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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur elektrochemischen partiellen Beschichtung eines Bauteils, insbesondere eine Turbinenschaufel, nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie eine Vorrichtung zur Durchführung eines derartigen Verfahrens.
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Heizgaskomponenten von Strömungsmaschinen wie Gasturbinen werden regelmäßig zur Erhöhung der mechanischen, chemischen, und thermischen Beständigkeit sowie zur Leistungssteigerung der Gasturbine an sich mit einer keramischen und/oder metallischen Schutzschicht versehen. Die Aufbringung der Schutzschicht erfolgt dabei jeweils in Abhängigkeit von ihrer Werkstoff bzw. der Werkstoffzusammensetzung. So wird z. B. in der
DE 697 32 404 T3 vorgeschlagen, auf Schaufelflächen eine Schutzschicht aus einer MCrAlY-Legierung durch eine Niederdruckplasma-Sprayabscheidung oder durch eine physikalische Elektronenstrahl-Dampfabscheidung aufzubringen. Platinbasierte Beschichtungen hingegen werden bevorzugterweise galvanisch durch elektrochemische Abscheidung aufgebracht. Um dabei die Menge des jeweiligen Beschichtungsmaterials aus Kostengründen gering zu halten, erfolgt häufig nur eine Beschichtung einzelner Schaufelflächen. Hierzu werden die nicht zu beschichtenden Schaufelflächen mit einer Maskierung in Form einer Folie, in Form von Klebebändern, in Form eines Wachs oder in Form von Lacken abgedeckt. Das Aufbringen und Entfernen der Maskierung ist jedoch eine manuelle und somit zeitaufwändige Tätigkeit. Zudem ermöglicht diese Art der Maskierung nicht, eine Beschichtung in einer bestimmten partiellen Beschichtungsstärke aufzutragen. Es ist nur möglich, eine maskierte Schaufelfläche frei von einer Beschichtung zu halten, nicht jedoch eine maskierte Schaufelfläche mit einer Beschichtung mit einer lokal reduzierten Schichtstärke zu versehen.
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In der
EP 1 076 116 B1 wird zur galvanischen Abscheidung einer Platinschicht auf eine Teilfläche einer Turbinenschaufel vorgeschlagen, eine Abscheidungsanode in einem derart engen Abstand zur Teilfläche anzuordnen, dass vorrangig nur die Teilfläche beschichtet wird. Dieses Verfahren eignet sich aber vorrangig nur zum Einsatz bei konkavartigen Teilflächen, da durch die konkavartige Ausbildung ein quasi seitlich abgeschlossener Beschichtungsraum zwischen der Teilfläche und der Anode geschaffen wird. Bei Beschichtung einer konvexartigen Teilfläche erfolgt eine wesentliche höhere ungewollte Streuung des Beschichtungsmaterials und somit eine Ablagerung an benachbarten Bauteilflächen, so dass ein wirksamer Schutz der nicht zu beschichtender Bauteilflächen nicht erfolgt. Eine individuelle Einstellung einer Schichtstärke ist auch mit diesem Verfahren nicht möglich.
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Aus der
US 2008/0302667 A1 und der
US 2006/0037865 A1 sind Verfahren und Vorrichtungen zum elektrochemischen Beschichten von Gasturbinenbauteilen insbesondere von Schaufeln bekannt. Dabei werden elektrisch neutrale Formblenden verwendet, welche den Elektrolytfluss zur Bauteiloberfläche lokal einschränken. Auf diese Weisen werden die Bauteile im Bereich der Formblenden dünner beschichtet als in den nicht von den Blenden abgeschirmten Bauteilbereichen. Zwischen den Formblenden und den Bauteiloberflächen ist somit immer ein gewisser Mindestabstand vorhanden. Dieser beträgt vorzugsweise mindestens 2,54 mm. Die Formblenden kommen allerdings nicht in Kontakt mit der Bauteiloberfläche, so dass durch den reduzierten Elektrolytfluss trotz allem eine Beschichtung in diesem Bereich stattfindet.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur elektrochemischen partiellen Beschichtung eines Bauteils, insbesondere eine Turbinenschaufel, das die vorgenannten Nachteile beseitigt und eine individuelle Behandlung einer Bauteilfläche, d. h. Reduzierung einer Schichtstärke einer Beschichtung einer Bauteilfläche gegenüber angrenzenden Bauteilflächenabschnitten einschließlich einer Vermeidung einer Beschichtung der Bauteilfläche, erlaubt, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung eines derartigen Verfahrens zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 5.
