DE102011009421A1 - Method for coating blades of e.g. aircraft engine with fluid to resist operating conditions at high temperatures of combustion gas in industrial application, involves applying pourable coating material on component using printing methods - Google Patents

Method for coating blades of e.g. aircraft engine with fluid to resist operating conditions at high temperatures of combustion gas in industrial application, involves applying pourable coating material on component using printing methods Download PDF

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Abstract

The method involves applying a pourable coating material e.g. fluid, paste or suspension, on a gas turbine component using a typographical printing method, a gravure printing method or a planographic printing method. The coating material is subjected to a post-treatment process for hardening and connection with a substrate, where the post-treatment process includes a heat treatment process and/or a deformation process. The coating material is selected such that the material forms a partial layer of an erosion protective layer, a corrosion protective layer and/or a heat insulation layer. The printing method is selected from a group consisting of flexo-printing method, pad printing method, stamp printing method and offset printing method.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNGBACKGROUND OF THE INVENTION

GEBIET DER ERFINDUNGFIELD OF THE INVENTION

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Beschichten von Bauteilen von Gasturbinen, insbesondere Flugtriebwerken mit einem Beschichtungsmaterial, wobei das Beschichtungsmaterial in einen fließfähigen Zustand gebracht wird oder in diesem bereits vorliegt.The invention relates to a method for coating components of gas turbines, in particular aircraft engines with a coating material, wherein the coating material is brought into a flowable state or already present in this.

STAND DER TECHNIKSTATE OF THE ART

Bauteile von Gasturbinen, die beispielsweise stationär zur Stromerzeugung eingesetzt werden, oder von Flugtriebwerken müssen mit Beschichtungen versehen werden, um den Betriebsbedingungen bei hohen Temperaturen und hohen Strömungsgeschwindigkeiten von Gasen, insbesondere Verbrennungsgasen widerstehen zu können. Entsprechend werden vielfältige Beschichtungen auf Turbinen- bzw. Triebwerksbauteilen und insbesondere auf Triebwerksschaufeln eingesetzt. Diese Schichten dienen beispielsweise dem Korrosionsschutz, insbesondere dem Hochtemperaturkorrosions- bzw. -Oxidationsschutz, und/oder dem Erosionsschutz. Darüber hinaus ist es auch bekannt sogenannte Wärmedämmschichten vorzusehen, die einem Temperaturgradienten von der Bauteiloberfläche zum Grundwerkstoff erzeugen sollen, sodass im Grundbauteil niedrigere Bauteiltemperaturen vorliegen.Components of gas turbines, which are used for stationary power generation, for example, or of aircraft engines must be provided with coatings in order to withstand the operating conditions at high temperatures and high flow velocities of gases, in particular combustion gases can. Accordingly, a variety of coatings are used on turbine or engine components and in particular on engine blades. These layers serve, for example, corrosion protection, in particular high-temperature corrosion or oxidation protection, and / or erosion protection. In addition, it is also known to provide so-called thermal barrier coatings which are intended to produce a temperature gradient from the component surface to the base material, so that lower component temperatures are present in the base component.

Insbesondere können die aufgebrachten Schichten aus vielen Teilschichten aufgebaut sein und komplexe Strukturen aufweisen, wie dies beispielsweise bei Wärmedämmschichten oder Erosionsschutzschichten der Fall ist.In particular, the applied layers can be composed of many partial layers and have complex structures, as is the case for example with thermal barrier coatings or erosion protection layers.

Darüber hinaus sind bei derartigen Beschichtungen auch verschiedene Werkstoffkombinationen im Einsatz, wie beispielsweise bei Wärmedämmschichten, bei denen Keramikschichten auf einer metallischen Haftvermittlerschicht vorgesehen sein können, die neben der Haftvermittlung zwischen den Keramikschichten und dem Grundwerkstoff zudem eine Hochtemperaturoxidationsschutzwirkung entfaltet.In addition, with such coatings, various combinations of materials are in use, such as in thermal barrier coatings in which ceramic layers may be provided on a metallic adhesive layer, which also develops a high-temperature oxidation protection in addition to the adhesion between the ceramic layers and the base material.

