DE102008056652A1

DE102008056652A1 - Maske für das kinetische Kaltgaskompaktieren

Info

Publication number: DE102008056652A1
Application number: DE102008056652A
Authority: DE
Inventors: Manuel Dr. Hertter; Andreas Jakimov; Stefan Schneiderbanger
Original assignee: MTU Aero Engines GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines AG
Priority date: 2008-11-10
Filing date: 2008-11-10
Publication date: 2010-05-12
Also published as: US8852681B2; WO2010051804A1; EP2344281A1; US20110223325A1; EP2344281B1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Maske für das kinetische Kaltgaskompaktieren mit einem Körper zur Abdeckung eines nicht zu beschichtenden Bereichs eines zu beschichtenden Substrats mit einer dem Beschichtungsstoff ausgesetzten Arbeitsseite (7, 17) wobei zumindest die Arbeitsseite (7, 17) eine Härte aufweist, die so ausgelegt ist, dass beim Auftreffen der Beschichtungsparktikel keine plastische Verformung der Arbeitsseite (7, 17) erfolgt oder die Arbeitsseite (7, 17) oder die gesamte Maske (1, 10) aus einem einsatz- oder nitriergehärteten Stahl oder aus einem Hartstoff gebildet sind und/oder einen Hartstoff umfassen. Darüberhinaus umfasst die vorliegende Erfindung auch ein entsprechendes Verfahren unter Einsatz einer derartigen Maske

