DE102007001477B3

DE102007001477B3 - Verfahren und Vorrichtung zum Kaltgasspritzen von Partikeln unterschiedlicher Festigkeit und/oder Duktilität

Info

Publication number: DE102007001477B3
Application number: DE102007001477A
Authority: DE
Inventors: Axel Arndt; Uwe Pyritz; Heike Dipl.-Ing. Schiewe; Raymond Dipl.-Ing. Ullrich
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2007-01-09
Filing date: 2007-01-09
Publication date: 2008-01-31
Anticipated expiration: 2027-01-10
Also published as: CN101605922B; PT2108051E; ES2463484T3; CN101605922A; CA2674762A1; WO2008084025A2; RU2457280C2; EP2108051A2; RU2009130335A; US20100040775A1; CA2674762C; EP2108051B1; US8197895B2; WO2008084025A3

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kaltgasspritzen von Partikeln mit unterschiedlich hoher Festigkeit und/oder Duktilität sowie eine Vorrichtung (11) zum Kaltgasspritzen, die für dieses Verfahren geeignet ist. Um einen vergleichsweise hohen Anteil an Partikeln (23) mit der verglichen mit den anderen Partikeln (22) höheren Festigkeit und/oder geringeren Duktilität zu erreichen, wird erfindungsgemäß vorgesehen, dass diese Partikel in einem Bereich (21) der Stagnationskammer (15) der Kaltspritzeinrichtung eingespeist werden, der weit von der Düse (14) entfernt ist. Daher müssen die Partikel (23) vorteilhaft einen weiteren Weg durch die Stagnationskammer zurücklegen und werden daher vorgewärmt. Hierdurch lässt sich eine Abscheidung dieser Partikel (23) auf einem Substrat (25) verbessern. Insbesondere können Metalle mit einer Übergangstemperatur zwischen sprödem und duktilem Verhalten durch die Vorwärmung mit duktilen Eigenschaften ausgestattet werden, was deren Abscheidung vereinfacht.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kaltgasspritzen, bei dem Partikel einer ersten Art zusammen mit Partikeln einer zweiten Art in eine Stagnationskammer eingespeist werden und zusammen mit einem Trägergas durch eine der Stagnationskammern nachgeschaltete Düse auf ein zu beschichtendes Substrat beschleunigt werden. Dabei verformen sich die Partikel der ersten Art und bleiben unter Ausbildung einer Schicht haften, wobei die Partikel der zweiten Art, die eine höhere Festigkeit und/oder eine geringere Duktilität als die Partikel der ersten Art aufweisen, in die Schicht eingebaut werden.
Das eingangs genannte Verfahren ist beispielsweise aus der US 2003/0126800 A1 bekannt. Gemäß diesem Verfahren werden durch Kaltgasspritzen Partikel eines Hartstoffes zusammen mit Partikeln eines metallischen Werkstoffes auf der Oberfläche von Turbinenschaufeln abgeschieden. Dabei wird ein Anteil von 15 bis 20 % der Hartstoffpartikel in die sich beim Kaltgasspritzen ausbildende Matrix des metallischen Matrixwerkstoffes eingebettet. Die Hartstoffpartikel bleiben aufgrund ihrer hohen Festigkeit und geringen Duktilität in der Matrix unverändert. Hierdurch lässt sich auch die Tatsache erklären, dass die Einbaurate von Hartstoffen mit Anteilen von mehr als 20 % nicht möglich ist. Die Hartstoffpartikel bleiben nämlich nicht selbstständig auf der Oberfläche des zu beschichtenden Substrates haften, da hierzu der kinetische Energieeintrag des Kaltgasspritzens nicht ausreicht und die Partikel keine genügende Duktilität aufweisen. Vielmehr werden die Partikel des Hartstoffes in die gerade sich ausbildende Matrix des metallischen Werkstoffes mit eingebaut, so dass die Haftung in direkt durch die Komponente mit der geringeren Festigkeit bzw. höheren Duktilität gewährleistet wird.