Nach dem Stand der Technik werden derartige Schichten häufig durch Spritzverfahren, beispielsweise durch thermisches Spritzen oder Kaltgasspritzen oder durch Schweißverfahren, wie beispielsweise Wolfram-Inertgasschweißen, Plasmaschweißen oder dergleichen aufgebracht. Auch andere Verfahren, wie Streichverfahren oder Tauchverfahren können eingesetzt werden.According to the prior art, such layers are often applied by spraying methods, for example by thermal spraying or cold gas spraying or by welding methods, such as, for example, tungsten inert gas welding, plasma welding or the like. Other methods, such as brushing or dipping methods can also be used.

Aus der DE 197 11 562 A1 ist es ferner bekannt, dass eine Lotpaste zum Auftraglöten auf Werkstücken durch Siebdruck aufgebracht werden kann.From the DE 197 11 562 A1 It is also known that a solder paste for order soldering on workpieces can be applied by screen printing.

Bei den bisherigen Verfahren zur Beschichtung von Triebbauteilen, insbesondere Triebwerksbauteilen besteht die Problematik darin, dass diese Verfahren sehr aufwendig und damit teuer sind und/oder Schwierigkeiten für eine stabile, reproduzierbar Prozessführung bereiten. So können beispielsweise Streichverfahren oder Eintauchverfahren oder auch Spritzverfahren aufgrund vielfältiger unterschiedlicher Umgebungsbedingungen zu unterschiedlichen Beschichtungsergebnissen führen.In the previous method for coating drive components, in particular engine components, the problem is that these methods are very complicated and thus expensive and / or cause difficulties for a stable, reproducible process control. For example, coating methods or dipping methods or spraying methods can lead to different coating results due to a variety of different environmental conditions.

OFFENBARUNG DER ERFINDUNGDISCLOSURE OF THE INVENTION

AUFGABE DER ERFINDUNGOBJECT OF THE INVENTION

Es ist deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Beschichtungsverfahren für Bauteile von Gasturbinen, insbesondere Flugtriebwerksbauteile bereitzustellen, welches einfach durchführbar ist und gleichzeitig verlässlich reproduzierbare Ergebnisse bietet und somit in der industriellen Anwendung eine hohe Prozesssicherheit liefert. Insbesondere soll ein derartiges Verfahren auch für Kleinserien geeignet sein.It is therefore an object of the present invention to provide a coating method for components of gas turbines, in particular aircraft engine components, which is simple to perform and at the same time reliably provides reproducible results and thus provides high process reliability in industrial applications. In particular, such a method should also be suitable for small batches.

TECHNISCHE LÖSUNGTECHNICAL SOLUTION

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1. vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.This object is achieved by a method having the features of claim 1. Advantageous embodiments are the subject of the dependent claims.

Die Erfindung geht aus von der Idee, für die verschiedenen Beschichtungen, die bei Gasturbinenbauteilen, insbesondere Flugtriebwerksbauteilen eingesetzt werden, eine drucktechnische Beschichtung anzuwenden, wobei das Beschichtungsmaterial in einen fließfähigen Zustand gebracht wird oder in einem fließfähigen Zustand bereits vorliegt und das fließfähige Beschichtungsmaterial, also ein Fluid, mittels eines Hochdruckverfahrens, eines Tiefdruckverfahrens oder eines Flachdruckverfahrens auf das Turbinenbauteil aufgebracht wird.The invention is based on the idea of applying a printing-technical coating to the various coatings used in gas turbine components, in particular aircraft engine components, wherein the coating material is brought into a flowable state or is already present in a flowable state and the flowable coating material, ie Fluid is applied by means of a high pressure process, a gravure printing method or a planographic printing process on the turbine component.

Hierbei können sowohl direkte als auch indirekte Druckverfahren eingesetzt werden, wobei bei den direkten Druckverfahren das Druckbild direkt von der Druckform auf das zu beschichtende Bauteil aufgebracht wird, während bei indirekten Druckverfahren das Druckbild zunächst auf einen Zwischenträger aufgebracht wird und der Zwischenträger das Beschichtungsmaterial dann an das zu beschichtende Bauteil abgibt.In this case, both direct and indirect printing methods can be used, wherein the direct printing process, the print image is applied directly from the printing plate on the component to be coated, while in indirect printing process, the print image is first applied to an intermediate carrier and the intermediate carrier, the coating material then to the to be coated component.