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Maske für das kinetische Kaltgaskompaktieren mit einem Körper zur Abdeckung eines nicht zu beschichtenden Bereichs eines zu beschichtenden Substrats mit einer dem Beschichtungsstoff ausgesetzten Arbeitsseite sowie ein Verfahren zum kinetischen Kaltgaskompaktieren bei dem eine entsprechende Maske eingesetzt wird.
STAND DER TECHNIK
Das kinetische Kaltgaskompaktieren bzw. kinetische Kaltgasspritzen ist aus dem Stand der Technik zur Beschichtung von Materialien und insbesondere auch von Bauteilen von Gasturbinen bzw. Flugturbinen bekannt. Das kinetische Kaltgaskompaktieren ist beispielsweise in der US 5,302,414 beschrieben. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass der Beschichtungswerkstoff in Form eines Pulvers mit Hilfe eines Trägergases mit hoher Geschwindigkeit, aber Temperaturen unterhalb des Schmelzpunktes des Beschichtungsstoffes auf das zu beschichtende Substrat bewegt wird, wobei beim Auftreffen der Beschichtungspartikel aufgrund der hohen Geschwindigkeit die Partikel genauso wie der Oberflächenbereich des zu beschichtenden Substrats verformt werden, so dass es zu einem Ineinanderfließen der Materialien und zu einer Haftung des Beschichtungsmaterials auf dem Substrat kommt.
Entsprechend sind herkömmliche Abdeckungen, wie Klebebandabdeckungen oder Silikonmaskierungen, wie sie beispielsweise beim thermischen Spritzen Verwendung finden nicht ausreichend, da sie den hohen Partikelgeschwindigkeiten nicht standhalten können.
Andererseits werden stabile Materialien, wie beispielsweise Metalle oder Kunststoffe selbst beschichtet, so dass sich auf der Maske eine fest anhaftende Beschichtung ergibt und dazu führt, dass diese Masken entsorgt werden müssen.
Dieses Problem ist in der deutschen Patentanmeldung DE 10 2008 025510.6 aufgegriffen worden. Die dort vorgeschlagene Lösung sieht vor, die Abdeckvorrichtung mit einer strukturierten Oberfläche zu versehen, wobei die Oberfläche der Maske so ausgebildet ist, dass die Oberfläche mit der Auftreffrichtung der Partikel einen spitzen Winkel einschließt, so dass die auftreffenden Partikel nicht auf der Maske anhaften, sondern lediglich abgelenkt werden.
Obwohl diese Lösung bereits gute Ergebnisse liefert, beseht ein weiterer Bedarf an Alternativlösungen für entsprechende Masken für das kinetische Kaltgaskompaktieren welche möglicherweise einfacher herzustellen sind.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
AUFGABE DER ERFINDUNG
Es ist deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Maske für das kinetische Kaltgaskompaktieren bzw. ein entsprechendes Verfahren zum kinetischen Kaltgaskompaktieren bereitzustellen, bei welchen die Probleme des Standes der Technik überwunden werden und insbesondere mehrfach verwendbare Masken bereitgestellt werden, die eine einfache Herstellung sowie Verwendung ermöglichen.
TECHNISCHE LÖSUNG
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Maske mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. des Anspruchs 6 sowie ein Verfahren zum kinetischen Kaltgaskompaktieren mit den Merkmalen des Anspruchs 8 bzw. den Merkmalen des Anspruchs 10. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die vorliegende Erfindung geht aus von der Erkenntnis, dass eine Anhaftung des Beschichtungsstoffs, also der im nicht aufgeschmolzenen Zustand mit hoher Geschwindigkeit auf das zu beschichtende Substrat auftreffenden Partikel an der Maske nur erfolgt, wenn der dem kinetischen Kaltgaskompaktieren zugrunde liegende Haftungsmechanismus stattfinden kann. Dieser setzt voraus, dass sowohl die auftreffenden Partikel als auch die Oberfläche plastisch deformiert werden, um ein gegenseitiges Ineinanderfließen der Materialien und damit Haftung der Materialien zu gewährleisten. Entsprechend setzt die Erfindung hier an und schlägt eine Maske vor, die an der der Beschichtungsquelle zugewandten Seite, d. h. der Arbeitsseite, derart hart ausgebildet ist, dass bei der verwendeten kinetischen Kaltgaskompaktierung keine Oberflächendeformation, d. h. keine plastische Verformung der Arbeitsseite stattfinden kann. Damit wird vermieden, dass das Oberflächenmaterial der Maske und die auftreffenden Beschichtungspartikel sich verformen und ineinander fließen und so eine haftende Schicht ausbilden.
Da lediglich die entsprechende Arbeitsseite der Maske die erforderliche Härte aufweisen muss, kann die Maske entweder so ausgebildet sein, dass eine harte Beschichtung an der Arbeitsseite oder eine entsprechend ausgebildeter Randbereich vorliegt oder dass die Maske insgesamt mit einer entsprechenden Härte ausgebildet ist, wobei die Maske dann über die Dicke homogen ausgebildet sein kann.
Zur Erzielung einer ausreichenden Härte auf der Arbeitsseite kann ein einsatz- oder nitriergehärteter Stahl oder ein entsprechender Hartstoff vorgesehen sein.
