diesem Verfahren besonders begünstigt werden, wurde Kaltgasspritzen
im Falle der Beschichtung dynamisch hoch beanspruchter Komponenten
wie etwa Turbinenschaufeln nur in Verbindung mit einer nachgeschalteten
thermischen Behandlung der beschichteten Komponenten anwendet. So
beschriebt die
US 6 905 728 die
Anwendung des Kaltgasspritzens für die
Reparatur und Geometrie-Wiederherstellung von Hochdruckkomponenten
im Bereich von stationären Gasturbinen,
Turbinentriebwerken und Hilfstriebwerken. Wesentlicher Bestandteil
der dort dargestellten Methode ist eine dem Beschichten durch Kaltgasspritzen
nachgeschaltete thermische Behandlung des Bauteils z.B. durch Sintern.
Diese Nachbehandlung ist zum Erreichen der geforderten mechanischen
und physikalischen Schichteigenschaften zwingend erforderlich.
Heterogene
Gefügezustände und
Eigenschaftsverteilungen ließen
sich in einigen Fällen
prinzipiell zwar durch Wärmebehandlungen
homogenisieren, sind aufgrund der Herstellungsart vieler Bauteile – etwa durch
Schmiedeprozesse – nicht
zulässig,
oder aber wegen der Bauteilabmessungen nicht oder nur unter hohem
Aufwand möglich.
Am Beispiel aushärtbarer
Aluminiumlegierungen lässt
sich die Temperaturempfindlichkeit des Gefüges besonders gut darstellen.
So tritt bei der Legierung AA2224 bereits ab etwa 190 °C der Alterungsprozess – d.h. ein signifikantes
Wachstum der Ausscheidungsteilchen – ein. Im Fall der Legierung
AA7075 beginnt dieser Prozess sogar bereits bei 120 °C.
Als
Folge der vorstehend geschilderten Probleme wurden dynamisch beanspruchte
Bauteile für luftfahrtechnische
Anwendungen, bei denen der Verschleiß ein derart hohes Maß erreicht
hat, dass die notwendige mechanische Stabilität nicht mehr erreicht wird,
bisher unter hohem Kostenaufwand vollständig ersetzt.
Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren
zur Reparatur und Wiederherstellung von dynamisch beanspruchten
Komponenten aus Aluminiumlegierungen für luftfahrtechnische Anwendungen
zu schaffen, mit welchem sich auch Komponenten wiederherstellen
lassen, deren Reparatur bisher mit herkömmlichen Verfahren technisch
nicht möglich
oder wirtschaftlich nicht sinnvoll war.
Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein
Verfahren zur Reparatur und Wiederherstellung von dynamisch beanspruchten
Komponenten aus Aluminiumlegierungen für luftfahrtechnische Anwendungen
gelöst,
wie es in Anspruch 1 angegeben ist.
Im
Zuge dieses Verfahrens
- – wird der Grundwerkstoff ermittelt,
aus dem die zu reparierende Komponente gefertigt wurde,
- – wird
die zu reparierende Komponente, falls erforderlich, einer Vorbearbeitung
unterzogen,
- – wird
ein Spritzwerkstoff ausgewählt,
der vergleichbare chemische, physikalische und mechanische Eigenschaften
wie der Grundwerkstoff hat,
- – werden
für das
anschließende
Beschichtungsverfahren Beschichtungsparameter derart gewählt, das
die Bindung innerhalb der aufzubringenden Schicht optimiert wird,
- – wird
der Spritzwerkstoff mittels Kaltgasspritzen auf die zu reparierende
Komponente aufgebracht, um infolge Verschleiß und Vorbearbeitung abgetragenes
Material zu ersetzen, und
- – wird
die beschichtete Komponente derart nachbearbeitet, dass die ursprüngliche
Bauteilgeometrie wiederhergestellt wird,
Dieses
Verfahren bietet den besonderen Vorteil, dass auch Komponenten,
die bisher hätten ersetzt
werden müssen,
für den
Einsatz im Luftfahrzeug wiederhergestellt werden können. So
können z.B.