Wie sich bereits aus dem Ausdruck „Druckbild” ergibt, sind drucktechnische Verfahren auch dazu geeignet spezielle Konturen in den Beschichtungen vorzusehen, während aber natürlich auf vollflächige Beschichtungen möglich sind.As already apparent from the term "print image", printing techniques are also suitable to provide special contours in the coatings, but of course are possible on full-surface coatings.

Bei den erfindungsgemäß einzusetzenden Hochdruckverfahren werden Druckformen eingesetzt, bei denen die sogenannten Bildstellen der Druckform, die zur Übertragung des Beschichtungsmaterials auf das zu beschichtende Bauteil beitragen, höher stehen als die Nichtbildstellen, also als diejenigen Stellen, die keinen Übertrag der Beschichtung auf das zu beschichtende Bauteil ermöglichen. Bei Flachdruckformen liegen Bildstellen und Nichtbildstellen der Druckform annähernd in einer Ebene, während beim Tiefdruck wiederum die Bildstellen der Druckform tiefer liegen als die Nichtbildstellen.In the case of the high-pressure methods to be used according to the invention, printing plates are used in which the so-called image areas of the printing plate, which contribute to the transfer of the coating material to the component to be coated, are higher than the non-image areas, ie those points which do not transfer the coating to the component to be coated enable. In planographic printing forms are image locations and non-image areas of the printing form approximately in one plane, while in gravure again the image positions of the printing form are lower than the non-image areas.

Für das Beschichten von Turbinenbauteilen, wie insbesondere Triebwerksschaufeln sind besonderes das Flexodruckverfahren, das Tampondruckverfahren, das Stempeldruckverfahren und das Offsetdruckverfahren geeignet.For the coating of turbine components, in particular engine blades, the flexographic printing process, the pad printing process, the stamp printing process and the offset printing process are particularly suitable.

Um das Beschichtungsmaterial in Form eines Fluids vorliegen zu haben, welches bei den entsprechenden Druckverfahren von der Druckform auf das zu beschichtende Bauteil übertragen wird, kann das Beschichtungsmaterial pulverförmig in einem Binde- oder Lösemittel vorliegen, um eine entsprechende Paste oder Suspension zu bilden.In order to have the coating material in the form of a fluid, which is transferred from the printing forme to the component to be coated in the corresponding printing process, the coating material may be in powder form in a binder or solvent to form a corresponding paste or suspension.

Das Binde- oder Lösemittel kann lediglich zur Aufbringung des Pulvers Verwendung finden und bei einer anschließenden Nachbehandlung zersetzt und/oder ausgetrieben werden, sodass lediglich das pulverförmige Beschichtungsmaterial die Beschichtung bildet. Darüber hinaus ist es jedoch auch denkbar Binde- und/oder Lösemittel einzusetzen, die in der anschließenden Beschichtung verbleiben und zusammen mit dem übrigen Beschichtungsmaterial den Beschichtungswerkstoff bilden.The binder or solvent can only be used to apply the powder and be decomposed and / or expelled during a subsequent aftertreatment, so that only the powdery coating material forms the coating. In addition, however, it is also conceivable to use binders and / or solvents which remain in the subsequent coating and form the coating material together with the remaining coating material.

Das in das Binde- oder Lösemittel eingebrachte Beschichtungspulver kann Pulverpartikel aus Werkstoffkombinationen, insbesondere Legierungen und/oder Pulverpartikel aus Einzelwerkstoffen umfassen, die dann durch eine entsprechende Mischung wiederum zu entsprechenden Werkstoffkombinationen oder Legierungen in der Beschichtung führen können.The coating powder introduced into the binder or solvent can comprise powder particles of material combinations, in particular alloys and / or powder particles of individual materials, which in turn can then lead to corresponding combinations of materials or alloys in the coating by a corresponding mixture.

Das aufgedruckte, fließfähige Beschichtungsmaterial kann einer Nachbehandlung zur Verfestigung und Verbindung mit dem Substrat unterzogen werden, wie beispielsweise Wärmebehandlungen und/oder Umformprozessen. Insbesondere können die aufgedruckten Beschichtungsmaterialen durch entsprechende Wärmebehandlungen gesintert werden, wobei das Binde- und/oder Lösemittel aus der Beschichtung ausgetrieben wird und die pulverförmigen Beschichtungsmaterialien untereinander und mit dem zu beschichtenden Bauteil verbunden werden.The printed, flowable coating material may be subjected to a post-treatment for solidification and bonding to the substrate, such as heat treatments and / or forming processes. In particular, the printed coating materials can be sintered by appropriate heat treatments, wherein the binder and / or solvent is expelled from the coating and the powdered coating materials are connected to each other and to the component to be coated.

Das drucktechnische Aufbringen von Beschichtungen kann für komplette Schichten eingesetzt werden oder auch nur für Teilschichten eines Schichtsystems.The printing technology of coatings can be used for complete layers or even for partial layers of a layer system.

Insbesondere können damit zumindest Teilschichten oder ganze Beschichtungen für Erosionsschutzschichten, Korosionsschutzschichten, insbesondere Hochtemperatur-Korosionsschutzschichten und/oder Wärmedämmschichten aufgebracht werden.In particular, at least partial layers or entire coatings for erosion protection layers, corrosion protection layers, in particular high-temperature corrosion protection layers and / or thermal insulation layers can be applied.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren können auch mehrere Schichten hintereinander aufgebracht werden, indem das Verfahren mehrfach hintereinander wiederholt wird. So kann beispielsweise eine erste Teilschicht aufgedruckt werden und durch eine Wärmebehandlung auf dem zu beschichtenden Bauteil fest gesintert werden und anschließend eine weitere Teilschicht wieder aufgedruckt und durch Wärmebehandlungen oder sonstige Nachbehandlung auf der vorher aufgebrachten Teilschicht verfestigt werden.By means of the method according to the invention, it is also possible to apply several layers in succession by repeating the method several times in succession. Thus, for example, a first part-layer can be printed on and firmly sintered by a heat treatment on the component to be coated, and then a further part-layer is printed again and solidified by heat treatments or other aftertreatment on the previously applied sub-layer.

Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich besonders für die Beschichtung von Triebwerksschaufeln, da auch komplexe Oberflächen mit den entsprechenden Drucktechniken bedruckt werden können und zwar in einer hoch automatisierten Art und Weise, welche eine hohe Prozesssicherheit und Reproduzierbarkeit bietet.The inventive method is particularly suitable for the coating of engine blades, as well as complex surfaces can be printed with the appropriate printing techniques in a highly automated manner, which offers a high process reliability and reproducibility.

AUSFÜHRUNGSBEISPIELEmbodiment

Für die Beschichtung einer Triebwerksschaufel mit einer Korosionsschutzschicht und Haftvermittelschicht für eine darüber anzuordnende Wärmedämmschicht kann ein Tampon-Druckverfahren eingesetzt werden, wobei für die Herstellung einer sogenannten MCrAlY-Schicht mit M gleich Ni, Fe oder Co nano-skaliges Pulver oder Pulver mit einem Partikeldurchmesser im Mikrometerbereich in einer wässerigen oder öligen Suspension vorbereitet wird, um die Suspension über das Tampon-Druckverfahren auf die Triebwerksschaufeloberfläche aufzudrucken. Als Pulver wird Legierungspulver eingesetzt, welches aus einer entsprechenden Legierungsschmelze durch Verdüsen hergestellt worden ist.For the coating of an engine blade with a corrosion protection layer and adhesive layer for a heat insulation layer to be arranged above a tampon printing method can be used, for the production of a so-called MCrAlY layer with M equal to Ni, Fe or Co nanoscale powder or powder with a particle diameter in Micron range in an aqueous or oily suspension to print the suspension onto the engine blade surface via the tampon printing process. The powder used is alloy powder which has been produced from a corresponding alloy melt by atomization.

Nachdem das fließfähige Beschichtungsmaterial in Form der Suspension auf der Triebwerksschaufel aufgebracht ist, wird diese einer Wärmebehandlung unterzogen, sodass das wässerige oder ölige Lösungsmittel verdampft oder verbrennt, wobei gleichzeitig oder anschließend die vorliegenden Pulverpartikel aus der MCrAlY-Legierung zu einer fest anhaftenden Beschichtung zusammen sintern.After the flowable coating material in the form of the suspension is applied to the engine blade, it is subjected to a heat treatment so that the aqueous or oily solvent evaporates or burns, simultaneously or subsequently with the present Sinter powder particles of the MCrAlY alloy together to form a firmly adhering coating.

Obwohl die vorliegende Erfindung anhand des Ausführungsbeispiels detailliert beschrieben worden ist, ist für den Fachmann selbstverständlich, dass die Erfindung nicht auf dieses Ausführungsbeispiel beschränkt ist, sondern dass vielmehr Abwandlungen in der Weise möglich sind, dass einzelne Merkmale weggelassen werden können oder dass andere Kombinationen von Merkmalen verwirklicht werden können, ohne dass der Schutzbereich der beigefügten Ansprüche verlassen wird. Insbesondere umfasst die vorliegende Erfindung sämtliche Kombinationen aller vorgestellter Einzelmerkmale.Although the present invention has been described in detail with reference to the embodiment, it will be understood by those skilled in the art that the invention is not limited to this embodiment, but rather modifications are possible in the manner that individual features may be omitted or other combinations of features can be achieved without departing from the scope of the appended claims. In particular, the present invention encompasses all combinations of all presented individual features.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 19711562 A1 [0006] DE 19711562 A1 [0006]

Claims (10)

Verfahren zum Beschichten von Bauteilen von Gasturbinen, insbesondere Flugtriebwerken und Gasturbinen mit einem Beschichtungsmaterial, wobei das Beschichtungsmaterial in einem fließfähigen Zustand vorliegt oder in einen fließfähigen Zustand gebracht wird, dadurch gekennzeichnet, dass das fließfähige Beschichtungsmaterial mittels eines Hochdruckverfahrens, eines Tiefdruckverfahrens oder eines Flachdruckverfahrens auf das Turbinenbauteil aufgebracht wird.Method for coating components of gas turbines, in particular aircraft engines and gas turbines with a coating material, wherein the coating material is in a flowable state or is brought into a flowable state, characterized in that the flowable coating material by means of a high-pressure method, a gravure printing method or a planographic printing on the Turbine component is applied. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein direktes oder indirektes Druckverfahren eingesetzt wird.A method according to claim 1, characterized in that a direct or indirect printing method is used. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckverfahren ausgewählt wird aus der Gruppe, die Flexodruck, Tampondruck, Stempeldruck und Offset-Druck umfasst.A method according to claim 1 or 2, characterized in that the printing method is selected from the group comprising flexographic printing, pad printing, stamp printing and offset printing. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Beschichtungsmaterial pulverförmig in einem Binde- oder Lösemittel vorliegt und eine Paste oder Suspension bildet.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the coating material is in powder form in a binder or solvent and forms a paste or suspension. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Beschichtungspulver Pulverpartikel aus Werkstoffkombinationen, insbesondere Legierungen, und/oder Pulverpartikeln aus Einzelwerkstoffen umfasst.A method according to claim 4, characterized in that the coating powder comprises powder particles of material combinations, in particular alloys, and / or powder particles of individual materials. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das aufgedruckte fließfähige Beschichtungsmaterial einer Nachbehandlung zur Verfestigung und Verbindung mit dem Substrat unterzogen wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the printed flowable coating material is subjected to a post-treatment for solidification and connection to the substrate. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Nachbehandlung eine Wärmebehandlung und/oder Umformprozesse umfasst.A method according to claim 6, characterized in that the post-treatment comprises a heat treatment and / or forming processes. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Beschichtungsmaterial so gewählt ist, dass es mindestens eine Teilschicht einer Erosionsschutzschicht, einer Korrosionsschutzschicht und/oder einer Wärmedämmschicht bildet.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the coating material is chosen so that it forms at least one sub-layer of an erosion control layer, a corrosion protection layer and / or a thermal barrier coating. Verfahren nach einem der vorhergehenden Asprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Schichten durch Wiederholung des Verfahrens nacheinander abgeschieden werden.Method according to one of the preceding claims, characterized in that several layers are deposited successively by repeating the method. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zu beschichtende Bauteil eine Triebwerksschaufel ist.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the component to be coated is an engine blade.
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