DE102010005389A1

DE102010005389A1 - Structured surface coating by means of kinetic cold gas spraying

Info

Publication number: DE102010005389A1
Application number: DE201010005389
Authority: DE
Inventors: Hans Dipl.-Ing. Banhirl (FH), 84405; Erwin Dr. 85221 Bayer; Klaus Dr. 82194 Broichhausen; Manuel Dr. 81247 Hertter; Andreas 80997 Jakimov; Eberhard 85305 Knodel; Bertram Dr. 85221 Kopperger; Jürgen 85757 Kraus; Marcin 85716 Olbrich; Mihaela-Sorina Dr. 80999 Seitz; Wolfgang 85296 Werner
Original assignee: MTU Aero Engines GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines AG
Priority date: 2010-01-22
Filing date: 2010-01-22
Publication date: 2011-07-28
Also published as: WO2011088817A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer strukturierten Beschichtung auf einer Bauteiloberfläche mittels kinetischem Kaltgasspritzen von Festkörperpartikeln, wobei die Struktur dadurch hergestellt wird, dass der Auftreffwinkel des Spritzstrahls auf der bespritzten Oberfläche und/oder das Eigenschaftsprofil der bespritzten Oberfläche zeitlich und/oder örtlich variieren, um durch unterschiedliche Haftbedingungen der gespritzten Partikel auf der bespritzten Oberfläche die Struktur zu erzeugen.The present invention relates to a method for producing a structured coating on a component surface by means of kinetic cold gas spraying of solid particles, the structure being produced in that the angle of incidence of the spray jet on the sprayed surface and / or the property profile of the sprayed surface vary in time and / or location to create the structure through different adhesion conditions of the sprayed particles on the sprayed surface.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNGBACKGROUND OF THE INVENTION

GEBIET DER ERFINDUNGFIELD OF THE INVENTION

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer strukturierten Beschichtung auf einer Bauteiloberfläche mittels kinetischem Kaltgasspritzen von Festkörperpartikeln.The present invention relates to a method for producing a structured coating on a component surface by means of kinetic cold gas spraying of solid particles.

STAND DER TECHNIKSTATE OF THE ART

Für Komponenten von Strömungsmaschinen, wie beispielsweise von Flugtriebwerken oder stationären Gasturbinen, welche im Betrieb hohen thermischen und mechanischen Belastungen ausgesetzt sind, müssen vielfach komplexe Beschichtungen vorgesehen werden. Ein Beispiel hierfür stellen Einlaufbeläge auf Verdichtergehäusen und Turbinenringen dar. Um einen möglichst geringen Spalt zwischen Turbinenschaufeln und dem umliegenden Gehäuse auszubilden, dient der Einlaufbelag dazu, dass sich die Turbinenschaufeln in das umgebende Gehäuse bzw. den Turbinenring im Betrieb bei den hohen Betriebstemperaturen einschleifen können. Entsprechend muss ein derartiger Einlaufbelag einerseits gut und leicht abreibbar sein, andererseits aber eine gute Haftfestigkeit und Widerstandsfähigkeit gegenüber den vorbeiströmenden Heißgasen aufweisen.For components of turbomachines, such as aircraft engines or stationary gas turbines, which are exposed in operation high thermal and mechanical loads, often complex coatings must be provided. An example of this are inlet linings on compressor housings and turbine rings. In order to form the smallest possible gap between turbine blades and the surrounding housing, the inlet lining serves to allow the turbine blades to grind into the surrounding housing or the turbine ring during operation at the high operating temperatures. Accordingly, such an inlet lining must on the one hand be good and easily abradable, but on the other hand have a good adhesive strength and resistance to passing hot gases.

Entsprechend ist vorgeschlagen worden für derartige Einlaufbeläge auch strukturierte Beschichtungen in Form von Honigwabenstrukturen oder dergleichen vorzusehen, wie beispielsweise in der europäischen Patentschrift EP 1312761 B1 beschrieben ist. Allerdings erfordert der Materialabtrag zur Herstellung der Waben durch Fräsen, Bohren, Elektroerosion, elektrochemische Bearbeitung oder Laserbearbeitung etc. einen hohen Aufwand, und zwar zum Einen durch die notwendige Bearbeitung und zum Anderen durch den Verlust des abgetragenen Materials.Accordingly, it has been proposed for such enema pads also structured coatings in the form of honeycomb structures or the like provided, such as in the European patent specification EP 1312761 B1 is described. However, the removal of material for producing the honeycomb by milling, drilling, electrical discharge, electrochemical machining or laser machining, etc. requires a lot of effort, on the one hand by the necessary processing and the other by the loss of the removed material.

OFFENBARUNG DER ERFINDUNGDISCLOSURE OF THE INVENTION

AUFGABE DER ERFINDUNG OBJECT OF THE INVENTION

Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung eine strukturierte Beschichtung, insbesondere für Komponenten von Strömungsmaschinen, wie Flugtriebwerken oder Gasturbinen, bereitzustellen, welche in einfacher und effizienter Weise aufgebracht werden kann. Gleichwohl soll trotz effizienter und einfacher Aufbringung ein entsprechendes Eigenschaftsprofil der Beschichtung, wie gute Haftfestigkeit, Beständigkeit gegenüber Heißgasen, gute Abriebeigenschaften und dergleichen sowie insbesondere die Eignung als Einlaufbelag gewährleistet werden. Ein entsprechendes Verfahren soll darüber hinaus auch für andere strukturierte Beschichtungen eingesetzt werden können.It is therefore an object of the invention to provide a structured coating, in particular for components of turbomachines, such as aircraft engines or gas turbines, which can be applied in a simple and efficient manner. Nevertheless, in spite of efficient and simple application, a corresponding property profile of the coating, such as good adhesion, resistance to hot gases, good abrasion properties and the like as well as, in particular, the suitability as an intake coating should be ensured. A corresponding method should also be able to be used for other structured coatings.