auch Propellerblätter,
bei denen bisher das Einschleifen einer Kontur mit zulässiger Maßabweichung
nicht mehr möglich
oder unterschritten war, für den
Einsatz im Luftfahrzeug wiederhergestellt werden. Mit dem hier vorgeschlagenen
Verfahren werden die geforderten Materialeigenschaften gerade in Bezug
auf die Dauerschwingfestigkeit erreicht, ohne dass hierfür zusätzliche
Verfahrensschritte wie etwa Sintern erforderlich wären.
Erfindungsgemäß wird dies
erreicht durch Abstimmung des Spritzwerkstoffs auf das zu beschichtende
Grundmaterial hinsichtlich dessen chemischer Zusammensetzung sowie
durch Abstimmung der Beschichtungsparameter, wie z.B. Pulverpartikelgrößenverteilung,
Prozessparameter, Düsengeometrie
etc. derart, dass eine bestmögliche
Bindung innerhalb der Schicht erreicht wird. Als Merkmal für die Qualität der Bindung
wird vorzugsweise die in Dauerschwingversuchen ermittelte Dauerfestigkeit der
Schicht herangezogen. Die so hergestellten Schichten erreichen nachweislich
die Dauerfestigkeit des Grundwerkstoffs.
Bevorzugte
Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Vorzugsweise
wird in einem reinigenden Arbeitsschritt die zu reparierende Komponente
mittels Reinigungsprozessen von Lackschutzschichten und löslichen
Verunreinigungen befreit. Insbesondere wenn es sich bei der zu reparierenden
Komponente um ein Propellerblatt handelt, kann hierzu ein ausgehärtetes Urea-Formaldehyd-Harz
in Granulatform verwendet werden, mit dem lösliche Verunreinigungen sowie
Lackierungs- und/oder Washprimerreste restlos von der zu reparierenden
Komponente entfernt werden. Im Gegensatz zu einer chemischen Entlackung
sind hierbei neben Aluminium keine Anteile von Sauerstoff, Zink,
Phosphor und Chrom nachzuweisen.
Vorzugsweise
werden verschlissene und/oder korrodierte Flächen soweit abgetragen, dass
keine Verschleiß-
und Korrosionsspuren mehr sichtbar sind. Für den Materialabtrag können mechanische
Bearbeitungsprozesse wie beispielsweise Fräsen, Drehen oder Bohren, Funkenerosion,
elektrochemische Verfahren oder Verdampfung angewendet werden. In
bevorzugter Weise erfolgt die Bearbeitung durch Span abhebende Prozesse
wie Drehen oder Fräsen
lokal nur im Bereich des jeweiligen Angriffs, besonders bevorzugt
erfolgt die Bearbeitung durch Schleifen. Wird das hier vorgeschlagene Verfahren
zur Reparatur eines Propellerblatts angewendet, so erfolgt der Materialabtrag
der verschlissenen und/oder korrodierten Flächen vorzugsweise bis zu einer
Tiefe von 0,1 bis 0,8 mm. Der Materialabtrag kann aber auch so erfolgen,
dass eine konstruktionsbedingte Mindestdicke an Restmaterial gewährleistet ist,
aber äußere Beschädigungen
sichtbar bleiben. Hierzu werden die verschlissenen und/oder korrodierten
Flächen
bis zu einer Tiefe von vorzugsweise 0,1 bis 0,5 mm abgetragen.
Das
infolge Verschleiß und
Bearbeitung abgetragene Material wird durch Kaltgasspritzen vorzugsweise
eines Werkstoffs gleicher oder ähnlicher Zusammensetzung
mit gleichen oder ähnlichen
chemischen, physikalischen und mechanischen Eigenschaften wieder
aufgetragen. Die Dicke der aufgespritzten Schicht erreicht dabei mindestens
einen Wert, der dem der größten Verschleißtiefe an
der jeweiligen Funktionsfläche
entspricht zuzüglich
eines Aufmaßes
für die
nachfolgende Bearbeitung. In bevorzugter Weise wird die Schicht
auf der gesamten Funktionsfläche
mit der gleichen Dicke aufgetragen. In besonders bevorzugter Ausführung wird
die Schichtdicke der lokal variierenden Verschleißtiefe angepasst.
