DE102006029070B3

DE102006029070B3 - Verfahren zum Beschichten eines Bauteils, in dessen Oberfläche Löcher vorgesehen sind

Info

Publication number: DE102006029070B3
Application number: DE102006029070A
Authority: DE
Inventors: Rene Jabado; Jens Dahl Dr. Jensen; Ursus Dr. Krüger; Daniel Körtvelyessy; Volkmar Dr. Lüthen; Ralph Reiche; Michael Rindler; Raymond Ullrich
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2006-06-16
Filing date: 2006-06-16
Publication date: 2007-08-23
Anticipated expiration: 2026-06-17
Also published as: WO2007144374A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Beschichten eines Bauteils (11), welches in der zu beschichtenden Oberfläche (12) nicht zu beschichtende Löcher (13) aufweist. Die nicht zu beschichtenden Löcher werden während des Beschichtens mit einem Maskenmaterial (15) ausgefüllt, welches eine Beschichtung der Lochwände (14) verhindert. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Maskenmaterial (15) mechanisch instabil ist, insbesondere Lamellen (16) aufweist, so dass vorteilhaft während der Beschichtung mittels eines Partikelstrahls (17) eine Delamination des Maskenmaterials (15) eine Beschichtung im Bereich der Löcher verhindert. Daher kann nach erfolgter Erzeugung der Schicht (18) ein einfaches Entfernen des Maskenmaterials (15) beispielsweise mittels Ultraschall erfolgen, ohne dass an den Rändern der Löcher (13) die Schicht (18) in Mitleidenschaft gezogen wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Beschichten eines Bauteils, welches in der zu beschichtenden Oberfläche nicht zu beschichtende Löcher aufweist, wobei vor dem Beschichten die Löcher mit einem Maskenmaterial derart ausgefüllt werden, dass das Maskenmaterial an den Lochrändern bis zur zu beschichtenden Oberfläche reicht, das Beschichten des Bauteils mit einem Partikelstrahl aus die Beschichtung bildenden Partikeln durchgeführt wird und danach das Maskenmaterial aus den Löchern entfernt wird.

Ein Verfahren der eingangs angegebenen Art ist beispielsweise aus der EP 1 365 039 A1 bekannt. Danach ist vorgesehen, dass für ein Beschichten von Turbinenschaufeln, die mit Kühlluftbohrungen in der zu beschichtenden Oberfläche versehen sind, vor dem Beschichten eine Maskierung erfolgen soll. Die Maske soll lediglich die Kühlluftbohrungen selbst abdecken, da deren Wandungen nicht beschichtet werden sollen. Zu diesem Zweck wird in die Kühlluftbohrungen ein Material, z. B. ein Polymer oder auch Silikon, eingebracht, wobei das Maskenmaterial bis zum Rand der Löcher, also bis zur zu beschichtenden Oberfläche der Turbinenschaufel reicht. Das Polymermaterial wird nach dem Einbringen in die Kühlluftbohrungen ausgehärtet. Danach erfolgt ein Beschichten der Oberfläche der Turbinenschaufeln, wobei die Wandungen der Kühlluftbohrungen aufgrund der Maskierung für das Beschichtungsmaterial (beispielsweise MCrAlY) unerreichbar sind. Nach erfolgter Beschichtung kann das Maskenmaterial aufgrund seiner Materialeigenschaften leicht wieder entfernt werden, wobei auch evtl. auf dem Maskenmaterial ausgebildete Schichtbestandteile entfernt werden.

Weiterhin ist es aus dem Abstract zur JP 2001-349201 A bekannt, die Kühlluftbohrungen von Turbinenschaufeln zum Zwecke der Beschichtung mit einer thermischen Schutzschicht (auch Thermal Barrier Coating, kurz TBC genannt) mit einer Maske zu verschließen und diese entsprechend der bereits erläuterten Weise nach erfolgter Beschichtung durch Zerstörung des Maskenmaterials wieder zu öffnen.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zum Beschichten von Bauteilen mit nicht zu beschichtenden Löchern in dessen Oberfläche anzugeben, mit dem eine Beschichtung unter Verschluss der Löcher mittels eines Maskenmaterials vergleichsweise einfach erfolgen kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit dem eingangs beschriebenen Verfahren dadurch gelöst, dass als Maskenmaterial ein Material verwendet wird, bei dem unter der mechanischen Beanspruchung des Partikelstrahls ein Abtrag des Maskenmaterials hervorgerufen wird. Das erfindungsgemäße Verfahren setzt also voraus, dass ein Beschichtungsverfahren verwendet wird, welches die Beschichtung durch Beaufschlagung der zu beschichtenden Oberfläche mit einem Partikelstrahl erzeugt. Voraussetzung dafür, dass sich das Maskenmaterial mit dem Partikelstrahl des Beschichtungsverfahrens abtragen lässt, ist, dass das Material eine auf das Verfahren abgestimmte mechanische Instabilität aufweist.

Der erfindungsgemäße Abtrag des Maskenmaterials beim Beschichten hat den Vorteil, dass während des Beschichtens die in Bildung befindliche Schicht nur auf denjenigen Oberflächenbereichen des zu beschichtenden Bauteils aufwächst, die außerhalb der Löcher liegen. Das Maskenmaterial selbst wird nicht mitbeschichtet, da die mechanische Instabilität des Maskenmaterials zu einem ständigen Abtrag desselben während des Beschichtungsvorganges führt. Dadurch wird vorteilhaft die Entfernung des Maskenmaterials nach erfolgter Beschichtung wesentlich vereinfacht, da das Schichtmaterial auf dem mechanisch instabilen Maskenmaterial nicht aufgewachsen kann und so das Maskenmaterial im Bereich der Löcher nicht zusätzlich stabilisiert wird. Beim Entfernen des Maskenmaterials aus den Löchern kommt die mechanische Instabilität desselben einer einfachen Entfernung vorteilhaft zusätzlich zu gute. Damit lässt sich mit dem erfindungsgemäßen Maskenmaterial eine vereinfachte Beschichtung eines mit nicht zu beschichtenden Löchern versehenen Bauteils erreichen. Gleichzeitig lässt sich die Qualität des Beschichtungsergebnisses vorteilhaft verbessern, da der Übergang zwischen der beschichteten Oberfläche des Bauteils und den Lochrändern quasi während der Beschichtung wächst und nicht erst durch Entfernen von Schichtteilen auf dem Maskenmaterial erzeugt werden muss.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Maskenmaterial laminare Gefügebereiche enthält, welche unter der mechanischen Beanspruchung des Partikelstrahls delaminiert werden. Die laminare Gefügestruktur des Maskenmaterials bildet vorteilhaft eine besonders günstige Form der mechanischen Instabilität des Maskenmaterials, da die Lamellen sich leicht von dem Maskenmaterial abheben können. Gleichzeitig wird durch das Delaminieren jeweils nur ein sehr geringer Dickenbetrag der Maskierung abgetragen, so dass das Maskenmaterial in den Löchern vorteilhaft nur mit einer sehr geringen Abtragungsrate abgetragen wird. Dadurch kann das Maskenmaterial in den Löchern während des gesamten Beschichtungsvorganges auch bei Erzeugung größerer Schichtdicken die Löcher wirksam maskieren.

Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die laminaren Gefügebereiche in eine metallische Matrix eingebettet sind. Hierdurch lässt sich eine höhere Stabilität verglichen zu einem rein laminaren Aufbau des Maskenmaterials erreichen, wodurch eine Anpassung der mechanischen Stabilität des Maskenmaterials an den verwendeten Beschichtungsprozess erfolgen kann. Der Anteil von metallischen Gefügebereichen und laminaren Gefügebereichen kann beispielsweise durch Einstellung der Legierungszusammensetzung bestimmter Legierungselemente (hierzu im Folgenden mehr) eingestellt werden.

Die laminaren Gefügebereiche können beispielsweise aus Graphit, Molybdänensulfid oder Wolframsulfid oder Mischungen dieser Materialien gebildet werden. Diese Materialien bilden von sich aus laminare Gefügestrukturen aus. Weiterhin können diese Materialien zur Legierungsbildung mit anderen Metallen herangezogen werden, wobei unter der Voraussetzung, dass diese mit einem genügend hohen Legierungsanteil in dem entsprechenden Metall (beispielsweise Eisen) vorgesehen werden, laminare Gefügebereiche in der metallischen Matrix ausbilden. Durch Varialtion der Legierungsanteile ist eine genaue Einstellung der mechanischen Stabilität des Maskenmaterials möglich.

Gemäß einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die laminaren Gefügebereiche nur in den oberflächennahen Bereichen des Maskenmaterials vorgesehen sind. Dies kann dadurch erreicht werden, dass entweder unterschiedliche Materialien zur Maskierung in den Löchern verwendet werden, wobei sich nur in dem oberflächennahen Material (mit Oberfläche ist die Oberfläche des Bauteils gemeint, die beschichtet werden soll) eine lamellenartige Struktur ausbildet. Weiterhin kann eine von der Lochtiefe abhängige Gradientenvertei lung der Lamellen mit einer zur Oberfläche hin zunehmenden Konzentration des Lamellen bildenden Werkstoffes gewählt werden.