Die Aufgabe der Erfindung liegt darin, ein Verfahren zum Kaltgasspritzen anzugeben, mit dem sich bei der Verwendung von Partikeln unterschiedlicher Art diejenigen Partikel mit der höheren Festigkeit und/oder der geringen Duktilität mit einem vergleichsweise hohen Schichtanteil in die Schicht einbringen lassen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Partikel der ersten Art in einem ersten Bereich der Stagnationskammer eingespeist werden, der näher an der Düse liegt, als ein zweiter Bereich, in dem die Partikel der zweiten Art eingespeist werden. Hierdurch wird vorteilhaft erreicht, dass die Partikel der zweiten Art, die aufgrund der höheren Festigkeit und/oder der geringeren Duktilität problematisch hinsichtlich einer Abscheidung in hohen Raten sind, einen stärkeren Energieeintrag in der Stagnationskammer erfahren. Dieser Energieeintrag wird vorrangig durch das vorgeheizte Trägergas des Kaltgasstrahls bewirkt. Zwischen den Molekülen des Trägergases und den in der Stagnationskammer befindlichen Partikeln findet nämlich ein Temperaturausgleich statt. Dieser fällt um so stärker aus, je länger die Partikel in der Stagnationskammer verbleiben. Da der zweite Bereich, in dem die Partikel der zweiten Art eingespeist werden, in Flussrichtung des Trägergases weiter von der Düse entfernt ist, ist der Energieeintrag in die Partikel der zweiten Art größer. Dadurch verbessern sich vorteilhaft die Voraussetzungen für eine Abscheidung der Partikel der zweiten Art.
Die zusätzliche Erwärmung der festeren bzw. weniger duktilen Partikel kann, wie sich gezeigt hat, den Beschichtungsprozess auf unterschiedliche Weise beeinflussen. Gemäß einer Ausges taltung der Erfindung können die Partikel der zweiten Art aus einem spröden Werkstoff, insbesondere aus einem keramischen Werkstoff, hergestellt werden. Als keramischer Werkstoff kommt insbesondere Wolframcarbid in Frage, wobei dieser bevorzugt auf der Schaufel eines Verdichters oder eine Turbine abgeschieden werden kann, um deren Standzeit zu erhöhen.
Die zusätzliche Erwärmung von spröden Werkstoffen in der Stagnationskammer ändert deren Eigenschaften grundsätzlich nicht. Dennoch hat es sich gezeigt, dass die erwärmten Partikel höhere Einbauraten in eine duktile Matrix erlauben. Dies wird damit erklärt, dass die Partikel der zweiten Art als thermische Energiespeicher zum Einsatz kommen, wobei diese thermische Energie im Augenblick des Einbaus der spröden Partikel in die duktile Matrix das Zusammenspiel zwischen den Partikeln der ersten und zweiten Art verbessert. Der in die spröden Partikel eingebrachte Energiebeitrag wird insofern indirekt dem Schichtaufbau mit den duktilen Partikeln zur Verfügung gestellt.
Gemäß einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Partikel der zweiten Art aus einem Metall oder einer Metalllegierung hergestellt werden, welches/welche oberhalb einer Übergangstemperatur duktil und unterhalb dieser Temperatur spröde ist, wobei die Partikel der zweiten Art in der Stagnationskammer so weit erwärmt werden, dass diese sich duktil verhalten. Gelingt es, durch eine Vorwärmung der Partikel der zweiten Art zu bewirken, dass diese ebenfalls duktil werden, so ist vorteilhaft eine Abscheidung dieser Partikel möglich, ohne dass diese in eine Matrix eines anderen Werkstoffes eingebaut werden müssten. Hierdurch ergibt sich vorteilhaft, dass der Anteil des an sich spröden Materials beliebig gesteigert werden kann, da eine diese Partikel umschließende Matrix des anderen Schichtbestandteils nicht mehr notwendig ist. Dies führt vorteilhaft dazu, dass mit dem Kaltgasspritzen eine stärkere Bandbreite von Legierungszusammensetzungen abgeschieden werden kann.
Gemäß einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Trägergas in der Stagnationskammer geheizt wird. Hierzu kann in der Stagnationskammer beispielsweise eine beheizbare Außenwand vorgesehen werden. Durch die zusätzliche Beheizung des Trägergases in der Stagnationskammer kann der Energiebetrag, der in die Partikel der zweiten Art eingebracht wird, vor der Entspannung des Trägergases in der Düse zumindest zum Teil ersetzt werden. Auch lässt sich ein gewisser Energieeintrag von der Heizung in die Partikel der zweiten Art selbst erreichen.
Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Kaltgasspritzen. Derartige Vorrichtungen sind allgemein bekannt und beispielsweise in der US 2004/0037954 A1 bekannt. Eine solche Vorrichtung weist eine Stagnationskammer mit einer Zuführöffnung für ein Trägergas und einer ersten Einspeisungsleitung für zur Beschichtung vorgesehene Partikel auf, wobei diese Partikel im Folgenden als erste Partikel bezeichnet werden. Außerdem ist der Stagnationskammer gesehen in Flussrichtung des Trägergases eine Düse nachgeschaltet, durch die das Trägergas mit den Partikeln in Richtung eines zu beschichtenden Substrates entspannt wird. Dabei kühlt sich das Trägergas adiabatisch ab, wobei der Energiebetrag, der hierdurch freigesetzt wird, in eine Beschleunigung des Trägergases sowie der zur Beschichtung vorgesehenen Partikel umgesetzt wird.