Im
Gegensatz zu anderen beschichtungstechnischen Anwendungen ist bei
dynamisch beanspruchten Luftfahrtkomponenten aus Aluminiumlegierungen
eine Aktivierung der Bauteiloberfläche durch Korundstrahlen in
der Regel nicht zulässig,
da nicht ausgeschlossen werden kann, dass scharfkantige Korundpartikel
Schädigungen
in der Substratoberfläche
hervorrufen oder auch als Einschluss dort haften bleiben und so
als Keim für
eine spätere
Rissausbreitung wirken.
Im
Beschichtungsprozess werden die Pulverpartikel in einer Spritzpistole
kontinuierlich in ein komprimiertes und verbrennungsfrei erhitztes
Gas injiziert. Durch anschließende
Entspannung des Gas-/Partikelgemisches in einer de Laval'schen Düse erreicht
dieses – je
nach Gasart und Düsengeometrie – mitunter
mehrfache Schallgeschwindigkeit. Die Pulverpartikel erreichen ihrerseits
derart hohe Geschwindigkeiten, dass bereits die Umwandlung der kinetischen
Energie in Wärme
und Verformungsarbeit ausreicht, um im Moment des Aufpralls auf
das zu beschichtende Bauteil eine Haftung zu erwirken. Grundlage
dafür ist
ein plastisches Fließen
des Materials im Bereich der Partikel-Partikel/Partikel-Substrat-Grenzflächen als
Folge des Auftretens adiabater Scherinstabilitäten. Das Vorheizen des Gases
soll dessen Schallgeschwindigkeit und damit auch die Absolutgeschwindigkeit
der Gas/Partikel-Strömung erhöhen. Außerdem werden
die Partikel bereits während
des kurzen Aufenthaltes im heißen
Strömungsabschnitt
erwärmt,
wodurch sich wiederum ihre Verformungsfähigkeit beim Aufprall verbessert.
Die Gastemperatur am Ort der Injektion liegt aber in jedem Fall
unter der Schmelztemperatur des Beschichtungswerkstoffs, so dass
ein An- oder Aufschmelzen der Partikel in der Flugphase nicht stattfindet.
Nachteile wie Oxidation, thermisch aktivierte Phasenumwandlungen
oder Legierungsbildung, wie sie von anderen thermischen Spritzprozessen
bekannt sind, lassen sich beim Kaltgasspritzen fast vollständig vermeiden.
Im
Anschluss an das Beschichten wird die zu reparierende Komponente
vorzugsweise durch mechanische Bearbeitungsprozesse wie etwa Fräsen, Drehen
oder Bohren bearbeitet, um die ursprüngliche Geometrie wiederherzustellen.
In besonderer Ausführung
erfolgt die Bearbeitung durch Funkenerosion, elektrochemische Verfahren
oder Verdampfung.
Nachdem
die ursprüngliche
Bauteilgeometrie der beschichteten Komponente wiederhergestellt wurde,
können
die Funktionsflächen
der Komponente hinsichtlich ihrer Form und Oberflächenstruktur endbearbeitet
werden. Die Bearbeitung der Funktionsflächen kann insbesondere durch
Prozesse wie Schleifen, Honen, Läppen
und Polieren erfolgen, wodurch die Form und Funktion eines Neuteils
innerhalb der tolerierten Grenzen erreicht werden kann.
