DE102011102602A1

DE102011102602A1 - Kaltgasspritzverfahren mit verbesserter Haftung und verringerter Schichtporosität

Info

Publication number: DE102011102602A1
Application number: DE102011102602A
Authority: DE
Inventors: Dr. Hertter Manuel; Dr. Werner André
Original assignee: MTU Aero Engines GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines AG
Priority date: 2011-05-27
Filing date: 2011-05-27
Publication date: 2012-11-29
Also published as: WO2012163321A1; EP2714963B1; EP2714963A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beschichtung eines Bauteils, bei welchem der Beschichtungsstoff in Pulverform mittels Kaltgasspritzen auf das zu beschichtende Bauteil aufgebracht wird, wobei anschließend eine Oberflächenwärmebehandlung durchgeführt wird, bei welcher der abgeschiedene Beschichtungsstoff aufgeschmolzen wird. Die Erfindung betrifft ferner eine entsprechende Beschichtung auf einem Bauteil, die mit dem Verfahren hergestellt worden ist.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beschichtung eines Bauteils, bei welchem der Beschichtungsstoff in Pulverform mittels Kaltgasspritzen auf das zu beschichtende Bauteil aufgebracht wird sowie eine entsprechende Beschichtung, die mit diesem Verfahren hergestellt worden ist.
STAND DER TECHNIK
Beim Kaltgasspritzen werden Pulverteilchen mit hoher Geschwindigkeit in Richtung eines Bauteils beschleunigt, auf welchem das Pulver als Schicht abgeschieden werden soll. Durch die hohe Geschwindigkeit, mit der die Pulverteilchen mittels eines Trägergases in Richtung auf das zu beschichtende Bauteil bewegt werden, kommt es beim Auftreffen auf das Bauteil zu einer Umwandlung der kinetischen Energie in Verformungsenergie und die Pulverpartikel und/oder die Bauteiloberfläche werden so stark verformt, dass die Werkstoffe ineinander fließen, sodass sich eine gegenseitige Verbindung ergibt.
Der Vorteil des kinetischen Kaltgasspritzens besteht darin, dass kein zusätzlicher Aufwand für das Aufschmelzen der Pulverpartikel bzw. Erwärmen der Pulverpartikel wie beim Plasmaspritzen oder Flammspritzen erforderlich ist. Außerdem befinden sich die Pulverpartikel beim Kaltgasspritzen in Temperaturbereichen, in denen sie mit der Umgebung nicht oder nur geringfügig reagieren, sodass keine Maßnahmen ergriffen werden müssen, um zu verhindern, dass die Pulverpartikel beispielsweise oxidieren. Darüber hinaus können auch Werkstoffe beschichtet werden, die möglicherweise nur bei sehr hohen Temperaturen entsprechend aufschmelzen würden.
Allerdings ist beim Kaltgasspritzverfahren nachteilig, dass durch die relativ niedrige Arbeitstemperatur unterhalb des Schmelzpunkts des Beschichtungsstoffs die Fließfähigkeit der Pulverpartikel eingeschränkt ist und es somit zur Ausbildung von Poren in der Beschichtung kommen kann. Außerdem kann die Haftfestigkeit entsprechend beeinträchtigt sein.
Aus der WO 2006/075994 A2 ist ein Beschichtungsverfahren zur Beschichtung von Turbinenschaufeln bekannt, bei welchem nachfolgend einer Abscheidung der Schicht mittels kinetischem Kaltgasspritzen ein Verdichtungsprozess mittels heiß-isostatischem Pressen (HIP) durchgeführt wird. Allerdings ist hierbei nachteilig, dass neben dem großen Aufwand keine Maßstabilität des gesamten Bauteils gegeben ist.