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Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zur elektrochemischen partiellen Beschichtung eines Bauteils mit einem Beschichtungsmaterial, insbesondere eine Turbinenschaufel, wird das Bauteil in ein eine Anode aufnehmendes Prozessbad angeordnet und als Kathode wirkend bestromt. Erfindungsgemäß wird zur Behandlung einer Bauteilfläche eine Formblende mit einer zur Bauteilfläche konturnahen Formfläche in einem Abstand ≥ 0 mm zur Bauteilfläche positioniert. Somit wird eine Schichtstärke der Beschichtung im Bereich der Bauteilfläche über den Abstand der konturnahen Formfläche von der Bauteilfläche eingestellt, wobei die Bauteilfläche auch vollständig von einer Beschichtung freigehalten werden kann. Bei Einstellung eines Abstands von 0 mm erfolgt eine Verblendung der Bauteilfläche, wodurch eine Beschichtung der Bauteilfläche verhindert wird. Das kostenintensive bekannte Maskieren wie Abkleben und Lackieren entfällt. Ebenso entfallen zeitintensive Nachreinigungsarbeiten, um Abdeckreste, Klebereste usw. zu entfernen. Dabei wird durch die Konturnähe der Formfläche verhindert, dass sich zwischen der Bauteilfläche und der Formfläche ein ungewollter Spalt bildet, in das Beschichtungsmaterial eindringen kann. Bei Einstellung eines Abstandes von > 0 mm wird ein Spalt zwischen der Formfläche und der Bauteilfläche gebildet, so dass eine Beschichtung des Bauteils im Bereich der Bauteilfläche mit einer gegenüber angrenzenden Bauteilflächenabschnitten reduzierten Schichtstärke ermöglicht wird. Dabei wird durch die Konturnähe der Formfläche ein konstanter Spalt zwischen der Bauteilfläche und der Formfläche gebildet, so dass die Schichtstärke sehr präzise reduziert bzw. eingestellt werden kann.
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Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel zur Verblendung richtet sich die Formblende zum Bauteil aus. Hierdurch wird die Verblendung der nicht zu beschichtenden Bauteilfläche automatisiert und somit vereinfacht. Das Verblenden der Bauteilfläche erfolgt entweder zeitgleich oder nachfolgend nach der Positionierung des Bauteils in dem Prozessbad.
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Zur bauteilbündigen Anlage der Formblende an die Bauteilfläche ist es vorteilhaft, wenn die Formblende in dem Prozessbad beweglich gelagert wird.
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Bei einem anderen Ausführungsbeispiel wird das Bauteil in ein die Formblende aufnehmendes Blendengehäuse eingesetzt und dadurch zur Formblende ausgerichtet. Hierdurch kann die Positionierung des Bauteils zur Formblende außerhalb des Prozessbades kontrolliert werden.
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Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens hat eine Aufnahme zur Aufnahme zumindest eines zu beschichtenden Bauteils und eine Formblende zur Behandlung einer Bauteilfläche, d. h. Reduzierung einer Schichtstärke einer Beschichtung des Bauteils im Bereich der Bauteilfläche bis hin zu einer Vermeidung einer Beschichtung der Bauteilfläche, die eine zur Bauteilfläche konturnahe Formfläche hat. Die Form bzw. Gestalt der Formblende richtet sich nach der jeweils abzudeckenden Bauteilfläche. So kann sie beispielsweise saugseitig, druckseitig, anströmkantenseitig oder abströmkantenseitig angeordnet werden.