TECHNISCHE LÖSUNGTECHNICAL SOLUTION

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung einer strukturierten Beschichtung auf einer Bauteiloberfläche mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.This object is achieved by a method for producing a structured coating on a component surface with the features of claim 1. Advantageous embodiments are the subject of the dependent claims.

Gemäß der Erfindung wird eine entsprechende Beschichtung durch kinetisches Kaltgasspritzen aufgebracht, wobei der Auftreffwinkel des Spritzstrahls auf der zu bespritzenden Oberfläche, also insbesondere die Spritzrichtung des Spritzstrahls zur zu bespritzenden Oberfläche, und/oder das Eigenschaftsprofil der bespritzten Oberfläche zeitlich und/oder örtlich variiert wird, um dadurch unterschiedliche Haftbedingungen für die gespritzten Partikel auf der bespritzten Oberfläche bereitzustellen und damit eine Struktur in der Beschichtung zu erzeugen.According to the invention, a corresponding coating is applied by kinetic cold gas spraying, wherein the angle of incidence of the spray jet on the surface to be sprayed, ie in particular the spray direction of the spray jet to be sprayed surface, and / or the property profile of the sprayed surface is temporally and / or locally varied, thereby providing different adhesion conditions for the sprayed particles on the sprayed surface and thus creating a structure in the coating.

Beim kinetischen Kaltgasspritzen werden abzuscheidende Festkörperpartikel bei einer Temperatur, die nicht zum Aufschmelzen der Festkörperpartikel führt, mit einer derart hohen Geschwindigkeit auf die zu beschichtende Oberfläche gerichtet, dass beim Auftreffen der Partikel die Partikel und/oder die Werkstoffoberfläche des zu beschichtenden Bauteils verformt werden und es zu einem Ineinanderfließen der Werkstoffe kommt, so dass eine gut haftende und dichte Beschichtung ausgebildet werden kann.In kinetic cold gas spraying, solid particles to be deposited are, at a temperature which does not lead to melting of the solid particles, directed onto the surface to be coated at such a high speed that upon impact of the particles the particles and / or the material surface of the component to be coated are deformed the materials flow into one another, so that a well-adhering and tight coating can be formed.

Die Erfindung macht sich nunmehr die Tatsache zu Nutze, dass die Haftung und/oder Wachstumsrichtung der Beschichtung auch von der Spritzrichtung, also dem Auftreffwinkel der Partikel auf der Oberfläche, und der Beschaffenheit und/oder Topografie der zu beschichtenden bzw. der bestrahlten oder bespritzten Oberfläche abhängen. Bei einem nahezu senkrechten Auftreffen der Partikel auf die Oberfläche wird im Wesentlichen die gesamte kinetische Energie der Partikel in Verformungs- und Wärmeenergie umgewandelt, welche für die Ausbildung eines entsprechenden Werkstoffverbundes zur Verfügung stehen. Dagegen wird bei einem schrägen Auftreffen auf die Oberfläche die kinetische Energie nicht vollständig in Verformungs- und Wärmeenergie umgewandelt, sondern die Partikel werden teilweise nur abgelenkt, so dass die Energie zur Ausbildung eines entsprechenden Werkstoffverbundes nicht ausreichen kann. Dies kann nun erfindungsgemäß zur Strukturierung einer entsprechenden Beschichtung genutzt werden, indem der Auftreffwinkel der Partikel örtlich und/oder zeitlich variiert wird. Die zeitliche Variation kann durch entsprechende Veränderung der Spritzrichtung, also beispielsweise Verstellung der Spritzeinrichtung, bewirkt werden, während die örtliche Veränderung des Auftreffwinkels durch eine entsprechende Ausbildung der Topografie der bespritzten oder zu beschichtenden Oberfläche vorgenommen werden kann.The invention now makes use of the fact that the adhesion and / or growth direction of the coating also depends on the spraying direction, ie the angle of incidence of the particles on the surface, and the nature and / or topography of the surface to be coated or irradiated or sprayed depend. In a nearly vertical impact of the particles on the surface substantially all of the kinetic energy of the particles is converted into deformation and heat energy, which are available for the formation of a corresponding composite material. In contrast, in an oblique impact on the surface, the kinetic energy is not completely converted into deformation and heat energy, but the particles are partially deflected only so that the energy to form a corresponding composite materials can not be sufficient. This can now be used according to the invention for structuring a corresponding coating by the impingement angle of the particles is varied locally and / or temporally. The temporal variation can be effected by corresponding change in the injection direction, that is, for example, adjustment of the spraying device, during the local change in the angle of impact can be made by a corresponding formation of the topography of the surface to be sprayed or coated.

Darüber hinaus können auch weitere Eigenschaften der bespritzten oder zu beschichtenden Oberfläche, wie beispielsweise Härte der Oberfläche und/oder Materialzusammensetzung, dazu beitragen, ob eine Haftung der Partikel erfolgt und somit eine haftende Beschichtung ausgebildet wird oder nicht. Entsprechend lässt sich auch durch eine örtliche und/oder zeitliche Variation des Eigenschaftsprofils der zu bespritzenden Oberfläche eine entsprechende Strukturierung einer Beschichtung erzielen. Beispielsweise kann dies durch eine Maskierung mit einem entsprechend harten Material, auf welchem die Partikel bei den gegebenen Abscheidebedingungen (Auftreffgeschwindigkeit, Temperatur) nicht haften, realisiert werden.In addition, other properties of the sprayed or to be coated surface, such as hardness of the surface and / or material composition, contribute to whether the adhesion of the particles takes place and thus an adhesive coating is formed or not. Accordingly, a corresponding structuring of a coating can also be achieved by a local and / or temporal variation of the property profile of the surface to be sprayed. For example, this can be achieved by masking with a correspondingly hard material on which the particles do not adhere at the given deposition conditions (impact velocity, temperature).