Aus der WO 2006/050329 A1 ist ein Kaltgasspritzverfahren mit anschließender Wärmebehandlung bekannt, um gewünschte Gefügeeinstellungen zu bewirken.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
AUFGABE DER ERFINDUNG
Es ist deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Beschichtung eines Bauteils bereitzustellen, bei dem die Probleme des Standes der Technik vermieden oder zumindest verringert werden. Insbesondere ist es Aufgabe, das Kaltgasspritzen in der Weise weiter zu verbessern, dass die Problematik der Porenbildung gelöst und die Haftfestigkeit verbessert werden kann. Gleichzeitig soll jedoch das Kaltgasspritzverfahren weiterhin einfach durchführbar sein.
TECHNISCHE LÖSUNG
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie eine Beschichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 7. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die Erfindung schlägt vor, das Kaltgasspritzen dahingehend zu erweitern, dass nach dem Aufbringen des Beschichtungsstoffs bzw. der Beschichtung eine Oberflächenwärmebehandlung durchgeführt wird, bei welcher die Beschichtung und/oder oberflächennahe Bereiche des Bauteils aufgeschmolzen werden.
Durch das oberflächliche Aufschmelzen der abgeschiedenen Beschichtung bzw. des Übergangsbereichs zwischen dem Bauteil und der Beschichtung wird einerseits die Haftfestigkeit verbessert, da die mechanisch ineinander geflossenen Werkstoffe nunmehr auch in geschmolzener Form verstärkt ineinander fließen können. Darüber hinaus wird eventuell existierende Porosität in der Beschichtung beseitigt, da das in den Poren eingeschlossene Gas aus der aufgeschmolzenen Beschichtung entweichen kann und das angrenzende Material in die entsprechenden Hohlräume fließen kann.
Die Oberflächenwärmebehandlung kann durch verschiedenste geeignete Verfahren und Vorrichtungen durchgeführt werden, wie beispielsweise durch Erwärmung mittels eines Gasbrenners, eines Lasers oder auch durch Induktionserwärmung. Auch andere Verfahren zur Erwärmung nur der Oberfläche bzw. der Beschichtung und des Grenzbereichs zwischen Bauteil und Beschichtung sind einsetzbar.
Bevorzugt kann auch die Kaltgasspritzeinrichtung selbst, mit der die Beschichtung aufgebracht worden ist, zur Oberflächenwärmebehandlung eingesetzt werden. Zu diesem Zweck muss lediglich das entsprechende Trägergas stärker erwärmt werden, als dies beispielsweise bei der Abscheidung der Pulverpartikel erfolgt ist.
Bei dem vorgeschlagenen Verfahren sollen nur die Oberflächenbereiche, also die Beschichtung und der Grenzbereich des Bauteils zur Beschichtung aufgeschmolzen werden, während der Kern des Bauteils weder aufgeschmolzen noch erwärmt werden soll. Vorzugsweise soll die Kerntemperatur des Bauteils so niedrig gehalten werden wie möglich, um unerwünschte Gefügeveränderungen zu vermeiden.
Bei einer lagenweisen Abscheidung der Beschichtung kann die Oberflächenwärmebehandlung mit Aufschmelzen der Beschichtung nach jeder Abscheidung einer Lage oder je nach Bedarf zwischen der Abscheidung von aufeinander folgenden Lagen durchgeführt werden.
Eine weitere Verbesserung der Haftfestigkeit der abgeschiedenen Beschichtung lässt sich durch eine Aufrauung der Bauteiloberfläche vor Abscheidung der Schicht erzielen und/oder durch Vorwärmung der Bauteiloberfläche.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann insbesondere für die Abscheidung von Lotwerkstoffen auf Turbinenbauteilen von Gasturbinen bzw. Flugtriebwerken eingesetzt werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
Die beigefügten Figuren zeigen in rein schematischer Darstellung in
1 eine Darstellung der Abscheidung einer Beschichtung mittels kinetischem Kaltgasspritzen;
2 eine schematische Schnittdarstellung durch ein Bauteil mit einer entsprechenden Beschichtung; und in
3 eine schematische Schnittansicht durch das fertig gestellte Bauteil mit der Beschichtung.