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Zur Ermöglichung einer selbsttätigen Ausrichtung der Formblende zum Bauteil bzw. zur selbsttätigen Anlage und somit Verblendung der nicht zu beschichtenden Bauteilfläche kann die Vorrichtung in dem Prozessbad vorgesehene Federelemente wie Federn und elastische Bänder aufweisen.
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Alternativ kann die Formblende in einem Blendengehäuse zur Aufnahme des zu beschichtenden Bauteils integriert sein. Hierdurch ist eine Art Schubladensystem geschaffen, das mit verschiedenen Formblenden für verschiedene Bauteile bestückt werden kann.
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Die Formblende bzw. die Formfläche hat insbesondere bei der Anordnung in einem Blendegehäuse eine feste Gestalt.
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Bei einem anderen Ausführungsbeispiel ist zumindest die Formfläche der Formblende elastisch, so dass Bauteil- und Montagetoleranzen bzw. Lagerungstoleranzen des Bauteils in dem Prozessbad durch die Elastizität der Formblende bzw. der Formfläche ausgeglichen werden können. Ebenso ist eine derartige Formblende flexibel bei einer Vielzahl von Bauteilen bzw. Turbinenschaufeln einsetzbar. Die Formblende kann an die jeweils abzudeckende Bauteilfläche angepasst werden, so dass bspw. ebenfalls eine Anströmkante und eine Abströmkante einer Turbinenschaufel verblendet werden können.
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Eine Nachreinigung der Formblende entfällt, wenn diese grundsätzlich durch elektrochemische Abscheidung nicht beschichtbar ist, so dass sich beim Beschichten des Bauteils das Beschichtungsmaterial nicht an der Formblende ablagern kann.
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Sonstige vorteilhafte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind Gegenstand weiterer Unteransprüche.
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Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand stark vereinfachter schematischer Darstellungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine perspektivische Ansicht einer mit einer erfindungsgemäßen Formblende versehenen Turbinenschaufel,
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2 eine Draufsicht auf die Anordnung aus 1, und
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3 einen erfindungsgemäßen Verfahrensschritt zur Herstellung der in den 1 und 2 gezeigten Anordnung.
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Die 1 und 2 zeigen eine Schaufel 1 einer Strömungsmaschine, beispielsweise eine Gasturbinenschaufel eines Flugzeugtriebwerks, und eine an der Schaufel 1 ausgerichtete erfindungsgemäße Formblende 2 zur partiellen Behandlung der Schaufel 1 als Vorbereitung einer -partiellen Beschichtung durch elektrochemische Abscheidung eines Beschichtungsmaterials wie Platin.
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Die Schaufel 1, vorzugsweise aus einer einkristallinen Nickelbasis-Superlegierung, hat ein Schaufelblatt 4, das sich stark vereinfacht von einem Schaufelfuß 6 erstreckt und eine konvexartige Saugseite 8 sowie eine von der Saugseite 8 abgewandte konkavartige Druckseite 10 aufweist. Zudem weist die Schaufel 1 eine von der Saug- und Druckseite 8, 10 gebildete Anströmkante 12 und eine Abströmkante 14 sowie eine von dem Schaufelfuß 6 entfernt liegende Schaufelspitze 16 auf. Des Weiteren ist die Schaufel 1 mit einem nicht gezeigten Kühlluftbohrungsschema zur inneren und äußeren Kühlung versehen.