Insgesamt lässt sich also eine Strukturierung bereits dadurch erzielen, dass auf der zu bespritzenden oder zu beschichtenden Oberfläche nicht zu beschichtende Bereiche oder Bereiche mit geringerer Beschichtungsrate, welche gegenüber anderen Bereichen eine niedrigere Partikelhaftung zeigen, und zu beschichtende oder mit höheren Beschichtungsraten zu beschichtenden Bereiche, die gegenüber anderen Bereichen höhere Partikelhaftung aufweisen, vorgesehen werden.On the whole, structuring can therefore already be achieved in that areas to be spattered or coated on the surface to be coated or areas with a lower coating rate, which show a lower particle adhesion compared to other areas, and areas to be coated or coated at higher coating rates, be provided over other areas higher particle adhesion.

Nach einer Ausführungsform lässt sich dies dadurch erreichen, dass die Topografie der zu bespritzenden Oberfläche so ausgebildet ist, dass Bereiche vorliegen, in denen die Spritzrichtung des Spritzstrahls mit der zu bespritzenden Oberfläche einen schrägen Winkel bilden, so dass an diesen Schrägflächen keine Beschichtung erfolgt. Insbesondere kann der spitze Winkel zwischen der Spritzrichtung des Spritzstrahls und der zu bespritzenden Oberfläche kleiner oder gleich 30°, insbesondere kleiner oder gleich 15°, eingestellt werden. Dem Gegenüber können bei Bereichen, die zu beschichten sind, die spitzen Winkel zwischen der Spritzrichtung des Spritzstrahls und der zu beschichtenden Oberfläche größer oder gleich 45°, insbesondere größer oder gleich 60°, gewählt werden.According to one embodiment, this can be achieved by designing the topography of the surface to be sprayed in such a way that there are regions in which the spray direction of the spray jet forms an oblique angle with the surface to be sprayed, so that no coating takes place on these inclined surfaces. In particular, the acute angle between the spraying direction of the spray jet and the surface to be sprayed can be set to be less than or equal to 30 °, in particular less than or equal to 15 °. The counterpart can be selected in areas that are to be coated, the acute angle between the spray direction of the spray jet and the surface to be coated greater than or equal to 45 °, in particular greater than or equal to 60 °.

Die entsprechende Ausbildung der Topografie mit Schrägflächen gegenüber der Spritzrichtung des Spritzstrahls kann durch Ausbildung entsprechender Erhebungen und/oder Vertiefungen gebildet werden.The corresponding formation of the topography with inclined surfaces with respect to the injection direction of the spray jet can be formed by forming corresponding elevations and / or depressions.

Ähnlich der zielgerichteten Ausbildung der Oberflächentopografie mit entsprechend geneigten Schrägflächen kann zusätzlich oder alternativ die Oberfläche in ihrem Eigenschaftsprofil so eingestellt werden, dass ebenfalls die Ausbildung einer haftenden Beschichtung beeinflusst wird. So kann beispielsweise die Härte der bespritzten Oberfläche in nicht zu beschichtenden Bereichen so hoch gewählt werden, dass keine Verformung bei der gewählten Abscheidetemperatur der Partikel und der Auftreffgeschwindigkeit der Partikel möglich ist, so dass keine Haftung der Partikel auf der Oberfläche möglich ist. Die Härte kann hierbei durch entsprechende Veränderung der Oberfläche, z. B. Verdichtung, oder Vorsehen eines entsprechenden Materials eingestellt werden.Similar to the targeted formation of the surface topography with correspondingly inclined inclined surfaces, in addition or alternatively, the surface can be adjusted in its property profile so that the formation of an adhesive coating is likewise influenced. Thus, for example, the hardness of the sprayed surface in areas not to be coated can be chosen so high that no deformation at the selected deposition temperature of the particles and the impact velocity of the particles is possible, so that no adhesion of the particles on the surface is possible. The hardness can in this case by appropriate change in the surface, z. As compaction, or providing a corresponding material can be adjusted.

Sämtliche Bereiche der zu bespritzenden Oberfläche, die durch Ausbildung entsprechender Schrägflächen und/oder Bereichen mit entsprechend höherer Härte und/oder anderer Materialzusammensetzung zur Vermeidung einer Ausbildung einer haftenden Beschichtung ausgebildet sind, können unmittelbar oder direkt auf der Oberfläche des zu beschichtenden Bauteils ausgebildet sein oder auf einer separaten Maske. Entsprechend kann die Strukturierung mit nicht oder weniger zu beschichtenden Bereichen und Bereichen mit geringerer Partikelhaftung direkt und/oder einstückig und/oder irreversibel an der Bauteiloberfläche ausgebildet sein oder durch ein entsprechende separate und/oder lösbare Maske realisiert werden.All areas of the surface to be sprayed, which are formed by forming corresponding inclined surfaces and / or regions with correspondingly higher hardness and / or other material composition to avoid formation of an adhesive coating, may be formed directly or directly on the surface of the component to be coated or on a separate mask. Accordingly, the structuring with areas to be coated which are not or less to be coated and areas with less particle adhesion can be formed directly and / or in one piece and / or irreversibly on the component surface or can be realized by a corresponding separate and / or detachable mask.

Zusätzlich oder alternativ kann die Spritzrichtung des Spritzstrahls durch entsprechende Veränderung der Spritzeinrichtung und/oder der Ausrichtung des Bauteils kontinuierlich oder schrittweise verändert werden, so dass es durch eine Variation des Auftreffwinkels der Partikel auf der Oberfläche zu einer Strukturierung der Beschichtung kommt.Additionally or alternatively, the spraying direction of the spraying jet can be changed continuously or stepwise by a corresponding change in the spraying device and / or the orientation of the component, so that a structuring of the coating occurs by a variation of the angle of incidence of the particles on the surface.