Insbesondere kann die Maske an der Arbeitsseite einsatz- und/oder nitriergehärtet sein. Sofern die Maske nicht durchgehärtet ist, würde dann im Bereich des Grundkörpers ein für die Einsatz- oder Nitrierhärtung geeigneter Stahl vorliegen, während der Oberflächenbereich der Arbeitsseite entsprechend ausgehärtet wäre.
Der Hartstoff zur Bildung der Maske oder zur Bildung einer harten Oberflächenschicht an der Arbeitsseite der Maske kann durch Diamant, diamantähnlichen Kohlenstoff, kubisches Bornitrid, Siliziumcarbid, Aluminiumoxid, Borcarbid, Wolframcarbid, Vanadiumcarbid, Titancarbid, Titannitrid und/oder Zirkondioxid oder Kombinationen daraus gebildet sein.
Darüber hinaus kann der Hartstoff auch in einer entsprechenden Oberfläche angereichert sein. Als Material für die harte Arbeitsseite kann insbesondere Cr₃C₂-NiCr, Co28Mo18Cr3,5Si (T800) oder ähnliches Verwendung finden.
KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
Weitere Vorteile, Kennzeichen und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden bei der nachfolgenden detaillierten Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der beigefügten Zeichnungen deutlich. Die Zeichnungen zeigen hierbei in rein schematischer Weise in
1 eine Querschnittsansicht einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Maske; und in
2 eine Querschnittsansicht einer zweiten erfindungsgemäßen Maske beim Einsatz beim kinetischen Kaltgaskompaktieren.
AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
Die 1 zeigt in einer Querschnittsansicht eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Maske 1, welche einen Grundkörper 2 aufweist, in dem eine Durchgangsöffnung 4 vorgesehen ist. Die Durchgangsöffnung 4 ermöglicht eine Beschichtung in diesem Bereich der Maske 1, während in den übrigen Bereichen 5 und 6 eine Abschirmung des Beschichtungsmaterials gegenüber einem unter der Maske angeordneten, zu beschichtenden Substrat vorliegt. Entsprechend ist die mit dem Bezugszeichen 7 bezeichnete Seite der Maske 1 die Arbeitsseite, also die Seite, die der Beschichtungsquelle zugewandt ist.
Auf dieser Arbeitsseite 7 ist eine Beschichtung 3 vorgesehen, die aus einem gegenüber dem Grundkörper 2 härteren Material gebildet ist. Insbesondere handelt es sich bei der Beschichtung 3 um eine Hartstoffschicht, wie beispielsweise eine mit Chromcarbiden gehärteten Chromnickeistahl oder sonstige geeignete Hartstoffschichten.
Anstelle einer Beschichtung 3, die auf den Grundkörper 2 aufgebracht ist, kann es sich auch um einen modifizierten Randbereich 3 handeln, der gegenüber dem Grundkörper 2 eine viel höhere Härte aufweist. Insbesondere kann die Maske 1 aus einem einsatzhärtbaren oder nitrierhärtbaren Stahl bestehen, wobei der Randbereich 3 durch Einsatzhärten oder Nitrierhärten entsprechend gehärtet ist.
Wesentlich ist, dass die Arbeitsseite 7 eine ausreichend hohe Härte aufweist, um die auf die Maske auftreffenden Beschichtungspartikel nicht an der Maske 1 anhaften zu lassen.
Die 2 zeigt eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Maske 10, welche homogen ausgebildet ist, also über ihre gesamte Dicke den gleichen Werkstoff aufweist. Beispielsweise kann es sich hierbei um einen durchgehärteten Einsatz- oder Nitrierstahl handeln. Die Maske 10 weist wiederum eine Durchgangsöffnung 11 auf, welche den Beschichtungsbereich für das darunter angeordnete Substrat 20 definiert. Nur in diesem Beschichtungsbereich, der durch die Durchgangsöffnung 11 definiert ist, wird bei der Beschichtung des Substrats 20 eine Oberflächenschicht 21 aus dem Beschichtungsstoff gebildet.
Der Beschichtungsstoff wird durch eine nicht näher dargestellte Vorrichtung zum kinetischen Kaltgaskompaktieren bzw. kinetischen Kaltgasspritzen in Richtung des Substrats 20 beschleunigt, wobei von der entsprechenden Vorrichtung lediglich die Düse 12 dargestellt ist. Die Partikelstrahlen 13 werden von den Abschattungsbereichen 15 und 16 der Maske 10 daran gehindert, auf das Substrat 20 zu gelangen. Durch die harte Ausbildung der Maske 10 wird in den Auftreffbereichen 14 der Partikelstrahlen 13 keine Verfor mung der Partikel auf der harten Arbeitsseite 17 und somit keine Abscheidung einer haftenden Schicht stattfinden.
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand der Ausführungsbeispiele detailliert beschrieben worden ist, ist für den Fachmann selbstverständlich, dass die Erfindung nicht auf diese Ausführungsbeispiele beschränkt ist, sondern dass vielmehr Abwandlungen oder Änderungen in der Weise möglich sind, dass auf einzelne Merkmale verzichtet wird oder eine andersartige Kombination von Merkmalen gewählt wird, ohne den Schutzbereich der beigefügten Ansprüche zu verlassen. Insbesondere umfasst die vorliegende Erfindung sämtliche Kombinationen aller vorgestellten Einzelmerkmale, einschließlich der der in Bezug genommenen Anmeldung DE 10 2008 025510.6 .
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

