DE102012218666A1 - Producing protective layer on component which is partially made of titanium-aluminum alloy comprising e.g. titanium and aluminum, comprises subjecting component to electrochemical anodization for forming aluminum oxide-rich protective layer - Google Patents

Producing protective layer on component which is partially made of titanium-aluminum alloy comprising e.g. titanium and aluminum, comprises subjecting component to electrochemical anodization for forming aluminum oxide-rich protective layer Download PDF

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Abstract

Producing protective layer on a component (16) which is at least partially made of a titanium-aluminum alloy comprising 40-55 atom% titanium, 40-50 atom% aluminum, 1-15 atom% niobium or tantalum, 0-0.5 atom% boron or carbon, and 0-5 atom% iron, silicon, chromium, molybdenum, manganese or zirconium, comprises subjecting the component to electrochemical anodization for forming an aluminum oxide-rich protective layer. The weight of the components of the alloy, is = 100 atom%. Independent claims are also included for: (1) manufacturing the component, preferably an exhaust gas turbocharger, comprising the above method; and (2) the component, preferably the exhaust gas turbocharger manufactured according by the above method.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen einer Schutzschicht auf einem Bauteil, wobei das Bauteil eine Titan-Aluminium-Legierung aufweist.The present invention relates to a method for producing a protective layer on a component, wherein the component comprises a titanium-aluminum alloy.

Stand der TechnikState of the art

Für eine Vielzahl von Anwendungen werden leichte und oxidationsstabile Bauteile verwendet. Für moderne Verbrennungsmotoren, beispielsweise, werden zunehmend Abgasturbolader eingesetzt, um sparsame und dennoch dynamische und komfortable Dieselmotoren und Ottomotoren zu realisieren. Als Material für das abgasseitige Turbinenrad werden dabei Nickel-Basis-Legierungen verwendet. Ferner sind Abgasturbolader bekannt, welche auf Titanaluminiden (TiAl) basierende Legierungen verwenden.For a variety of applications light and oxidation-resistant components are used. For modern combustion engines, for example, exhaust gas turbochargers are increasingly used to realize economical yet dynamic and comfortable diesel engines and gasoline engines. As the material for the exhaust gas turbine wheel nickel-base alloys are used. Furthermore, exhaust gas turbochargers are known which use titanium aluminide (TiAl) based alloys.

Aus der Offenlegungsschrift DE 10 2008 059 617 A1 , beispielsweise, ist ein Abgasturbolader einer Brennkraftmaschine bekannt. Ein derartiger Abgasturbolader umfasst in an sich bekannter Weise einen Rotor mit einem Verdichterrad und einem Turbinenrad, wobei das Verdichterrad und das Turbinenrad über eine Welle drehfest miteinander verbunden sind. Dabei ist das Turbinenrad aus einem Titanaluminid ausgebildet. From the publication DE 10 2008 059 617 A1 For example, an exhaust gas turbocharger of an internal combustion engine is known. Such an exhaust gas turbocharger comprises, in a manner known per se, a rotor with a compressor wheel and a turbine wheel, wherein the compressor wheel and the turbine wheel are connected to each other in a rotationally fixed manner via a shaft. In this case, the turbine wheel is formed from a titanium aluminide.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Erzeugen einer Schutzschicht auf einem Bauteil, wobei das Bauteil zumindest teilweise aus einer Titan-Aluminium-Legierung ausgestaltet ist, wobei die Titan-Aluminium-Legierung umfasst:

  • – Titan in einem Bereich von größer oder gleich 40 at.-% bis kleiner oder gleich 55 at.-%;
  • – Aluminium in einem Bereich von größer oder gleich 40 at.-% bis kleiner oder gleich 50 at.-%;
  • – Niob oder Tantal in einem Bereich von jeweils größer oder gleich 1 at.-% bis kleiner oder gleich 15 at.-%;
  • – Bor oder Kohlenstoff in einem Bereich von jeweils größer oder gleich 0 at.-% bis kleiner oder gleich 0,5 at.-%; und
  • – Eisen, Silizium, Chrom, Molybdän, Mangan oder Zirkonium in einem Bereich von jeweils größer oder gleich 0 at.-% bis kleiner oder gleich 5 at.-%,
wobei die vorgenannten Bestandteile in einer Menge von kleiner oder gleich 100 at.-% vorliegen, und wobei das Bauteil einer elektrochemischen Anodisation unterworfen wird zur Ausbildung einer Aluminiumoxid-reichen Schutzschicht.The subject matter of the present invention is a method for producing a protective layer on a component, wherein the component is made at least partially of a titanium-aluminum alloy, wherein the titanium-aluminum alloy comprises:
  • Titanium in a range of greater than or equal to 40 at.% To less than or equal to 55 at.%;
  • - Aluminum in a range of greater than or equal to 40 at .-% to less than or equal to 50 at .-%;
  • - Niobium or tantalum in a range of greater than or equal to 1 at .-% to less than or equal to 15 at .-%;
  • - Boron or carbon in a range of greater than or equal to 0 at .-% to less than or equal to 0.5 at .-%; and
  • Iron, silicon, chromium, molybdenum, manganese or zirconium in a range from greater than or equal to 0 at.% To less than or equal to 5 at.%,
wherein said components are present in an amount of less than or equal to 100 at.%, and wherein the component is subjected to electrochemical anodization to form an alumina-rich protective layer.