Darüber hinaus kann die Spritzrichtung des Spritzstrahls im Bezug zur Bauteiloberfläche allgemein in einem beliebigen Winkel zur Oberflächennormale gewählt werden, um in Abhängigkeit der vorliegenden Oberflächentopografie bzw. -maskierung eine optimale Schichtausbildung unter Vermeidung von Brückenbildung zwischen Schicht und Maskierung zu gewährleisten.In addition, the spray direction of the spray jet with respect to the component surface can be generally selected at an arbitrary angle to the surface normal, in order to ensure optimal layer formation, depending on the present surface topography or masking, avoiding bridging between the layer and masking.

Die Spritzrichtung kann durch Veränderung des Winkels des Spritzstrahls zur Oberflächennormalen und/oder durch Drehung des Spritzstrahls um die Oberflächennormale als Drehachse verändert werden.The injection direction can be changed by changing the angle of the spray jet to the surface normal and / or by rotation of the spray jet around the surface normal as a rotation axis.

Da die Oberfläche der abgeschiedenen Beschichtung üblicherweise Rauhigkeiten aufweist, kommt es durch die Veränderung der Spritzrichtung des Spritzstrahls zu einer Veränderung der Hauptwachstumsrichtung, welche im Wesentlichen parallel zur Spritzrichtung gegeben ist. Auch dadurch lässt sich eine Strukturierung der Beschichtung erzielen.Since the surface of the deposited coating usually has roughnesses, the change in the injection direction of the spray jet leads to a change in the main growth direction, which is essentially parallel to the injection direction. This also makes it possible to achieve a structuring of the coating.

Daneben lassen sich auch die Spritzparameter, wie Partikelauftreffgeschwindigkeit und Spritzstrahltemperatur in Abhängigkeit der Oberflächenstruktur der zu bespritzenden Oberfläche, also der Topografie und/oder des Eigenschaftsprofils der zu bespritzenden Oberfläche bzw. der eingestellten Spritzrichtung einstellen bzw. variieren, um dadurch ebenfalls die Strukturierung der Beschichtung zu beeinflussen. Wird nämlich beispielsweise die Partikelauftreffgeschwindigkeit verändert, kann es in bestimmten Bereichen, in denen die Oberfläche mit einer bestimmten Neigung zur Spritzstrahlrichtung ausgerichtet ist, zu einer Veränderung der Haftung der auftreffenden Partikel und somit zu einer Änderung des Beschichtungsverhaltens kommen. Auch dies kann für die Strukturierung der Beschichtung genutzt werden. In addition, the spray parameters, such as particle impact velocity and spray jet temperature, can be adjusted or varied depending on the surface structure of the surface to be sprayed, ie the topography and / or the property profile of the surface to be sprayed or the spraying direction set, thereby also structuring the coating influence. For example, if the particle impact velocity is changed, in certain areas, in which the surface is aligned with a certain inclination to the spray jet direction, there may be a change in the adhesion of the impinging particles and thus to a change in the coating behavior. This too can be used for the structuring of the coating.

Insbesondere können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren strukturierte Einlaufbeläge für Komponenten von Strömungsmaschinen, wie Flugtriebwerken, hergestellt werden, wobei Strukturen wie Honigwaben einfacher und effizienter hergestellt werden können. Darüber hinaus kann durch zusätzliche Strukturierung der Beschichtung, z. B. in Form eines Verdrillens der abgeschiedenen Strukturen durch Änderung der Wachstumsrichtungen, ein verbessertes Eigenschaftsprofil der Beschichtung eingestellt werden, beispielsweise hinsichtlich einer besseren Abdichtung des Spalts zwischen Laufschaufeln und umgebendem Gehäuse. Außerdem werden aufwendige Verfahrensschritte wie unterschiedliche Beschichtungsschritte für Haftschicht und Einlaufbelag vermieden und es kann auf einfache Weise eine Beschichtung bereitgestellt werden, die trotz guter Haftung sehr gute Einlaufeigenschaften aufweist, da durch die Strukturierung eine quasi elastische Struktur gebildet werden kann.In particular, it is possible with the method according to the invention to produce structured inlet linings for components of turbomachines, such as aircraft engines, wherein structures such as honeycombs can be produced more simply and more efficiently. In addition, by additional structuring of the coating, for. B. in the form of a twisting of the deposited structures by changing the growth directions, an improved property profile of the coating can be adjusted, for example, in terms of a better seal the gap between the blades and the surrounding housing. In addition, complex process steps such as different coating steps for adhesive layer and inlet lining are avoided and it can be provided in a simple way, a coating which has good adhesion despite good adhesion, since the structuring of a quasi-elastic structure can be formed.

KURZBESCHREIBUNG DER FIGURENBRIEF DESCRIPTION OF THE FIGURES

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 inFurther advantages, characteristics and features of the present invention will become apparent in the following detailed description of embodiments with reference to the accompanying drawings. The drawings show this in a purely schematic way in

1 eine teilweise Querschnittansicht eines erfindungsgemäß beschichteten Bauteils; 1 a partial cross-sectional view of a coated component according to the invention;

2 eine teilweise Querschnittansicht eines erfindungsgemäß beschichteten Bauteils gemäß einer zweiten Ausführungsform; 2 a partial cross-sectional view of a coated component according to the invention according to a second embodiment;

3 eine teilweise Querschnittansicht eines erfindungsgemäß beschichteten Bauteils gemäß einer dritten Ausführungsform; und in 3 a partial cross-sectional view of a coated component according to the invention according to a third embodiment; and in

4 eine teilweise Querschnittansicht eines erfindungsgemäß beschichteten Bauteils aus zwei unterschiedlichen Richtungen (Teilbild a und b) gemäß einer vierten Ausführungsform. 4 a partial cross-sectional view of a coated component according to the invention from two different directions (partial image a and b) according to a fourth embodiment.