AUSFÜHRUNGSBEISPIEL
Weitere Vorteile, Kennzeichen und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden bei der nachfolgenden detaillierten Beschreibung eines Ausführungsbeispiels deutlich. Allerdings ist die Erfindung nicht auf dieses Ausführungsbeispiel beschränkt.
Die 1 zeigt eine Kaltgasspritzvorrichtung 4, welche eine Gaszufuhr 6 aufweist, über die ein Trägergas zugeführt wird, welches zum Transport der abzuscheidenden Pulverpartikel 8 auf der Oberfläche des Bauteils 1 dient. Das Trägergas 6 wird von einer Gaszuführeinrichtung (nicht gezeigt) mit hohem Druck und hoher Geschwindigkeit in die Kaltgasspritzvorrichtung 4 eingeführt, wo es über eine Düsenanordnung, z. B. eine Laval-Düse 5, mit sehr hoher Geschwindigkeit austritt und in Richtung der zu beschichtenden Oberfläche des Bauteils 1 strömt (Spritzstrahl 3). Die Geschwindigkeit des Trägergases kann hierbei im Bereich der Schallgeschwindigkeit liegen.
In der Kaltgasspritzvorrichtung 4 ist zudem eine Pulverzuführung 7 vorgesehen, über die ein zu beschichtender Werkstoff in Form eines Pulvers zugeführt werden kann, sodass er mit dem Trägergas die Kaltgasspritzvorrichtung 4 über die Laval-Düse 5 verlässt und auf dem Bauteil abgeschieden werden kann.
Das Trägergas kann auch entsprechend temperiert werden, sodass es durchaus im Temperaturbereich von bis zu einigen 100°C liegen kann. Allerdings wird die Temperatur beim Kaltgasspritzen nicht so hoch gewählt, dass der Beschichtungswerkstoff mittels des Trägergases aufgeschmolzen wird. Vielmehr treffen die Pulverpartikel 8 in nicht geschmolzenem Zustand auf die Oberfläche des Bauteils 1 auf, wobei durch die hohe Auftreffgeschwindigkeit der Partikel 8 beim Auftreffen eine Verformung der Partikel 8 und/oder der Bauteiloberfläche stattfindet, sodass es zu einem Ineinanderfließen der Werkstoffe und/oder einem Verschweißen der Werkstoffe kommt. Dadurch kann eine dichte, gut haftende Schicht 2 auf dem Bauteil 1 ausgebildet werden.
Allerdings können beim Kaltgasspritzen durch die eingeschränkte Fließfähigkeit des Beschichtungswerkstoffs Poren in der Schicht verbleiben, wie dies in der schematischen Darstellung der 2 gezeigt ist, in der die Poren 9 in der Beschichtung 2 rein schematisch dargestellt sind. Um diese Porosität zu beseitigen wird erfindungsgemäß nach Aufbringen der Schicht 2 eine Oberflächenwärmebehandlung durchgeführt, bei der die Beschichtung 2 aufgeschmolzen wird, sodass eine Verdichtung der Schicht 2 und Beseitigung der Porosität bewirkt wird. Die Oberflächenwärmebehandlung zur Aufschmelzung der Schicht 2 kann durch Behandlung mit einem Gasbrenner, einem Laser oder durch induktive Erwärmung erfolgen. Darüber hinaus ist es auch möglich mit dem aufgeheizten Trägergas der Kaltspritzvorrichtung 4 ein Aufschmelzen der Schicht 2 zu bewirken. Zu diesem Zweck muss lediglich die Temperatur des Trägergases entsprechend erhöht werden. Die Kaltspritzvorrichtung 4 wird dann ohne Zufuhr von Pulverpartikel praktisch als Heißluftdüse verwendet.
