-
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 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.
-
Gemäß der
EP 253 754 B1 ist
es bekannt, zur Beschichtung von Bauteilen mit Löchern Stopfen zu verwenden,
die jeweils aus einem kugelförmigen Kopf
und einem daran anschließenden
Hals bestehen. Mit dem Hals können
diese Stopfen beispielsweise in die Kühlluftbohrungen einer zu beschichtenden
Turbinenschaufel eingeführt
werden, während der
Kopf an der Oberfläche
des zu beschichtenden Bauteiles verbleibt. Daher wird ein Teil des
Kopfes in der sich ausbildenden Schicht abgebildet.
-
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 den beim Beschichten
herrschenden Temperaturen eine Gasentwicklung hervorgerufen wird.
-
Gemäß einer
vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das
Maskenmaterial ein Polymer enthält,
welches sich unter den beim Beschichten herrschenden Temperaturen
thermisch zersetzt, wodurch die Gasentwicklung hervorge rufen wird.
Polymere eignen sich vorteilhaft besonders gut, um ein thermisch
zersetzbares Maskenmaterial zu erzeugen, da Polymere einer Materialklasse
mit nur begrenzter thermischer Stabilität angehören. Die meisten Beschichtungsverfahren
arbeiten bei Temperaturen, die die thermische Stabilität von Polymeren übersteigen,
so dass diese thermisch zersetzt werden. Die dabei einhergehende
Gasentwicklung, die aus gasförmigen
Zersetzungsprodukten des Polymers besteht, verhindert dabei den
Schichtentstehungsprozess im Bereich der nicht zu beschichtenden
Löcher.
Welche Polymere sich für
ein konkretes Beschichtungsverfahren eignen, ist unter Berücksichtigung
der Geometrie des betreffenden zu beschichtenden Bauteils im jeweiligen
Anwendungsfall zu prüfen.
Die Zersetzungstemperaturen des Polymers müssen in geeigneter Weise an
die bei dem ausgewählten
Beschichtungsverfahren herrschenden Temperaturen angepasst sein.
Eine Zersetzung soll gerade soviel Ausgasungen aus der Maskierung bewirken,
dass eine Beschichtung wirksam verhindert wird. Andererseits darf
die Zersetzung nicht so schnell fortschreiten, dass die Maskierung
vor Beendigung des Beschichtungsverfahrens bereits vollständig aufgelöst wird.
Vielmehr ist ein lediglich geringer Abtrag zu bevorzugen, damit
die Wände
der Löcher
während
des gesamten Beschichtungsverfahrens von der Maskierung bedeckt
bleiben.
-
Gemäß einer
weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Polymer
in eine poröse
Matrix des Maskenmaterials eingebaut ist. Hierdurch wird vorteilhaft
erreicht, dass bei einer Ausgabe des Polymers die Struktur der Maskierung
geometrisch nur wenig verändert
wird. Die Porosität
des Maskenmaterials gewährleistet
weiter, dass auch im Inneren der Maskierung entstehende Gasmoleküle durch
die Poren an die Oberfläche
der Maskierung gelangen können,
wodurch die Gasentwicklung zur Verhinderung der Beschichtung des
porösen
Körpers des
Maskenmaterials gewährleistet
ist. Gleichzeitig verhindern die Polymeranteile in den Poren auf
der Seite zum Lochinneren des Maskenpfropfens, dass die Gasentwicklung
in Richtung der zu beschichtenden Oberfläche aus dem porösen Grundmaterial austritt.
Die Verwendung eines porösen
Grundmaterials hat weiterhin den Vorteil, dass eine Entfernung des
Maskenmaterials nach erfolgter Beschichtung erleichtert wird.
-
Gemäß einer
besonderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass als
Maskenmaterial die Vorstufen einer Polymerke ramik verwendet werden,
wobei die beim Beschichten herrschenden Temperaturen hoch genug
sind, dass eine Polymerisation der Vorstufen erfolgt, jedoch zu
gering sind, um eine Pyrolyse der Vorstufen auszulösen. Bei
Polymerkeramiken handelt es sich um eine noch junge Stoffklasse,
die aus Vorstufen (Precursoren) gebildet werden, die der Stoffklasse
der Polymere angehören. Diese
Vorstufen enthalten, anders als Kunststoffe auf Kohlenstoffbasis,
jedoch eine Polymerkette aus einer Abfolge von Silizium und Stickstoff
bzw. Silizium und Kohlenstoff oder auch Silizium, Kohlenstoff und Stickstoff.
Durch Energiezufuhr können
diese oligomeren Vorstufen zunächst
vernetzt werden, was als so genanntes Cross-Linking oder als Polymerisation bezeichnet
wird. Hierbei entsteht ein Grünkörper des keramischen
Bauteils, welcher in einer anschließenden Pyrolyse bei Temperaturen
um 1200°C
in einen keramischen Körper
aus Siliziumcarbid, Siliziumnitrid oder Siliziumcarbonitrid (je
nach verwendeter Vorstufe) umgewandelt wird.
-
Die
Wahl von Polymerkeramiken für
das Maskenmaterial hat zunächst
den großen
Vorteil, dass diese sich wie Kunststoffe verarbeiten lassen und
daher einfach als Pfropfen einer Maskierung in die Löcher eingebracht
werden können.
Die Polymerkeramik muss so ausgewählt werden, dass die Polymerisation
der Vorstufen während
des Beschichtungsvorganges in Gang gesetzt wird. Hierdurch wird der
Pfropfen der Maskierung in einen Grünkörper der Polymerkeramik umgewandelt,
der die Aufgabe der Maskierung der Innenwände des zu maskierenden Loches
weiterhin erfüllt.
Während
der Polymerisation entstehen weiterhin Ausgasungen aufgrund der
Umwandlung, wobei die Gasmoleküle
in der bereits beschriebenen Weise eine Beschichtung der Maskierung
im Bereich der Löcher
verhindert. Durch eine anschließende
Pyrolyse des Maskenmaterials kann dieses aufgrund der damit verbundenen
Schrumpfung des entstehenden Keramikkörpers leicht aus dem Loch entfernt
werden. Alternativ ist es möglich, die
Maskierung beispielsweise mittels eines geeigneten Lösungsmittels
aufzulösen.
-
Es
ist weiterhin vorteilhaft, wenn den Vorstufen der Polymerkeramik
ein weiteres Polymer zugesetzt wird, bei dem unter den beim Beschichten
herrschenden Temperaturen eine stärkere Gasentwicklung hervorgerufen
wird als bei den Vorstufen. Hierdurch ist es möglich, die Gasentwicklung zu
vergrößern. Gleichzeitig
bewirkt die Anwesenheit von Polymerketten, dass der durch die Polymerisation
der Vorstufen erzeugte Grünkörper eine
höhere
Porosität aufweist
und daher einfacher wieder aus dem Loch zu entfernen ist. Durch
Wahl eines geeigneten Polymers kann außerdem der Temperaturbereich,
in dem eine Ausgasung im Maskenmaterial beginnt, zu niedrigeren
Temperaturen hin verschoben werden.
-
Besonders
vorteilhaft ist es, wenn als Beschichtungsverfahren ein Kaltgasspritzverfahren
verwendet wird. Dieses Verfahren ist mit Arbeitstemperaturen zwischen
200 und 600°C
in besonderer Weise für
die Verwendung von Polymeren als ausgasende Stoffe geeignet. Besonders
vorteilhaft ist es, die Arbeitstemperaturen des Kaltgasspritzverfahrens und
den Temperaturbereich der hauptsächlichen Gasentwicklung
des Maskenmaterials so aufeinander abzustimmen, dass eine Gasentwicklung
nur hervorgerufen wird, wenn das Maskenmaterial durch das Auftreffen
des Kaltgasstrahls erwärmt
wird. Als die beim Beschichten herrschende Temperatur, die eine
Gasentwicklung im Maskenmaterial hervorruft, wird dann die Temperatur
verstanden, die durch das Auftreffen des Kaltgasstrahls auf das
Maskenmaterial erreicht wird. Die beträchtliche kinetische Energie der
Partikel im Kaltgasstrahl wird beim Auftreffen nämlich teilweise in thermische
Energie umgesetzt, so dass der Auftreffpunkt des Kaltgasstrahls
auf dem zu beschichtenden Substrat (bzw. der nicht zu beschichtenden
Maskierung) wärmer wird
als die in der Kaltspritzvorrichtung herrschende Temperatur.
-
Durch
die beschriebene Abstimmung der Gasentwicklung beim Auftreffen des
Kaltgasstrahls wird vorteilhaft erreicht, dass eine Gasentwicklung nur
erfolgt, wenn dies zur Verhinderung des Haftenbleibens von Partikeln
aus dem Kaltgasstrahl auf der Maskierung überhaupt notwendig ist. Solange
der Kaltgasstrahl auf Bereiche des zu beschichtenden Bauteils gerichtet
ist, die auch beschichtet werden sollen, wird eine Gasentwicklung
des Maskenmaterials nicht oder nur in sehr schwachem Maße erzeugt. Dies
hat insbesondere den Vorteil, dass die Gasentwicklung insgesamt
klein gehalten werden kann, wodurch die Wahrscheinlichkeit einer
Verunreinigung der in Bildung befindlichen Schicht durch die Gasmoleküle verringert
wird.
-
Gemäß einer
speziellen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das
Maskenmaterial durch Erhitzung aus den Löchern entfernt wird. Hierbei
wird die 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, jedoch stärker als beim Beschichten thermisch
beansprucht. Insbesondere bei Turbinenschaufeln ist nach erfolgter
Beschichtung ohnehin eine Wärmebehandlung üblich, welche
gleichzeitig zu einer im Vergleich zum Beschich ten beschleunigten
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 vorteilhafter Weise eine mechanische
Instabilität
des Maskenmaterials 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
des beispielsweise des Kaltgasspritzens, um die Reste der Maskierung
effizient entfernen zu können.
-
Weitere
Einzelheiten der Erfindung sind im Folgenden anhand der Zeichnung
beschrieben, wobei gleiche oder sich entsprechende 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 4 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 besteht aus
einem thermisch leicht zersetzbaren Material, beispielsweise einem Polymer
und weiterhin aus Vorstufen (auch Precursoren genannt) einer Polymerkeramik.
-
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 das Polymermaterial unter dem Beschuss
des Partikelstrahls verdampft (Verdampfungsprodukt 16)
und dadurch verhindert, dass eine Beschichtung im Bereich des Loches
abgeschieden wird. 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.
Allerdings ist die Energie hoch genug, um den porösen, pfropfenartigen
Körper
der Maskierung zu zerstören. Dieser
weist insbesondere aufgrund der bereits ausgegasten Polymerbestandteile
eine geringe mechanische Stabilität auf. Diese muss lediglich
ausreichen, um der mechanischen Beanspruchung des Kaltgasstrahls
standzuhalten. Damit ist weiterhin der Energieeintrag des Ultraschallkopfes 20 so
zu bemessen, dass die mechanische Zerstörung der Maskierung gewährleistet
ist.
-
Gemäß 4 ist
ein Verfahren zur Entfernung der Maskierung dargestellt, wie sie
sich insbesondere für
Turbinenschaufeln mit Bohrungen eignet. Diese werden nämlich anschließend an
das Beschichten einer Wärmebehandlung
unterzogen, deren Temperaturbereich um 1000°C geeignet ist, die Vorstufen
einer Polymerkeramik des Maskenmaterials einer Pyrolyse zu unterziehen.
Damit entsteht aus der Maskierung ein Keramikkörper 21, der aufgrund der
mit der Pyrolysereaktion verbundenen Schrumpfung geringere Abmessungen
aufweist, als das Loch 13. Eine Entfernung des keramischen
Körpers 21 nach
erfolgter Wärmebehandlung
ist daher ohne große
Probleme möglich.