Durch ein wie vorstehend beschriebenes Verfahren kann in besonders einfacher und kostengünstiger Weise ein Bauteil aufweisend eine spezifische Titan-Aluminium-Legierung mit einer Schutzschicht versehen werden. Insbesondere derartige Titan-Aluminium-Basis-Legierungen beziehungsweise Titanaluminide weisen ein breites Anwendungsgebiet auf, da sie eine geringe Dichte von etwa 4 g/cm3 und eine hohe spezifische Festigkeit aufweisen. Die genannte Legierungsfamilie kann in vorteilhafter Weise für einen Hochtemperatureinsatz geeignet sein. Dabei können etwa die Elemente Niob, Kohlenstoff und Silizium besonders vorteilhafte Eigenschaften hervorrufen. Aluminium-ärmere Legierungen sind oftmals nicht ausreichend oxidationsstabil, wohingegen Aluminium-reichere Legierungen den Nachteil aufweisen können, zu spröde zu sein. Um derartige Bauteile besonders langzeitstabil zu gestalten, empfiehlt es sich, diese mit einer Schutzschicht zu versehen.By a method as described above, a component comprising a specific titanium-aluminum alloy can be provided with a protective layer in a particularly simple and cost-effective manner. In particular, such titanium-aluminum base alloys or titanium aluminides have a wide range of applications, since they have a low density of about 4 g / cm 3 and a high specific strength. Said alloy family may be advantageously suitable for high temperature use. In this case, for example, the elements niobium, carbon and silicon can produce particularly advantageous properties. Aluminum-poorer alloys often are not sufficiently stable to oxidation, whereas aluminum-richer alloys may have the disadvantage of being too brittle. To make such components particularly long-term stability, it is advisable to provide them with a protective layer.

Beispielsweise kann das Bauteil insbesondere mit einer Aluminiumoxid-reichen Schutzschicht versehen werden. Eine Aluminiumoxid-reiche Schutzschicht kann dabei insbesondere bedeuten, dass in der Schutzschicht Aluminiumoxid in einem Anteil von größer oder gleich 40 vol.% vorliegt.For example, the component may in particular be provided with an aluminum oxide-rich protective layer. An aluminum oxide-rich protective layer may in particular mean that alumina is present in a proportion of greater than or equal to 40 vol.% In the protective layer.

Durch das Erzeugen einer derartigen Aluminiumoxid-reichen Schutzschicht kann insbesondere bei einem Bauteil aus einer Titan-Aluminium-Legierung beziehungsweise eines Titanaluminids, welches Titan in einem Bereich von größer oder gleich 40 at.-% bis kleiner oder gleich 55 at.-% aufweist und wobei die Legierung Aluminium in einem Bereich von größer oder gleich 40 at.-% bis kleiner oder gleich 50 at.-% aufweist, und wobei ferner Niob oder Tantal in einem Bereich von jeweils größer oder gleich 1 at.-% bis kleiner oder gleich 15 at.-% vorliegen, Bor oder Kohlenstoff in einem Bereich von jeweils größer oder gleich 0 at.-% bis kleiner oder gleich 0,5 at.-% vorliegen und Eisen, Silizium, Chrom, Molybdän, Mangan oder Zirkonium in einem Bereich von jeweils größer oder gleich 0 at.-% bis kleiner oder gleich 5 at.-% vorliegen, verhindert werden, dass sich, wie es für Titanaluminide insbesondere mit hohem Titangehalt beziehungsweise einem niedrigen Aluminiumgehalt von etwa unterhalb 45 at.-%, beispielsweise unterhalb 40 at.-%, bekannt ist, in der Schutzschicht ein zu großer Anteil an Titandioxid bildet. Dies kann insbesondere deshalb von Vorteil sein, da derartige beispielsweise Mischoxidschichten mit einem zu großen Anteil an Titandioxid nicht oder nur begrenzt gasdicht sind und das entsprechende Bauteil dadurch nicht wirksam abschirmen. Somit kann beispielsweise eine Oxidation des eigentlich durch die Schutzschicht zu schützenden Bauteils voranschreiten, was das Bauteil beschädigen oder zerstören kann. Aus dem Vorstehenden wird somit ersichtlich, dass eine effektive Schutzschicht eines Titanaluminids insbesondere durch eine Aluminiumoxid-reiche Schutzschicht vorteilhaft sein kann.By producing such an aluminum oxide-rich protective layer, in particular, in a titanium-aluminum alloy or titanium aluminide component having titanium in a range of greater than or equal to 40 at.% To less than or equal to 55 at.%, And wherein the alloy has aluminum in a range of greater than or equal to 40 at.% to less than or equal to 50 at.%, and further wherein niobium or tantalum ranges from greater than or equal to 1 at.% to less than or equal to 15 at.%, Boron or carbon in a range of greater than or equal to 0 at.% To less than or equal to 0.5 at.%, And iron, silicon, chromium, molybdenum, manganese or zirconium in a range from greater than or equal to 0 at.% to less than or equal to 5 at.%, it is possible to prevent, as for titanium aluminides, in particular with a high titanium content or a low aluminum content of approximately below 45 at .-%, for example below 40 at .-%, is known, in the protective layer forms too large a proportion of titanium dioxide. This may be particularly advantageous because such example mixed oxide layers with too large a proportion of titanium dioxide are not or only partially gas-tight and thereby shield the corresponding component is not effective. Thus, for example, an oxidation of the actually to be protected by the protective layer component, which may damage or destroy the component. From the foregoing it will thus be seen that an effective protective layer of a titanium aluminide may be particularly advantageous by an alumina-rich protective layer.