Die 3 zeigt das Bauteil 1 mit der Beschichtung 2 nach Durchführung der Oberflächenwärmebehandlung mit Aufschmelzen der Beschichtung 2 bzw. von Oberflächenbereichen des Bauteils 1 bzw. der Bereiche an der Grenzfläche zur Beschichtung 2.
Wie durch die gestrichelte Linie 10, die die frühere Oberfläche der Beschichtung 2 darstellt, angedeutet ist, kommt es zu einer Kompaktierung der Beschichtung 2, da die Poren 3 aus der Schicht beseitigt sind.
Darüber hinaus ist auch im Gefügebild einer entsprechend aufgebrachten Beschichtung bzw. des Randschichtbereichs des Bauteils 1 und des Übergangsbereichs zwischen Bauteil 1 und Beschichtung 2 eine entsprechend veränderte Struktur zu beobachten, die durch den Schmelzprozess zu Stande kommt. Da gleichzeitig gewährleistet ist, dass durch das Kaltgasspritzen keine unerwünschten chemischen Reaktionen des Pulvers beim Aufbringen mit Umgebungsgasen erfolgt, können durch die erfindungsgemäße Kombination Vorteile einer Schichtabscheidung in der Schmelzphase mit Vorteilen des kinetischen Kaltgasspritzens kombiniert werden. Entsprechend fehlt es in der Beschichtung an entsprechenden Reaktionsomponenten, die beispielsweise beim thermischen Spritzen zu beobachten wären.
Um die Haftfestigkeit der Beschichtung 2 auf dem Bauteil 1 weiter zu erhöhen kann zusätzlich eine Aufrauung der Bauteiloberfläche vor Aufbringen der Beschichtung erfolgen und/oder Vorwärmung, wobei durch die raue Oberfläche und das anschließende Aufschmelzen der Beschichtung 2 und/oder der Grenzfläche zwischen Bauteil 1 und Beschichtung 2 ein besonders intensives Ineinanderfließen der Werkstoffe auftritt, welches eine besonders gute Haftung der Beschichtung auf dem Bauteil 1 gewährleistet.
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 oder verschiedene Kombinationen von Merkmalen realisiert werden können, ohne dass der Schutzbereich der beigefügten Ansprüche verlassen wird. Insbesondere umfasst die Offenbarung der vorliegenden Erfindung sämtliche Kombinationen sämtlicher vorgestellter Einzelmerkmale.
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

WO 2006/075994 A2 [0005]
WO 2006/050329 A1 [0006]

Claims

Verfahren zur Beschichtung eines Bauteils, bei welchem der Beschichtungsstoff in Pulverform (8) mittels Kaltgasspritzen auf das zu beschichtende Bauteil (1) aufgebracht wird, dadurch gekennzeichnet, dass anschließend eine Oberflächenwärmebehandlung durchgeführt wird, bei welcher der abgeschiedene Beschichtungsstoff aufgeschmolzen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenwärmebehandlung durch die Kaltgasspritzeinrichtung (4), einen Gasbrenner, Laser oder Induktionserwärmung erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass oberflächennahe Bereiche des Bauteils (1) ebenfalls aufgeschmolzen werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern des Bauteils (1) weder aufgeschmolzen noch in einen Temperaturbereich erwärmt wird, der der Oberflächentemperatur nahe kommt, insbesondere unterhalb von 70% der Oberflächentemperatur, vorzugsweise unterhalb von 50% der Oberflächentemperatur liegt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (2) lagenweise abgeschieden wird und die Oberflächenwärmebehandlung nach jeder Abscheidung einer Lage oder ein oder mehrmals zwischen der Abscheidung von aufeinanderfolgenden Lage durchgeführt wild.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche des Bauteils (1) vor der Abscheidung des Beschichtungsstoffes aufgeraut wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche des Bauteils (1) vor der Schichtabscheidung erwärmt wird.
Beschichtung auf einem Bauteil hergestellt mit dem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche.