DE102007019476A1

DE102007019476A1 - Verfahren zum Herstellen eines Anstreifbelags

Info

Publication number: DE102007019476A1
Application number: DE102007019476A
Authority: DE
Inventors: Andre Dipl.-Ing. Werner
Original assignee: MTU Aero Engines GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines AG
Priority date: 2007-04-25
Filing date: 2007-04-25
Publication date: 2008-11-06
Also published as: EP2140041A2; US20100119706A1; WO2008131718A2; CA2684972A1; WO2008131718A3

Abstract

Ein Verfahren zum Herstellen eines Anstreifbelags für ein Bauteil einer Strömungsmaschine weist folgende Schritte auf: a) Vorbehandeln eines pulverförmigen Werkstoffs; b) Erstellen eines verarbeitbaren Vorprodukts zum Aufbringen auf ein zu beschichtendes Bauteil; c) Aufbringen des Vorprodukts auf das zu beschichtende Bauteil; d) Ausbrennen eines im Vorprodukt enthaltenen Kunststoffbinders; e) Sinterung des Bauteils; f) Nachbearbeitung des Bauteils. Hierdurch werden die Nachteile der bekannten Lösungen des Standes der Technik vermieden und ein verbessertes Verfahren zum Herstellen eines Anstreifbelags für eine Strömungsmaschine zur Verfügung gestellt. Insbesondere wird durch die Erfindung ein kostengünstiges Verfahren zur Verfügung gestellt, welches einfach mit anderen Prozessschritten in der Fertigung, beispielsweise ohnehin notwendigen Wärmebehandlungen, kombinierbar ist und welches auch als Reparaturverfahren geeignet ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Anstreifbelags für ein Bauteil einer Strömungsmaschine.
Anstreifbeläge sind im Strömungsmaschinen- und Triebwerksbau weit verbreitet, um Spaltdichtungen zu optimieren. Der Wirkungsgrad von Triebwerken häng in hohem Masse von den Spalten zwischen Rotor und Stator ab. Dabei besteht eine Spaltdichtung üblicherweise aus zwei Anstreifbelägen, einem Einlaufbelag, der abreibbar ist und beim Anstreifen teilweise abgerieben wird, und einem Anlaufbelag, der abrasiv wirkt und sich beim Anstreifen in den Einlaufbelag einarbeitet. Einlaufbeläge bestehen üblicherweise aus einer abreibbaren Materialkomponente in Form von Partikeln und einer verbindenden Materialkomponente, üblicherweise aus Metall. Dieses Metall kann auch strukturiert als Stützmatrix in Form von Waben oder anderen Matrixformen vorliegen, wobei die Zwischenräume mit Keramik- und/oder Metallschichten aufgefüllt sind.
Die EP 0 166 940 offenbart einen Einlaufbelag für eine Strömungsmaschine, insbesondere für eine Gasturbine. Dabei wird aus Teilchen mit nichtmetallischem Kern und metallischer Hülle in Schichttechnik ein fester dichter und oberflächlich glatter Belag moderater Härte hergestellt. Dieser Belag wird gesintert und/oder gepresst.
Die DE 44 27 264 A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines Anstreifbelages für Triebwerksbauteile mit einer abreibbaren oder einer abrasiven Materialkomponente in Form von Partikeln und einer diese verbindenden Materialkomponente, wobei zunächst Keramikpulver durch Mischen der für den Anstreifbelag erforderlichen Komponenten in Pulverform, Sintern der Pulvermischung und Zerkleinern der gesinterten Masse ein Mischpulver hergestellt wird, so dass in jedem Pulverpartikel die Komponenten des Anstreifbelages enthalten sind, und anschließend das entstandene Mischpulver als Beschichtungspulver direkt auf die Bauteiloberfläche oder auf eine Haftschicht plasma- oder flammgespritzt wird.
Derartige Mischpulver zum Plasmaspritzen werden beispielsweise in der EP 0 771 884 B1 beschrieben. Darin wird ein thermisches Spritzpulver aus Bornitrid- und Aluminiumpartikeln mit einem Kunststoffpolymerbinder offenbart. Weitere Mischpulver zum Plasmaspritzen sind in der EP 0487 273 B1 angegeben.
Einlaufbeläge, die durch Sintern aus pulverförmigen Vorprodukten hergestellt werden, müssen entweder bei hohen Temperaturen versintert werden oder durch Zugabe von Sinterhilfen hergestellt werden. Das Sintern bei hohen Temperaturen erfordert einen gesonderten und damit kosten- und zeitaufwändigen Sinterschritt. Bei Verwendung von Sinterhilfen, z. B. durch Zugabe von Lotwerkstoffen, besteht das Problem, dass hierbei eine ungleichmäßige Verteilung der Sinterbrücken auftritt, sowie Anhäufungen von verlöteten und nicht verlöteten Stellen auftreten.
Bei Einlaufbelägen, die durch thermisches Spritzen hergestellt werden, sind beispielsweise sehr kleine und unzugängliche Innendurchmesser entweder gar nicht oder nur mit stark erhöhtem Aufwand zu beschichten.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Nachteile der bekannten Lösungen des Standes der Technik zu vermeiden und ein verbessertes Verfahren zum Herstellen eines Anstreifbelags für eine Strömungsmaschine zur Verfügung zu stellen. Insbesondere soll durch die Erfindung ein kostengünstiges Verfahren zur Verfügung gestellt werden, welches einfach mit anderen Prozessschritten in der Fertigung kombinierbar ist und welches auch als Reparaturverfahren geeignet ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch Verfahren zum Herstellen eines Anstreifbelags für eine Strömungsmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Herstellen eines Anstreifbelags für ein Bauteil einer Strömungsmaschine, weist folgende Schritte auf:

a) Vorbehandeln eines pulverförmigen Werkstoffs, beispielsweise eines Mehrkomponentenpulvers;
b) Erstellen eines verarbeitbaren Vorprodukts zum Aufbringen auf das zu beschichtende Bauteil;
c) Aufbringen des Vorprodukts auf das zu beschichtende Bauteil;
d) Ausbrennen eines im Vorprodukt enthaltenen Kunststoffbinders;
e) Sinterung;
f) Nachbearbeitung.

Hierdurch werden die Nachteile der bekannten Lösungen des Standes der Technik zu vermeiden und ein verbessertes Verfahren zum Herstellen eines Anstreifbelags für eine Strömungsmaschine zur Verfügung gestellt. Insbesondere wird durch die Erfindung ein kostengünstiges Verfahren zur Verfügung gestellt, welches einfach mit anderen Prozessschritten in der Fertigung, beispielsweise ohnehin notwendigen Wärmebehandlungen, kombinierbar ist und welches auch als Reparaturverfahren geeignet ist. Des weiteren sind Bauteilbereiche wie kleine unzugängliche Innendurchmesser beschichtbar, die mittels anderer Verfahren, wie beispielsweise dem thermischen Spritzen, nicht machbar sind. Zur Einstellung der besonderen Eigenschaften eines Einlaufbelags eignen sich bevorzugt Hohlkugeln oder niederfeste nichtmetallische Werkstoffe.
Eine vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt a) der pulverförmige Werkstoff mit einer dünnen metallischen Beschichtung umhüllt wird, die als Sinterhilfe vorgesehen ist. Durch die Beschichtung des pulverförmigen Vorprodukts mit einem Sinterhilfsstoff wird bewirkt, dass zum Einen die Prozesstemperaturen beim Sintern gesenkt werden können und zum Anderen eine gleichmäßige Versinterung innerhalb der Pulverpartikel stattfindet.
Noch eine vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Beschichtung durch chemische Vernickelung erfolgt. Hierdurch entsteht eine Nickelschicht mit Phosphoranteil an der Oberfläche der Pulverpartikel. Die Mischung aus Nickel und Phosphor dient im Anschluss als Sinterhilfe.
Ferner ist eine vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens dadurch gekennzeichnet, dass der pulverförmige Werkstoff hexagonales Bornitrid, Graphit, Kalziumbifluorid, etc. aufweist. Hierbei handelt es sich um niederfeste nichtmetallische Werkstoffe, die bei Einlaufbelägen bevorzugt eingesetzt werden.
Eine vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt b) der vorbehandelte pulverförmige Werkstoff mit einem geeigneten Bindemittel vermischt wird. Als Bindemittel kommen hier beispielsweise Kunststoffe wie Celluloseester oder Polyvinylalkohol zur Anwendung.
Noch eine vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass entweder ein Gebinde Schlicker, Paste oder ein Vorformkörper bzw. Grünkörper erstellt wird. Im Falle von Schlicker oder Paste kann ein entsprechendes niedrig- bis hochviskoses Gebinde hergestellt werden. Im Falle eines Vorformkörpers bzw. Tapes wird ein Grünkörper hergestellt.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt c) das Aufbringen von Schlicker oder Paste durch Spritzen, Tauchen, Pinseln oder Spachteln erfolgt. Eine andere vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt c) das Aufbringen des Vorformkörpers durch Einlegen und Anlösen des Kunststoffbindemittels erfolgt. Hierbei handelt es sich in gewisser Weise um ein „Einkleben".
Weitere die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der beigefügten Figur näher dargestellt. Die einzige Figur zeigt ein Flussdiagramm eines vorteilhaften Verfahrens zum Herstellen eines Anstreifbelags für eine Strömungsmaschine gemäß der vorliegenden Erfindung.
Gemäß dem in der Figur gezeigten Verfahrensablauf, wird im Verfahrensschritt 1 ein pulverförmiger Werkstoff zur Verfügung gestellt, welcher im vorliegenden Fall aus Hohlkugeln oder niederfesten nichtmetallischen Werkstoffen, beispielsweise Feststoffschmiermitteln wie hexagonalen Bornitrid, Graphit, Kalziumbifluorid, etc. oder auch hochporösem Tonmineralen, wie Bentonit besteht.
Im Verfahrensschritt 2 wird ein metallisches Beschichtungsmaterial, beispielsweise NiCrAl oder Nickel mit Phosphoranteil zur Verfügung gestellt.
Im Verfahrensschritt 3 wird das Mehrkomponentenpulver aus Verfahrensschritt 1 derart vorbehandelt, dass es mit der Metallschicht aus Verfahrensschritt 2 dünn beschichtet wird, so dass das Pulver vollständig umhüllt wird. Im vorliegenden Fall erfolgt die Beschichtung in Gestalt einer chemischen Vernickelung. Hierbei entsteht eine Nickelschicht mit Phosphoranteil an der Oberfläche der Pulverpartikel.
Im Verfahrensschritt 4 wird das mit einer dünnen Metallschicht überzogene Pulver für die weitere Bearbeitung bereitgestellt. Die aus Nickel und Phosphor bestehende dünne Metallschicht des Pulvers dient im weiteren Verfahren als Sinterhilfe.
Im Verfahrensschritt 5 wird ein Bindemittel zur Verfügung gestellt. Als Bindemittel kommen hier Celluloseester, Polyvinylalkohol oder jeder andere geeignete Kunststoffbinder in Frage.
Im Verfahrensschritt 6 wird das beschichtete Pulver mit dem Bindemittel vermischt, um das beschichtete Pulver zur weiteren Verarbeitung vorzubereiten. Das mit Metall beschichtete Pulver wird in diesem Verfahrensschritt in eine zum Auftragen auf ein zu bearbeitendes Bauteil geeignete verarbeitungsfähige Form gebracht.
Dabei kann das Pulver mit dem Binder zu Schlicker, zu einer Paste oder in einen Vorformkörper (Tape) verarbeitet werden.
Im Verfahrensschritt 7 wird das zu verarbeitende Vorprodukt bereitgestellt. Das Vorprodukt liegt jetzt als Schlicker, Paste oder Vorformkörper vor. Im Falle von Schlicker oder Paste wird hier ein entsprechend niedrig- bis hochviskoses Gebinde hergestellt. Im Falle eines Tapes wird ein Grünkörper bereitgestellt.
In Verfahrensschritt 8 wird das zur Beschichtung mit einem Einlaufbelag vorbereitetet Bauteil bereitgestellt. Hier können insbesondere noch Wärmebehandlungsschritte ausstehen, die dann gemeinsam mit dem
Im Verfahrensschritt 9 wird das Vorprodukt mittels einem geeigneten Auftrageerfahren auf das zu bearbeitende Bauteil aufgebracht. Im Falle von Schlicker oder Paste erfolgt dies durch Spritzen, Tauchen, Pinseln oder Spachteln. Im Falle des Tapes erfolgt dies durch Einlegen und Anlösen des Kunststoffbindemittels durch ein geeignetes Lösungsmittel. Hier kann quasi von „Einkleben" gesprochen werden.
Im Verfahrensschritt 10 wird aus dem so vorbereiteten Bauteil der Kunststoffbinder bei einer geeigneten Temperatur ausgebrannt. Dabei entsteht auf dem zu bearbeitenden Bauteil der Grünling der Schicht, d. h. der Vorpressling des Einlaufbelags.
Im Verfahrensschritt 11 wird das Bauteil mit Grünling der Schicht bei einer geeigneten Temperatur gesintert. Dabei bewirkt die Beschichtung auf den Pulverpartikeln eine gleichmäßige Ausbildung von Sinterbrücken zwischen den einzelnen Pulverpartikeln sowie die Anbindung an das zu beschichtende Bauteil.
Im Verfahrensschritt 12 wird der Einlaufbelag des fertig gesinterten Bauteils nachbearbeitet. Hierzu werden je nach Bauteilart und – geometrie geeignete Verfahren, wie beispielsweise Drehen und Fräsen angewendet. Hierdurch werden Grate und Unebenheiten beseitigt und die gewünschten Oberflächeneigenschaften des Einlaufbelags eingestellt.
In Verfahrensschritt 13 steht dann das Bauteil mit fertigem Einlaufbelag bereit.
Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf das vorstehend angegebene bevorzugte Ausführungsbeispiel. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der in den Patentansprüchen beanspruchten Lösung auch bei anders gearteter Ausführung Gebrauch macht.

1: Mehrkomponentenpulver
2: Metallisches Beschichtungsmaterial
3: Vorbehandlung
4: Beschichtetes Mehrkomponentenpulver
5: Bindemittel
6: Vermischung
7: Vorprodukt
8: Bauteil ohne Einlaufbelag
9: Aufbringen Vorprodukt auf Bauteil
10: Ausbrennen Kunststoffbinder
11: Sintern
12: Nachbearbeitung
13: Bauteil mit Einlaufbelag

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- EP 0166940 [0003]
- DE 4427264 A1 [0004]
- EP 0771884 B1 [0005]
- EP 0487273 B1 [0005]

Claims

Verfahren zum Herstellen eines Anstreifbelags für ein Bauteil einer Strömungsmaschine, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: a) Vorbehandeln eines pulverförmigen Werkstoffs; b) Erstellen eines verarbeitbaren Vorprodukts zum Aufbringen auf ein zu beschichtende Bauteil; c) Aufbringen des Vorprodukts auf das zu beschichtende Bauteil; d) Ausbrennen eines im Vorprodukt enthaltenen Kunststoffbinders; e) Sinterung des Bauteils; f) Nachbearbeitung des Bauteils.
Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt a) der pulverförmige Werkstoff mit einer dünnen metallischen Beschichtung umhüllt wird, die als Sinterhilfe vorgesehen ist.
Verfahren nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Beschichtung durch chemische Vernickelung erfolgt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der pulverförmige Werkstoff hexagonales Bornitrid, Graphit, Kalziumbifluorid, etc. aufweist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt b) der vorbehandelte pulverförmige Werkstoff mit einem geeigneten Bindemittel vermischt wird.
Verfahren nach Patentanspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass entweder ein Gebinde Schlicker, Paste oder ein Vorformkörper bzw. Grünkörper erstellt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt c) das Aufbringen von Schlicker oder Paste durch Spritzen, Tauchen, Pinseln oder Spachteln erfolgt.
Verfahren nach einem der Patentansprüche 1–6, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt c) das Aufbringen des Vorformkörpers durch Einlegen und Anlösen des Kunststoffbindemittels erfolgt.