Beim
Schleifen oder Schmirgeln von Aluminium-Flächen kann es zum Eindrücken von
Aluminium-Partikeln in die Oberfläche kommen. Aus diesem Grund
ist die stetige Zufuhr von frischen Schleifzusatzstoffen bei gleichzeitiger
Abfuhr des abgetragenen Werkstoffs dringend notwendig. Gute Ergebnisse
wurden beispielsweise bei der Reparatur eines Propellerblattes dadurch
erzielt, dass mit einer Fieberscheibe und grober Körnung (z.B.
Körnung
40) mit einer handelsüblichen
Handschleifmaschine ein Vorschleifen erfolgte, bei welchem die spritzraue Oberfläche bis
zu 0,2 bis 0,6 mm geglättet
wurde. In bevorzugter Weise wurde hierbei bereits im zweiten Schritt
die Geometrie des Propellerblattes wiederhergestellt. Die Überprüfung hinsichtlich
Form und Geometrie erfolgte dabei über vorgegebene Formprofilschablonen.
Mittels Fächerschleifer
wurde die Oberfläche
unter Verwendung einer Körnung
von 150 und dann im Feinschliff durch Schwingschleifen mit einer Körnung zwischen
120 bis 240 auf 0,1 bis 0,2 mm geglättet. Nach der Fertigstellung
des Profils wurde die Oberfläche
mit handelsüblichen
Polierscheiben derart bearbeitet, dass eine spiegelnde Oberfläche entstand,
um so den Reibungswiderstand des Luftstroms auf ein Minimum zu begrenzen.
Das
Reparaturverfahren kann mit einer Versiegelung der bearbeiteten
Oberflächen
abgeschlossen werden, wobei hierzu die bearbeiteten Oberflächen lackiert,
eloxiert oder chromatiert werden können. Vor dem eloxalen Oberflächenschutz
sollte jedoch eine Rissprüfung
vorzugsweise nach ASTM E 1417-99 stattfinden, wobei sich hier Type
I (fluoreszierend), Methode A (wasserabwaschbar), Form a (Trockenpulver)
als besonders vorteilhaft erwiesen hat. Diese zerstörungsfreie
Prüfung
dient zum Nachweis von Unregelmäßigkeiten
wie Bindefehlern, Rissen, Überlappungen
und Poren.
Die
Verfahrensweise zur Erzeugung des anodischen Oberflächenschutzes
(Eloxal) richtet sich nach dem Werkstoff im speziellen Anwendungsfall. Durch
anodische Oxidation in Chrom- oder Schwefelsäure wird die Dicke der sich
unter atmosphärischen Bedingungen
ausbildenden Oxidhaut an Aluminiumbauteilen auf das 1000-fache gesteigert,
wodurch sich der Korrosionsschutz aber auch die Verschleißbeständigkeit
erheblich verbessern. Die Behandlung ist anwendbar bei einem Großteil der
handelsüblichen
Aluminiumlegierungen.
In
bevorzugter Weise wird die Oberflächenbehandlung in Chromsäure durchgeführt und
dabei eine Schicht von 1 bis 5 µm
Dicke erzeugt, die zwar dünner
ist als bei Verwendung von Schwefelssäure jedoch eine höhere Elastizität besitzt.
In besonders bevorzugter Weise wird eine Schichtdicke von 3 bis
4 µm eingestellt,
jedoch auf die anschließende
Verdichtung verzichtet, da auf unverdichteten Schichten eine bessere
Lackhaftung erzielt wird.
Bei
den vorstehend erläuterten
Reparaturverfahren ist zum Erreichen der geforderten mechanischen
Eigenschaften eine thermische Nachbehandlung des beschichteten Bauteils,
wie sie in der
US 6 905 728 dargelegt
ist, nicht nötig.
Obschon
das hier vorgeschlagene Verfahren vorstehend insbesondere in Verbindung
mit der Reparatur von Propellerblättern oder Fahrwerkskomponenten
beschrieben wurde, versteht sich, dass dieses Verfahren sich selbstverständlich auch
zur Reparatur anderer dynamisch stark beanspruchter Bauteile von
Luftfahrzeugen anwenden lässt.