Wie bereits erläutert, ist eine Abscheidung von Partikeln mit unterschiedlich hoher Festigkeit und/oder Duktilität nur unter Einschränkungen möglich.
Die Aufgabe der Erfindung besteht weiterhin darin, eine Vorrichtung zum Kaltgasspritzen anzugeben, mit der sich Schichten herstellen lassen, in denen ein vergleichsweise hoher Anteil an Partikeln mit einer höheren Festigkeit und/oder einer geringeren Duktilität als die Partikel der ersten Art (im Folgenden Partikel der zweiten Art genannt) eingebaut werden können.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass in der Stagnationskammer eine zweite Einspeisungsleitung vorgesehen ist, wobei die erste Einspeisungsleitung in einen ersten Bereich der Stagnationskammer mündet, der näher an der Düse liegt als ein zweiter Bereich, in den die zweite Einspeisungsleitung mündet. Diese Vorrichtung ist für einen Betrieb nach dem oben genauer geschilderten Verfahren geeignet, da diese zwei Einspeisungsleitungen aufweist, und auf diese Weise die Partikel der zweiten Art dazu gebracht werden können, einen weiteren Weg durch die Stagnationskammer zurückzulegen, als die Partikel der ersten Art. Auf diese Weise lässt sich eine Vorwärmung der Partikel der zweiten Art verbunden mit den oben bereits genannten Vorteilen erreichen.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung dieser Erfindung ist die Vorrichtung mit einer Heizeinrichtung versehen, die an der Stagnationskammer angebracht ist. Hierdurch lässt sich die Wand der Stagnationskammer bzw. das Innere der Stagnationskammer direkt erwärmen, wodurch ein zusätzlicher Wärmebetrag in die Partikel der zweiten Art bzw. des Trägergases eingebracht werden kann.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Heizeinrichtung in die Wand der Stagnationskammer integriert ist. Dies hat den Vorteil, dass die Strömungsverhältnisse im Inneren der Stagnationskammer nicht beeinträchtigt werden und andererseits ein kurzer Wärmeübertragungsweg von der Heizeinrichtung zu der Wand der Stagnationskammer gewährleistet ist.
Eine besondere Ausgestaltung der Erfindung wird erhalten, wenn sich die erste Einspeisungsleitung und/oder zweite Einspeisungsleitung derart in der Vorrichtung verschieben lassen, dass die Entfernung vom ersten Bereich und/oder zweiten Bereich zur Düse veränderlich ist. Dies hat den Vorteil, dass die durch das Trägergas übertragbare Wärmemenge dadurch gesteuert werden kann, dass die Einspeisungsstellen für die Partikel in Richtung des Trägergasstromes veränderlich sind. Diese beeinflussen direkt die Länge des Weges, den die Partikel durch die Stagnationskammer zur Düse zurücklegen müssen, wobei dieser Weg ausschlaggebend für die übertragbare Wärmemenge ist.
Weitere Einzelheiten der Erfindung werden im Folgenden anhand der Zeichnung beschrieben. Es zeigen
1 den schematischen Querschnitt durch ein Ausführungsbeispiel der Vorrichtung zum Kaltgasspritzen und
2 ein Diagramm der Kerbschlagarbeit über der Temperatur bei Metallen, die eine Übergangstemperatur haben.
Eine Kaltgasspritzpistole 11 als Vorrichtung zum Kaltgasspritzen stellt das Kernstück einer thermischen Spritzvorrichtung dar, wie sie beispielsweise in der US 2004/0037954 A1 beschrieben ist. Die Kaltgasspritzpistole 11 besteht im Wesentlichen aus einem einzigen Gehäuse 13, in dem eine Laval-Düse 14 und eine Stagnationskammer 15 ausgebildet sind.
Im Bereich der Stagnationskammer 15 ist in die Wand des Gehäuses 13 eine Heizspirale 16 eingebettet, welche die Beheizung eines Trägergases bewirkt, welches durch eine Zuführungsöffnung 17 der Stagnationskammer 15 zugeführt wird.