AUSFÜHRUNGSBEISPIELEEMBODIMENTS

Die 1 zeigt eine teilweise Querschnittansicht durch ein Bauteil 1, welches gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschichtet worden ist.The 1 shows a partial cross-sectional view through a component 1 , which has been coated according to a first embodiment of the present invention.

Auf der Bauteiloberfläche 9 des Bauteils 1 befindet sich zum Einen die aufgebrachte Beschichtung 3 und zum Anderen eine Maskierung 2, welche in Form von im Querschnitt dreiecksförmigen Erhebungen ausgebildet ist. Die im Querschnitt dreiecksförmigen Erhebungen 2 der Maskierung können beispielsweise als längs verlaufende Stege mit schrägen Seitenwänden 4 und 5 ausgebildet sein oder als einer Vielzahl von Pyramiden.On the component surface 9 of the component 1 On the one hand is the applied coating 3 and on the other hand a masking 2 , which is formed in the form of triangular cross-section elevations. The triangular in cross section surveys 2 The masking can, for example, as longitudinal webs with oblique side walls 4 and 5 be formed or as a variety of pyramids.

Durch die schrägen Seitenwände 4 und 5 der Maskierung 2 wird der Spritzstrahl 8, der im Wesentlichen senkrecht zur Bauteiloberfläche 9 auf das Bauteil 1 gerichtet ist, mit den schrägen Seitenflächen 4, 5 der Maskierung 2 einen Winkel 6, 7 einschließen, so dass die in dem Spritzstrahl enthaltenen Partikel durch den schrägen Auftreffwinkel nicht auf der Maskierung 2 haften.Through the sloping side walls 4 and 5 the masking 2 becomes the spray jet 8th which is substantially perpendicular to the component surface 9 on the component 1 is directed, with the oblique side surfaces 4 . 5 the masking 2 an angle 6 . 7 so that the particles contained in the spray jet are not on the mask due to the oblique angle of incidence 2 be liable.

Beim kinetischen Kaltgasspritzen werden die auf dem Bauteil 1 aufzubringenden Partikel als Festkörperpartikel auf die Oberfläche 9 gespritzt, so dass beim Auftreffen der Partikel auf der Oberfläche 9 durch die hohen Auftreffgeschwindigkeiten es zu einer Verformung und einem Ineinanderfließen der Partikel und/oder der Bauteiloberfläche 9 kommt, so dass eine dichte und gut haftende Oberflächenbeschichtung ausgebildet wird. Dies ist insbesondere dann gegeben, wenn die Partikel möglichst senkrecht auf die Oberfläche auftreffen, da hier die kinetische Energie der Partikel nahezu vollständig in entsprechende Verformungs- und Wärmeenergie umgewandelt wird. Treffen die Partikel jedoch unter einem Winkel auf die Oberfläche auf, so kommt es zu einer Ablenkung der Partikel und die Partikel behalten einen Teil ihrer kinetischen Energie bei, so dass weniger Energie für die Verbindung mit der Bauteiloberfläche oder einer bereits abgeschiedenen Beschichtung zur Verfügung steht.In kinetic cold gas spraying, those on the component 1 to be applied particles as solid particles on the surface 9 sprayed so that when the particles hit the surface 9 Due to the high impact velocities it leads to a deformation and a flow of the particles and / or the component surface 9 comes, so that a dense and well-adherent surface coating is formed. This is especially true when the particles impinge on the surface as perpendicular as possible, since the kinetic energy of the particles is almost completely converted into corresponding deformation and heat energy. However, if the particles impinge on the surface at an angle, the particles will deflect and the particles will retain some of their kinetic energy, leaving less energy available for connection to the component surface or already deposited coating.

Wie sich nun aus dem Beispiel der 1 deutlich ergibt, wird durch die Maskierung 2 bzw. die entsprechenden Erhebungen mit den schrägen Seitenflächen 4, 5 genau der Effekt erzielt, dass die auftreffenden Festkörperpartikel des Spritzstrahls 8 in einem Winkel 6, 7 auf die schrägen Oberflächen 4, 5 der Maskierung 2 treffen, so dass beim Auftreffen der Partikel auf die schrägen Flächen 4, 5 keine ausreichende Verformung und Erwärmung der Partikel zur Bildung einer fest haftenden Beschichtung gegeben ist. Entsprechend wird also die Auftreffgeschwindigkeit des Spritzstrahls 8 genauso eingestellt, dass in den Bereichen der Bauteiloberfläche 9, in denen keine Maskierung 2 vorliegt und die Partikel im Wesentlichen senkrecht auftreffen, eine ausreichende Umwandlung der kinetischen Energie in Verformungs- und Wärmeenergie stattfindet, so dass eine Haftung der Partikel auf der Bauteiloberfläche 9 ermöglicht wird, während in den Bereichen, in denen die Maskierung 2 mit den schrägen Oberflächen 4, 5 vorliegt, die entsprechende Energieumwandlung nicht ausreicht, um eine fest haftende Schicht zu erzeugen.As can be seen from the example of 1 clearly shows, by the masking 2 or the corresponding elevations with the oblique side surfaces 4 . 5 exactly the effect achieved that the impinging solid particles of the spray jet 8th at an angle 6 . 7 on the sloping surfaces 4 . 5 the masking 2 hit, so that when the particles hit the sloping surfaces 4 . 5 none sufficient deformation and heating of the particles is given to form a firmly adhering coating. Accordingly, therefore, the impact velocity of the spray jet 8th just set that in the areas of the component surface 9 in which no masking 2 is present and the particles impinge substantially vertically, a sufficient conversion of the kinetic energy into deformation and heat energy takes place, so that adhesion of the particles on the component surface 9 allows, while in the areas where the masking 2 with the sloping surfaces 4 . 5 is present, the corresponding energy conversion is not sufficient to produce a firmly adhering layer.