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Die Formblende 2 zur Behandlung einer saugseitigen Bauteilfläche 18 hat eine feste Gestalt mit einer der Bauteilfläche 18 entsprechenden konturnahen Innenfläche 20 sowie einer von der Innenfläche 20 abgewandten Außenfläche 22. Die Form bzw. Gestalt der Formblende 2 richtet sich nach der jeweils abzudeckenden Bauteilfläche 18. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel hat sie zur Abdeckung der saugseitigen Bauteilfläche 18, die sich in Strömungsrichtung von einem Flächenbereich 24 stromabwärts der Anströmkante 12 zur Abströmkante 14 und in Schaufellängsrichtung von dem Schaufelfuß 6 zur Schaufelspitze 16 erstreckt, eine etwa rechteckige Form. Dabei ist sie über jeweils einen etwa konstanten Randabschnitt 26, 28 von dem Schaufelfuß 6 und der Schaufelspitze 16 beabstandet. Zum Ausgleich von Bauteil- und Montagetoleranzen weist die Formblende 2 bzw. die Innenfläche 20 eine gewisse Elastizität auf. Die Formblende 2 besteht vorzugsweise aus einem kunststoffbasiertem Material, das resistent gegen einen bei der elektrochemischen Abscheidung verwendeten Elektrolyten ist und an dem sich das abgeschiedene Beschichtungsmaterial nicht anlagern kann. Sie ist beweglich über Federelemente in einem nicht gezeigten Prozessbad gelagert.
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Im Folgenden wird ein beispielhaftes Verfahren zur Vermeidung einer Beschichtung der Bauteilfläche 18 beschrieben: Die Schaufel 1 wird in einer Aufnahme einer nicht gezeigten Vorrichtung eingespannt. Die mit der Schaufel 1 bestückte Vorrichtung wird dann in einem Prozessbad positioniert, das von einer mit einem Elektrolyten befüllten Wanne gebildet wird. Durch Zuführung einer Prozesslösung werden dem Elektrolyten und somit dem Prozessbad Platinionen zugeführt. Nach der Positionierung der Vorrichtung in dem Prozessbad legt sich gemäß dem Pfeil in 3 die Formblende 2 bündig und somit in einem Abstand von 0 mm mit ihrer Innenfläche 20 an die nicht zu beschichtende Bauteilfläche 18 an. Die Schaufel 1 wird mit dem Minuspol einer nicht gezeigten Gleichstromquelle verbunden, deren Pluspol mit einer in dem Prozessbad angeordneten Abscheidungsanode verbunden ist. Die Anode besteht vorzugsweise aus einem elektrisch leitfähigen Material wie platinkaschiertem oder platiniertem Titan oder Niob. Durch Bestromung der als Kathode wirkenden Schaufel 1 sowie der Anode werden Platinionen aus der Prozesslösung an den nicht von der Formblende 2 abgedeckten Schaufelbereichen wie Druckseite 10, Anströmkante 12, Abströmkante 14 und Schaufelspitze 16 abgeschieden. Nach erfolgter Beschichtung wird die Formblende 2 von der Schaufel 1 entfernt und diese dem Prozessbad entnommen. Als Ergebnis ist die Schaufel 1 vollumfänglich mit einer Platinschutzschicht außer im Bereich der Bauteilfläche 18 versehen, die von der Formblende 2 abgedeckt war.
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Offenbart ist ein Verfahren zur elektrochemischen partiellen Beschichtung eines Bauteils, insbesondere einer Turbinenschaufel, wobei zur Behandlung einer Bauteilfläche, d. h. zur Reduzierung einer Schichtstärke einer Beschichtung des Bauteils im Bereich der Bauteilfläche bis hin zur Einstellung einer Schichtstärke von 0 mm und somit einer Vermeidung einer Beschichtung der Bauteilfläche, eine zur Bauteilfläche konturnahe Formfläche einer Formblende in Anlage mit der Bauteilfläche gebracht wird (Abstand = 0 mm) oder von der Bauteilfläche beabstandet wird (Abstand > 0 mm) sowie eine Vorrichtung zur Durchführung eines derartigen Verfahrens.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Schaufel
- 2
- Formblende
- 4
- Schaufelblatt
- 6
- Schaufelfuß
- 8
- Saugseite
- 10
- Druckseite
- 12
- Anströmkante
- 14
- Abströmkante
- 16
- Schaufelspitze
- 18
- Bauteilfläche
- 20
- Innenfläche
- 22
- Außenfläche
- 24
- Flächenbereich
- 26
- Randabschnitt
- 28
- Randabschnitt