- US 5302414 [0002]
- DE 102008025510 [0005, 0024]

Claims

Maske für das kinetische Kaltgaskompaktieren mit einem Körper zur Abdeckung eines nicht zu beschichtenden Bereichs eines zu beschichtenden Substrats mit einer dem Beschichtungsstoff ausgesetzten Arbeitsseite (7, 17), dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die Arbeitsseite (7, 17) eine Härte aufweist, die so ausgelegt ist, dass beim Auftreffen der Beschichtungspartikel keine plastische Verformung der Arbeitsseite (7, 17) erfolgt.
Maske nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Arbeitsseite eine Beschichtung (3) oder einen modifizierten Randbereich aufweist oder die Maske homogen ausgebildet ist.
Maske nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Arbeitsseite (7, 17) oder die gesamte Maske aus einem einsatz- oder nitriergehärteten Stahl oder aus einem Hartstoff gebildet sind und/oder einen Hartstoff umfassen.
Maske nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Maske einen Grundkörper (2) aufweist, auf dem die Beschichtung oder der Randbereich (3) für die Arbeitsseite angeordnet ist, wobei der Grundkörper (2) aus einem duktilen Stahl oder aus einem für die Einsatz- oder Nitrierhärtung vorgesehenen, aber nicht gehärteten Stahl gebildet ist.
Maske nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Hartstoff mindestens eine Komponente aus der Gruppe umfasst, die Diamant, diamantähnlichen Kohlenstoff, kubisches Bornitrid, Siliziumcarbid, Aluminiumoxid, Borcarbid, Wolframcarbid, Vanadiumcarbid, Titancarbid, Titannitrid und Zirkoniumdioxid umfasst.
Maske für das kinetische Kaltgaskompaktieren mit einem Körper zur Abdeckung eines nicht zu beschichtenden Bereichs eines zu beschichtenden Substrats mit einer dem Beschichtungsstoff ausgesetzten Arbeitsseite (7, 17), dadurch gekennzeichnet, dass die Arbeitsseite (7, 17) oder die gesamte Maske (1, 10) aus einem ein satz- oder nitriergehärteten Stahl oder aus einem Hartstoff gebildet sind und/oder einen Hartstoff umfassen.
Maske nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Hartstoff mindestens eine Komponente aus der Gruppe umfasst, die Diamant, diamantähnlichen Kohlenstoff, kubisches Bornitrid, Siliziumcarbid, Aluminiumoxid, Borcarbid, Wolframcarbid, Vanadiumcarbid, Titancarbid, Titannitrid und Zirkoniumdioxid umfasst.
Verfahren zum kinetischen Kaltgaskompaktieren, bei welchem Beschichtungspartikel mit Hilfe eines Trägergases mit hoher Geschwindigkeit auf eine zu beschichtende Fläche bewegt werden, wobei die Temperatur des Trägergases und/oder der Beschichtungspartikel unter der Schmelztemperatur der Beschichtungspartikel liegt, dadurch gekennzeichnet, dass eine Maske (10) zur Abschattung nicht zu beschichtender Bereiche verwendet wird, welche eine Arbeitsseite (17) mit einer Härte aufweist, die so ausgelegt ist, dass beim Auftreffen der Beschichtungspartikel keine plastische Verformung der Schichtseite erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Maske nach einem der Ansprüche 2 bis 5 eingesetzt wird.
Verfahren zum kinetischen Kaltgaskompaktieren, bei welchem Beschichtungspartikel mit Hilfe eines Trägergases mit hoher Geschwindigkeit auf eine zu beschichtende Fläche bewegt werden, wobei die Temperatur des Trägergases und/oder der Beschichtungspartikel unter der Schmelztemperatur der Beschichtungspartikel liegt, dadurch gekennzeichnet, dass eine Maske (10) nach einem der Ansprüche 6 bis 7 eingesetzt wird.