Wie sich aus der 1 ergibt, weist der Spritzstrahl 8 mit der schrägen Oberfläche 5 einen spitzen Winkel 6 und einen stumpfen Winkel 7 auf. Die Spritzrichtung des Spritzstrahls 8 und die Ausrichtung der schrägen Oberflächen 4, 5 der Maskierung 2 wird nun so gewählt, dass der spitze Winkel 6 möglichst kleiner oder gleich 30°, insbesondere kleiner oder gleich 15°, ist, so dass eine Haftung der auftreffenden Partikel vermieden wird.As is clear from the 1 results, the spray jet points 8th with the sloping surface 5 an acute angle 6 and an obtuse angle 7 on. The spray direction of the spray jet 8th and the orientation of the sloping surfaces 4 . 5 the masking 2 is now chosen so that the acute angle 6 preferably less than or equal to 30 °, in particular less than or equal to 15 °, so that adhesion of the impinging particles is avoided.

Die 2 zeigt eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Beschichtungsverfahrens, wobei zur Erzielung einer Strukturierung der Beschichtung 3 die Bauteiloberfläche 9 integral mit entsprechenden „Fehlstellen” 2', 2'' ausgebildet ist. Neben den aus der 1 bekannten „Fehlstellen” in Form von Erhebungen mit schrägen Seitenflächen, welche bei der Ausführungsform der 2 mit 2'' und 4'' bzw. 5'' bezeichnet sind, sind bei dem Beispiel der 2 in der Bauteiloberfläche 9 des Bauteils 1 auch entsprechende Senken 2' mit entsprechenden Schrägflächen 4' und 5' ausgebildet. Die Einstrahlrichtung des Partikelstroms, d. h. die Spritzrichtung ist wieder mit dein Pfeil, der mit dem Bezugszeichen 8 bezeichnet ist, dargestellt.The 2 shows a further embodiment of the coating method according to the invention, wherein to achieve a structuring of the coating 3 the component surface 9 integral with corresponding "defects" 2 ' . 2 '' is trained. In addition to the from the 1 known "flaws" in the form of elevations with oblique side surfaces, which in the embodiment of the 2 With 2 '' and 4 '' respectively. 5 '' are designated in the example of the 2 in the component surface 9 of the component 1 also corresponding sinks 2 ' with corresponding inclined surfaces 4 ' and 5 ' educated. The irradiation direction of the particle flow, ie the injection direction is again with your arrow, with the reference numeral 8th is indicated, shown.

Die Ausführungsform der 2 unterscheidet sich also dahingehend von dem Ausführungsbeispiel der 1, dass die örtliche Variation der Abscheidebedingungen nicht durch eine separat aufgebrachte Maskierung, wie beim Ausführungsbeispiel der 1, gegeben ist, sondern durch integral und einstückig am Bauteil bzw. der Bauteiloberfläche 9 vorgesehene Oberflächenveränderungen. Daneben werden nicht nur Erhebungen, wie bspw. Stege mit entsprechenden Schrägflächen oder Pyramidenstrukturen vorgesehen, wie bspw. die „Fehlstellen” 2'', sondern auch entsprechende Senken oder Vertiefungen, die als Nuten oder Rinnen mit entsprechenden schrägen Seitenflächen 4', 5' oder als pyramidenartige Vertiefungen ausgebildet sein können. Auch hier bildet der Spritzstrahl bzw. Partikelstrom mit seiner Spritzrichtung 8 einen Winkel mit den Schrägflächen 4' und 4'' bzw. 5' und 5'', so dass es unter den gegebenen Spritzbedingungen, d. h. den Partikelgeschwindigkeiten und/oder Temperaturen, im Bereich der Schrägflächen nicht zu einer Ausbildung einer haftenden Beschichtung kommt, sondern lediglich in den Oberflächenbereichen, in denen die Partikel des Spritzstrahls nahezu senkrecht auf die Bauteiloberfläche 9 auftreffen.The embodiment of the 2 Thus differs from the embodiment of the 1 in that the local variation of the deposition conditions is not caused by a separately applied masking, as in the exemplary embodiment of FIG 1 , but by integrally and integrally on the component or the component surface 9 intended surface changes. In addition, not only elevations, such as. Webs are provided with corresponding inclined surfaces or pyramidal structures, such as, for example, the "defects" 2 '' but also corresponding depressions or depressions, which are called grooves or gutters with corresponding oblique side surfaces 4 ' . 5 ' or may be formed as pyramid-like depressions. Again, the spray jet or particle flow forms with its injection direction 8th an angle with the inclined surfaces 4 ' and 4 '' respectively. 5 ' and 5 '' , so that under the given spraying conditions, ie the particle velocities and / or temperatures, in the region of the inclined surfaces does not result in the formation of an adhesive coating, but only in the surface regions in which the particles of the spray jet almost perpendicular to the component surface 9 incident.

Die 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Beschichtung, wobei die Strukturierung der Beschichtung 3 hierbei dadurch erreicht wird, dass Bereiche der Bauteiloberfläche 9 mit verändertem Eigenschaftsprofil vorgesehen sind, welches dazu führt, dass in diesen Bereichen ebenfalls keine Haftung der Partikel des mittels kinetischem Kaltgasspritzen aufgebrachten Partikelstroms erfolgt. Das Eigenschaftsprofil kann in der Weise geändert sein, dass es sich um Bereiche mit größerer Härte handelt, die also in geeigneter Weise bearbeitet worden sind, um beispielsweise durch eine Verdichtung eine größere Harte aufzuweisen. Darüber hinaus können derartige Bereiche durch eine andere Materialzusammensetzung gebildet sein. Beispielsweise kann, wie in der 3 dargestellt ist, auf der Oberfläche 9 des Bauteils 1 eine Struktur aus einer aufgebrachten Maskenbeschichtung 12 vorgesehen sein, wobei die Maskenbeschichtung 12 eine derart große Harte aufweist, dass selbst bei einem nahezu senkrecht auftreffenden Partikelstrom gemäß der Spritzrichtung 8 keine Haftung der Partikel auf der Maskenbeschichtung 12 erfolgt, sondern lediglich in den Bereichen, in denen keine Maskenbeschichtung 12 vorgesehen ist.The 3 shows a further embodiment of a coating according to the invention, wherein the structuring of the coating 3 this is achieved in that areas of the component surface 9 are provided with a modified property profile, which leads to the fact that in these areas also no adhesion of the particles of the applied by means of kinetic cold gas spraying particle flow takes place. The property profile may be changed in such a way that they are areas of greater hardness, that is, have been suitably machined to have a greater hardness, for example, by compaction. In addition, such areas may be formed by a different material composition. For example, as in the 3 is shown on the surface 9 of the component 1 a structure of an applied mask coating 12 be provided, wherein the mask coating 12 has such a high hardness that even with a nearly perpendicular impinging particle flow according to the injection direction 8th no adhesion of the particles on the mask coating 12 takes place, but only in those areas where no mask coating 12 is provided.