Das Trägergas gelangt durch die Zuführöffnung 17 zunächst in die Stagnationskammer 15 und verlässt diese durch die Laval-Düse 14. Dabei kann das Trägergas in der Stagnationskammer bis zu 800° C aufgewärmt werden. Durch eine zweite Einspeisungsleitung 18a sowie eine erste Einspeisungsleitung 19 werden die zur Beschichtung vorgesehenen Partikel eingespeist. Durch eine Entspannung des mit den Partikeln beaufschlagten Trägergasstromes durch die Laval-Düse 14 wird eine Abkühlung des Trägergasstroms bewirkt, der im Bereich der Düsenöffnung Temperaturen unter 300° C aufweist. Diese Temperaturverringerung ist auf eine im Wesentlichen aliabatische Expansion des Trägergases zurückzuführen, welches in der Stagnationskammer beispielsweise einen Druck von 30 Bar aufweist und außerhalb der Düsenöffnung auf Atmosphärendruck entspannt wird.
Die zweite Einspeisungsleitung 19 mündet in einem sehr düsennahen Bereich in die Stagnationskammer. Als Düse wird im Rahmen dieser Anmeldung der Teil der Kaltspritzpistole aufgefasst, der sich im Querschnitt zunächst verengt und dann wieder erweitert (angedeutet durch die Klammer zum Bezugszeichen 14). Der Bereich der Kaltspritzpistole, der als Stagnationskammer dient, ist mit der Klammer zum Bezugszeichen 15 gekennzeichnet. Aus 1 wird deutlich, dass der an den zylindrischen Bereich der Stagnationskammer anschließende konische Bereich sowohl der Stagnationskammer 15 als auch der Düse 14 zugerechnet werden kann. Die Strömungsverhältnisse zwischen Stagnationskammer und Düse gehen nämlich ineinander über, wobei die an den zylindrischen Bereich anschließenden konischen Wandteile anfänglich noch einen derart großen Quer schnitt bilden, dass die Strömungsverhältnisse eher denen in der Stagnationskammer entsprechen, d. h. eine signifikante Beschleunigung des Trägergases und der Partikel erst in dem wesentlich engeren konischen Bereich auftritt. Daher mündet die zweite Einspeisungsleitung 19 auch in diesen konischen Bereich, damit die eingespeisten Partikel möglichst ohne Zeitverzögerung in dem signifikant als Düse 14 wirkenden Teil beschleunigt werden.
Die erste Einspeisungsleitung 18a mündet in den der Düse 14 abgewendeten Teil der Stagnationskammer 15, so dass die Partikel die gesamte Stagnationskammer durchlaufen müssen und dabei vorrangig vom Trägergas aufgeheizt werden. Durch die beiden Einspeisungsstellen der Einspeisungsleitungen 18a, 19 entsteht ein erster Bereich 20 und ein zweiter Bereich 21 für die Einspeisung der Partikel erster Art 22 und der Partikel zweiter Art 23 (in 1 nur angedeutet). In dem in der Düse erzeugten Kaltgasstrahl 24 liegen die Partikel erster Art 22 und zweiter Art 23 dann gemischt vor und werden auf einem Substrat 25 als Schicht 26 abgeschieden.
Alternativ zur Einspeisungsleitung 18a lässt sich auch eine Einspeisungsleitung 18b vorsehen, welche axial verschieblich ist. Durch eine Verschiebung in Richtung des angedeuteten Doppelpfeiles kann damit die Einspeisungsstelle 21 zur Düse 14 hin und von ihr weg bewegt werden. Hierdurch kann die Kaltspritzpistole 11 an den jeweiligen Anwendungsfall und die notwendige Wärmemenge zur Vorwärmung der Partikel 23 angepasst werden.
In 2 ist das temperaturabhängige Verhalten von Metallen mit einer Übergangstemperatur T_ü schematisch dargestellt. Auf der X-Achse ist die Temperatur T aufgetragen und auf der Y-Achse die Kerbschlagarbeit A_v. Diese wird im sogenannten Kerbschlagbiegeversuch ermittelt, bei dem eine gekerbte Probe einer schlagenden Beanspruchung ausgesetzt wird (beispielsweise DIN EN 10045). Das Verhalten der Metalle kann abhängig vom Bruchverhalten in drei Bereiche eingeteilt werden. In Bereich I erfolgt ein Sprödbruch, da das Metall seine duktilen Eigenschaften bei tiefen Temperaturen verliert. Im Bereich III verhält sich das Metall duktil und entfaltet daher die an sich für Metalle bekannten mechanischen Eigenschaften. Zwischen dem Bereich I und dem Bereich III liegt der Bereich II, in denen sogenannte Mischbrüche auftreten, die spröde und duktile Anteile aufweisen. Wie den strichpunktierten Linien entnommen werden kann, liegt in dem Bereich II eine große Streuung bei der Ermittlung der Kerbschlagarbeit vor, da die Verhältnisse im Gefüge chaotisch sind. In den Bereichen I und III lassen sich die Werte für die Kerbschlagarbeit genauer ermitteln. Die Übergangstemperatur T_ü ist daher ein Wert, der sich nicht genau ermitteln lässt.
Typische Metalle, die eine Übergangstemperatur aufweisen, sind die folgenden:
Metalle mit kubisch raumzentriertem Gitter (unlegierte und niedrig legierte Stähle, Chrom, Molybdän),
Metalle mit hexagonalen Gittern (Aluminium)
Beispielsweise haben unlegierte Stähle mit einem Anteil von mehr als 0,6 Masse-% Kohlenstoff bereits eine Übergangstemperatur zwischen 100 und 200° C, so dass diese für das erfindungsgemäße Verfahren prädestiniert sind. Ein anderes Beispiel ist die Erzeugung einer Kupfer-Chrom-Legierung mittels Kaltgasspritzen. Außerdem können auch Turbinenschaufeln beschichtet werden, wobei beispielsweise Wolframcarbid als Hartstoff zusammen mit einer MCrAlY-Legierung abgeschieden werden.

11: Partikel 1
12: Partikel 2
14: Düse
15: Stagnationskammer
16: Heizspirale
17: Zuführöffnung
18a, 18b: Einspeisungsleitung
19: Einspeisungsleitung
20: 1. Bereich
21: 2. Bereich
22: 1. Partikel
23: 2. Partikel
25: Substrat
26: Schicht

Claims

Verfahren zum Kaltgasspritzen, bei dem Partikel (22) einer ersten Art zusammen mit Partikeln (23) einer zweiten Art in eine Stagnationskammer (15) eingespeist werden und zusammen mit einem Trägergas durch eine der Stagnationskammer (15) nachgeschaltete Düse (14) auf ein zu beschichtendes Substrat (25) beschleunigt werden, wobei sich die Partikel (22) der ersten Art verformen und auf dem Substrat (25) unter Ausbildung einer Schicht (26) haften bleiben und wobei die Partikel (23) der zweiten Art, die eine höhere Festigkeit und/oder eine geringere Duktilität als die Partikel (22) der ersten Art aufweisen, in die Schicht (26) eingebaut werden dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel (22) der ersten Art in einem ersten Bereich (20) der Stagnationskammer (15) eingespeist werden, der näher an der Düse (14) liegt als ein zweiter Bereich (21), in dem die Partikel (23) der zweiten Art eingespeist werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel (23) der zweiten Art aus einem spröden Werkstoff, insbesondere aus einem keramischen Werkstoff hergestellt werden.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel (23) der zweiten Art aus einem Hartstoff, insbesondere Wolframcarbid (WoC) hergestellt werden und dass als Substrat eine Schaufel für einen Verdichter oder eine Turbine beschichtet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel (23) der zweiten Art aus einem Metall oder einer Metalllegierung hergestellt werden, welches/welche oberhalb einer Übergangstemperatur duktil und unterhalb dieser Temperatur spröde ist, wobei die Partikel (23) der zweiten Art in der Stagnationskammer so weit erwärmt werden, dass diese sich duktil verhalten.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägergas in der Stagnationskammer (15) geheizt wird.
Vorrichtung zum Kaltgasspritzen, aufweisend – eine Stagnationskammer (15) mit einer Zuführöffnung (17) für ein Trägergas und einer ersten Einspeisungsleitung (19) für zur Beschichtung vorgesehene Partikel (22) einer ersten Art und – eine der Stagnationskammer (15) nachgeschaltete Düse (14) dadurch gekennzeichnet, dass in der Stagnationskammer (15) eine zweite Einspeisungsleitung (18a,18b) vorgesehen ist, wobei die erste Einspeisungsleitung (19) in einen ersten Bereich (20) der Stagnationskammer (15) mündet, der näher an der Düse (14) liegt als ein zweiter Bereich (21), in den die zweite Einspeisungsleitung mündet.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Stagnationskammer mit einer Heizeinrichtung versehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizeinrichtung in die Wand der Stagnationskammer integriert ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass sich die erste Einspeisungsleitung (19) und/oder zweite Einspeisungsleitung (18a, 18b) derart in der Vorrichtung verschieben lassen, das die Entfernung vom ersten Bereich (20) und/oder zweiten Bereich (21) zur Düse veränderlich ist.