Die Anordnung der Lamellenstruktur vorrangig im oberflächennahen Bereich der Maskierung hat den Vorteil, dass einerseits in dem dem Partikelstrahl ausgesetzten Bereich der Maskierung eine hohe Abtragungsrate erzeugt werden kann und andererseits die Maskierung als Gesamtheit eine genügende Stabilität aufweisen kann, um der mechanischen Beanspruchung des Partikelstrahls insgesamt standzuhalten und nicht vollständig zu kollabieren. Dies wird dadurch erreicht, dass die oberflächenferneren Bereiche der Maskierung eine mechanische Unterstützung für die Bereiche mit stark laminaren Aufbau gewährleisten. Hierdurch können vorteilhaft auch größere Löcher mit der Maskierung überbrückt werden.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn als Beschichtungsverfahren ein Kaltgasspritzverfahren verwendet wird. Im Vergleich zu thermischen Spritzverfahren, die ebenfalls einen Partikelstrahl zur Verfügung stellen (beispielsweise Plasmaspritzen oder Hochgeschwindigkeitsflammstrahlen), besitzt der Partikelstrahl des Kaltgasspritzverfahrens eine höhere kinetische Energie, so dass durch diesen auch eine stärkere thermische Beanspruchung des Maskenmaterials erreicht werden kann. Gleichzeitig ist die thermische Belastung beim Beschichten verringert, so dass verhindert werden kann, dass die laminare Struktur der Maskierung durch eine übermäßige thermische Beanspruchung aufgeschmolzen wird und sich das Gefüge nachteilhaft verfestigt. Gleichzeitig lassen sich vorteilhaft mit dem Kaltgasspritzen hohe Depositionsraten für die zu erzeugende Schicht realisieren.

Gemäß einer speziellen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Maskenmaterial durch Erhitzung aus den Löchern entfernt wird. Hierbei wird eine Begrenztheit der thermischen Belastbarkeit des Maskenmaterials ausgenutzt, welche sich bei bestimmten Temperaturen beispielsweise thermisch zersetzt und anschließend leicht aus den Löchern entfernt werden kann. Insbesondere beim Kaltgasspritzen ist dies auf einfache Weise möglich, da die thermische Beanspruchung während des Beschichtens gering gehalten werden kann und so ein Material verwendet werden kann, welches leicht thermisch zersetzt wird, ohne dass das beschichtete Bauteil übermäßig stark erwärmt werden muss. Das Bauteil wird daher vorteilhaft nach erfolgter Beschichtung ebenso wie während der Beschichtung nur gering thermisch beansprucht. Insbesondere bei Turbinenschaufeln ist nach erfolgter Beschichtung ohnehin eine Wärmebehandlung üblich, welche gleichzeitig zu einer Zersetzung des Maskenmaterials in den Löchern führt.

Gemäß einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Maskenmaterial durch mechanische Einwirkung, insbesondere Ultraschall, aus den Löchern entfernt wird. Hier kann in besonders vorteilhafter Weise die mechanische Instabilität des Maskenmaterials auch dazu verwendet werden, um das Maskenmaterial zu zerstören und anschließend auf einfache Weise aus den Löchern entfernen zu können. Die mechanische Beanspruchung wird so gewählt, dass das beschichtete Bauteil unter dieser nicht leidet. Sie muss allerdings einen höheren Betrag aufweisen als die mechanische Beanspruchung durch den Partikelstrahl, um die Reste der Maskierung im Vergleich zu dem Behandlungsverfahren beim Beschichten effizienter entfernen zu können.

Weitere Einzelheiten der Erfindung sind im Folgenden anhand der Zeichnung beschrieben, wobei gleiche oder sich entspre chende Zeichnungselemente mit jeweils den gleichen Bezugszeichen versehen sind und nur insoweit mehrfach erläutert werden, wie sich Unterschiede zwischen den einzelnen Figuren ergeben. Es zeigen
1 bis 3 ausgewählte Verfahrensschritte eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Gemäß 1 ist ein Bauteil 11 im Schnitt als Ausschnitt dargestellt. Dieses weist eine zu beschichtende Oberfläche 12 auf, die durch ein Loch 13 durchbrochen wird. Die Wand 14 des Loches soll nicht beschichtet werden.
Bei dem Bauteil kann es sich beispielsweise um eine zu beschichtende Turbinenschaufel handeln. Diese ist insgesamt hohl ausgeführt, wobei im hohlen Inneren der Turbinenschaufel Kühlluft zugeführt werden kann. Diese entweicht im Betrieb durch Kühlluftbohrungen, die durch die dargestellten Löcher 14 gebildet sind.
Vor dem Beschichten des Bauteils 11 wird das Loch 13 mit einem Maskenmaterial 15 ausgefüllt, so dass dieses ähnlich einem Pfropfen im Loch sitzt. Das Maskenmaterial 15 weist insbesondere im oberflächennahen Bereich Lamellen 16 auf, die beispielsweise aus Graphit gebildet sein können und in eine metallische Matrix eingebettet sein können oder auch mittels eines Bindemittels, beispielsweise einem Polymer gebunden sein können. Ansonsten bildet Graphit auch ohne weitere Zusatzstoffe eine laminare Struktur aus, welche durch Wechselwirkungen zwischen den einzelnen Lamellen zusammenhält. Je nach Verwendung von Bindemitteln oder einer metallischen Matrix kann das Maskenmaterial mit einer unterschiedlichen me chanischen Stabilität, d. h. unterschiedlich starken Delaminierungseigenschaften hergestellt werden.
In 2 ist dargestellt, wie ein Partikelstrahl 17 zur Beschichtung des Bauteils 11 verwendet wird. Dabei entsteht auf der zu beschichtenden Oberfläche 12 eine Schicht 18, beispielsweise aus einem MCrAlY-Material oder eine thermische Schutzschicht auf dem Bauteil 11. In 2 ist eine Phase des Beschichtungsvorganges dargestellt, in der der Partikelstrahl 17 gerade auf das Maskenmaterial 15 auftrifft, welches das Loch 13 ausfüllt. Es ist schematisch dargestellt, wie die Lamellen 16 zwar kurzfristig mit Beschichtungsmaterial aus dem Partikelstrahl beschichtet werden, jedoch die mechanische Belastung des Partikelstrahls bzw. die thermische Ausdehnung aufgrund der Beaufschlagung des Maskenmaterials mit dem Partikelstrahl bewirkt, dass Lamellen aus dem Verbund des Maskenmaterials herausgelöst werden. Die in Bildung befindliche Schicht auf dem Maskenmaterial wird zusammen mit den Lamellen daher immer wieder abgesprengt. Dabei wird ein Teil des Maskenmaterials verbraucht, so dass im Vergleich zu 1 die Dicke des die Maskierung bildenden Pfropfens bereits abgenommen hat.
Gemäß 3 ist ein Stadium des Verfahrens dargestellt, in dem der Beschichtungsvorgang aufgrund einer genügenden Dicke der Schicht 18 bereits beendet wurde. Die Reste der Maskierung werden nun mit Hilfe von Ultraschallwellen 19 entfernt. Die Energie des Ultraschalls reicht nicht aus, um das Bauteil 11 oder die Schicht 18 zu beschädigen. Die Lamellen des Maskenmaterials 15 werden allerdings delaminiert, so dass sich die Maskierung gemäß 3 zusehends auflöst.

Claims

Verfahren zum Beschichten eines Bauteils (11), welches in der zu beschichtenden Oberfläche (12) nicht zu beschichtende Löcher (13) aufweist, wobei – vor dem Beschichten die Löcher (13) mit einem Maskenmaterial (15) derart ausgefüllt werden, dass das Maskenmaterial (15) an den Lochrändern bis zur zu beschichtenden Oberfläche reicht, – das Beschichten des Bauteils (11) mit einem Partikelstrahl (17) aus die Beschichtung bildenden Partikeln durchgeführt wird und – danach das Maskenmaterial (15) aus den Löchern (13) entfernt wird dadurch gekennzeichnet, dass als Maskenmaterial (15) ein Material verwendet wird, bei dem unter der mechanischen Beanspruchung des Partikelstrahls (17) ein Abtrag des Maskenmaterials (15) hervorgerufen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Maskenmaterial (15) laminare Gefügebereiche enthält, welche unter der mechanischen Beanspruchung des Partikelstrahls (17) delaminiert werden.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die laminaren Gefügebereiche in eine metallische Matrix eingebettet sind.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die laminaren Gefügebereiche aus Graphit, Molybdänsulfid oder Wolframsulfid oder Mischungen dieser Materialien gebildet sind.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die laminaren Gefügebereiche nur in den oberflächennahen Bereichen des Maskenmaterials vorgesehen sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Beschichtungsverfahren ein Kaltgasspritzverfahren verwendet wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Maskenmaterial durch Erhitzung aus den Löchern entfernt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Maskenmaterial durch mechanische Einwirkung, insbesondere Ultraschall aus den Löchern entfernt wird.