Die 4 zeigt eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Beschichtungsverfahrens, welche alleine oder in Kombination mit den anderen Ausführungsformen gemäß den 1 bis 3 angewandt werden kann.The 4 shows a further embodiment of the coating method according to the invention, which alone or in combination with the other embodiments according to the 1 to 3 can be applied.

Die 4 zeigt eine strukturierte Beschichtung 3, wobei die Beschichtung 3' aus drei Lagen 3', 3'' und 3''' ausgebildet ist. Die verschiedenen Lagen 3', 3'' und 3''' sind durch unterschiedliche Spritzrichtungen 8', 8'' und 8''' erzeugt worden.The 4 shows a structured coating 3 , where the coating 3 ' from three layers 3 ' . 3 '' and 3 ''' is trained. The different layers 3 ' . 3 '' and 3 ''' are due to different injection directions 8th' . 8th'' and 8th''' been generated.

Zunächst ist, wie in der 4a) dargestellt ist, das Bauteil 1, welches mit einer Maskenbeschichtung 12 versehen ist, mit einem Spritzstrahl beaufschlagt worden, der nahezu senkrecht auf die Bauteiloberfläche 9 gerichtet ist. Durch die strukturierte Maskenbeschichtung 12, welche beispielsweise eine Härte aufweist, bei der die Partikel des Spritzstrahls unter den gegebenen Spritzbedingungen, wie Auftreffgeschwindigkeit und Partikeltemperatur, keine fest haftende Beschichtung bilden, wird eine Strukturierung gemäß der Struktur der Maskenbeschichtung gebildet, da in den nicht mit einer Maskenbeschichtung 12 versehenen Oberflächenbereichen der Bauteiloberfläche 9 die aufgespritzten Partikel haften und somit die erste Lage 3' der strukturierten Beschichtung 3 aufgebaut wird.First, as in the 4a ), the component 1 , which with a mask coating 12 is provided with a spray jet, which is almost perpendicular to the component surface 9 is directed. Through the textured mask coating 12 For example, which has a hardness at which the particles of the spray jet do not form a firmly adhering coating under the given spraying conditions such as impact velocity and particle temperature, patterning according to the structure of the mask coating is formed because of the non-mask coating 12 provided surface areas of the component surface 9 the sprayed particles adhere and thus the first location 3 ' the structured coating 3 is built.

Danach wird in einem zweiten Verfahrensschritt die Spritzrichtung geändert und zwar so, dass die Spritzrichtung 8'' schräg zur Bauteiloberfläche ausgerichtet ist, also einen Winkel zur Oberflächennormale 10 einnimmt. Durch die Änderung der Spritzrichtung kommt es auch zu einer Änderung der Wachstumsrichtung der Beschichtung 3, wie sich aus dem Teilbild 4a) für die Lage 3'' ergibt. Da die Oberfläche der Beschichtung 3 zumindest im mikroskopischen Bereich rau ist, haften die Partikel, die auf einen Obeflächenbereich treffen, der nahezu senkrecht bzw. quer zur Spritzrichtung ausgerichtet ist, besser auf der Beschichtungsoberfläche als in Bereichen mit einer anderen Ausrichtung der Beschichtungsoberfläche. Dadurch kommt es zu einer Änderung der bevorzugten Wachstumsrichtung der Beschichtung 3. Dies kann nun dazu genutzt werden gezielt durch Veränderung der Spritzrichtung eine entsprechende Struktur auszubilden, wie z. B. eine Verdrillung der Beschichtungsbereiche.Thereafter, in a second process step, the injection direction is changed in such a way that the injection direction 8th'' oriented obliquely to the component surface, ie an angle to the surface normal 10 occupies. By changing the injection direction, there is also a change in the growth direction of the coating 3 , as is apparent from the drawing 4a ) for the situation 3 '' results. Because the surface of the coating 3 at least at the microscopic level, the particles adhering to an area of surface that is nearly perpendicular to the direction of injection adhere better to the coating surface than in areas having a different orientation of the coating surface. This leads to a change in the preferred growth direction of the coating 3 , This can now be used specifically by changing the injection direction to form a corresponding structure, such. B. a twist of the coating areas.

Die Spritzrichtung kann hierbei kontinuierlich verändert werden oder in Schritten, wie dies bspw. beim Ausführungsbeispiel 4 gezeigt ist. Nach dem Ausbilden der Lage 3'' ist die Spritzrichtung 8'' in die Spritzrichtung 8''' verändert worden, indem der Spritzstrahl unter Beibehaltung des Winkels zur Oberflächennormale 10 um die Oberflächennormale 10 als Drehachse gedreht worden ist, wie dies durch die gestrichelte Linie 11 angedeutet ist. Entsprechend bleibt auf Grund des unveränderten Neigungswinkels des Spritzstrahls zur zu bespritzenden Oberfläche die geneigte Wachstumsrichtung der Lage 3''' gemäß der Ansicht der 4a) erhalten, während sich jedoch, wie bei einer Ansicht um 90° gedreht, wie in 4b) gezeigt, ersichtlich wird, die Wachstumsrichtung ebenfalls gedreht hat.The injection direction can be changed continuously or in steps, as for example in the embodiment 4 is shown. After forming the situation 3 '' is the injection direction 8th'' in the direction of injection 8th''' been changed by the spray jet while maintaining the angle to the surface normal 10 around the surface normal 10 has been rotated as a rotation axis, as indicated by the dashed line 11 is indicated. Accordingly, due to the unchanged angle of inclination of the spray jet to be sprayed surface remains the inclined growth direction of the situation 3 ''' according to the view of 4a ), while, as in a view rotated by 90 °, as in 4b ), it can be seen that the growth direction has also rotated.

Entsprechend lässt sich durch Variationen der Oberflächenbeschaffenheit, sei es durch unterschiedliche Eigenschaften wie Härte, unterschiedliche Materialzusammensetzung und/oder Ausbildung unterschiedlicher Oberflächentopografien, sowie zusätzlich oder alternativ durch Variation der Einstrahlrichtung des Spritzstrahls eine entsprechende Strukturierung einer mittels kinetischem Kaltgasspritzen abgeschiedenen Beschichtung vornehmen. Da darüber hinaus auch die Auftreffgeschwindigkeit der Partikel und/oder die Temperatur der Partikel beim Auftreffen, also die Temperatur des Partikelstroms, einen Einfluss haben, ob es zu einer Ausbildung einer haftenden Beschichtung kommt oder nicht, kann zudem in Abhängigkeit der gewählten Oberflächeneigenschaften und/oder -struktur der zu beschichtenden Bauteiloberfläche zusätzlich Einfluss auf die zu erzielende Beschichtung genommen werden. Durch Variation der Auftreffgeschwindigkeit und/oder der Temperatur des Partikelstroms lassen sich beispielsweise Veränderungen herbeiführen, die zu einer Beschichtung in entsprechend strukturierten Oberflächenbereichen führen oder nicht.Accordingly, by varying the surface properties, be it by different properties such as hardness, different material composition and / or formation of different surface topographies, as well as additionally or alternatively by varying the direction of irradiation of the spray jet, a corresponding structuring of a deposited by kinetic cold gas spraying coating make. In addition, since the impact velocity of the particles and / or the temperature of the particles upon impact, so the temperature of the particle flow, have an influence, whether it comes to a formation of an adhesive coating or not, can also depending on the selected surface properties and / or Structure of the component surface to be coated additionally influence on the coating to be achieved are taken. By varying the impact velocity and / or the temperature of the particle flow, for example, changes can be brought about which lead to a coating in correspondingly structured surface regions or not.

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 in der Weise möglich sind, dass einzelne Merkmale weggelassen werden und/oder andersartige Kombinationen der Merkmale vorgenommen werden, ohne dass der Schutzbereich der beigefügten Ansprüche verlassen wird. Die vorliegende Erfindung beansprucht insbesondere sämtliche Kombinationen aller vorgestellten Merkmale.Although the present invention has been described in detail with reference to the embodiments, it will be understood by those skilled in the art that the invention is not limited to these embodiments, but rather modifications are possible in the manner that individual features are omitted and / or other combinations of features without departing from the scope of the appended claims. In particular, the present invention claims all combinations of all features presented.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

EP 1312761 B1 [0003]

Claims

A method for producing a structured coating on a component surface by kinetic cold gas spraying of solid particles, characterized in that the structure is produced in that the angle of incidence of the spray jet on the sprayed surface and / or the property profile of the sprayed surface vary temporally and / or locally by different conditions of adhesion of the sprayed particles on the sprayed surface to produce the structure.

A method according to claim 1, characterized in that the structure is formed by non-coated or with a lower coating rate to be coated areas with respect to other areas of lower particle adhesion and by coating or with higher coating rate to be coated areas with respect to other areas of higher particle adhesion.

A method according to claim 1 or 2, characterized in that the injection direction of the spray jet with the sprayed surface in areas in which no or a small coating is to take place, an acute angle ( 6 ) assumes less than or equal to 30 °, in particular less than or equal to 15 °, and / or assumes an acute angle greater than or equal to 45 °, in particular greater than or equal to 60 °, in regions in which a coating is to take place.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that areas which are not or less to be coated or regions with lower particle adhesion by areas ( 2 ) with elevations and / or depressions with sides which are inclined to the injection direction ( 4 . 5 ) are formed.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that areas which are not or less to be coated ( 12 ) or areas ( 12 ) with lower particle adhesion have a higher hardness and / or different material composition than the areas to be coated or to be coated or areas with greater particle adhesion.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that areas which are not or less to be coated ( 2 . 12 ) or areas ( 2 . 12 ) are formed with less particle adhesion directly and / or in one piece and / or irreversibly on the component surface and / or are arranged on a separate and / or detachably provided on the component surface mask.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the spraying direction of the spray jet with respect to the component surface is changed continuously or stepwise during the coating and / or obliquely to the surface normal ( 10 ) is set.

Method according to claim 7, characterized in that the injection direction ( 8th ) by changing the angle to the surface normal ( 10 ) and / or by rotation about the surface normal ( 10 ) is changed.

A method according to claim 7 or 8, characterized in that the growth direction of the coating is changed by changing the injection direction, wherein the growth direction is formed substantially parallel to the injection direction.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the spray parameters, in particular particle impact velocity and / or particle temperature, are selected and / or changed depending on the surface structure of the surface to be sprayed and / or the spray direction for structuring the coating.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that a coating for a component of a turbomachine, in particular a gas turbine is produced, in particular an inlet lining, preferably a structured inlet lining for gas turbine components.