Im Detail wird bei einem vorbeschriebenen Verfahren zunächst ein Titanaluminid-Bauteil erzeugt, in welcher Titan-Aluminium-Legierung Titan in einem Bereich von größer oder gleich 40 at.-% (Atomprozent) bis kleiner oder gleich 55 at.-% vorliegt und in welcher Legierung Aluminium in einem Bereich von größer oder gleich 40 at.-% bis kleiner oder gleich 50 at.-% vorliegt und wobei ferner Niob oder Tantal in einem Bereich von jeweils größer oder gleich 1 at.-% bis kleiner oder gleich 15 at.-% vorliegen, Bor oder Kohlenstoff in einem Bereich von jeweils größer oder gleich 0 at.-% bis kleiner oder gleich 0,5 at.-% vorliegen und Eisen, Silizium, Chrom, Molybdän, Mangan oder Zirkonium in einem Bereich von jeweils größer oder gleich 0 at.-% bis kleiner oder gleich 5 at.-% vorliegen. Die vorliegende Legierung ist somit eine Titan-Aluminium-Basis-Legierung und weist somit als Hauptbestandteile und damit in dem mengenmäßig größten Anteil Titan und Aluminium auf. Die weiteren Bestandteile, welche insbesondere in einem Anteil von kleiner oder gleich 10 at.-%, insbesondere kleiner oder gleich 5 at.-%, vorliegen können, können beispielsweise umfassen Niob oder Tantal, Bor oder Kohlenstoff, Eisen, Silizium, Chrom, Molybdän, Mangan oder Zirkonium, wobei die vorgenannten Verbindungen innerhalb der vorgenannten Bereiche in beliebigen Kombinationen und jeweils auch zumindest teilweise gemeinsam vorliegen können. Die Herstellung derartiger Bauteile ist für den Fachmann an sich bekannt. Beispielsweise können derartige Bauteile beziehungsweise Bauteile aus Titanaluminid, wie insbesondere TiAl-Basis-Legierungen, etwa durch Feingussverfahren oder das Metallpulver-Spritzgießen (MIM) hergestellt werden. In detail, in a method described above, first, a titanium aluminide component is produced in which titanium-aluminum alloy titanium is present in a range of greater than or equal to 40 at.% (Atomic percent) to less than or equal to 55 at.%, And in which Alloy Aluminum is present in a range of greater than or equal to 40 at.% To less than or equal to 50 at.%, And further wherein niobium or tantalum ranges from greater than or equal to 1 at.% To less than or equal to 15 at. -% are present, boron or carbon in a range of greater than or equal to 0 at .-% to less than or equal to 0.5 at .-% present and iron, silicon, chromium, molybdenum, manganese or zirconium in a range of greater or equal to 0 at.% to less than or equal to 5 at.%. The present alloy is thus a titanium-aluminum-based alloy and thus has as main constituents and thus in the quantitative proportion of titanium and aluminum. The further constituents, which may be present in particular in a proportion of less than or equal to 10 at.%, In particular less than or equal to 5 at.%, May for example comprise niobium or tantalum, boron or carbon, iron, silicon, chromium, molybdenum , Manganese or zirconium, wherein the abovementioned compounds can be present in the abovementioned ranges in any desired combinations and also in each case at least partially together. The production of such components is known per se to the person skilled in the art. For example, such components or components made of titanium aluminide, in particular TiAl-based alloys, such as by investment casting or metal powder injection molding (MIM) are produced.

Um auf diesen spezifischen Bauteilen aus einem definierten Titanaluminid eine oxidische Aluminiumoxid-reiche Schutzschicht zu erzeugen, wird das derartig ausgestaltete Bauteil einer elektrochemischen Anodisation unterworfen. Eine elektrochemische Anodisation kann dabei insbesondere ein Verfahren sein, bei dem das Titan-Aluminid gemäß dem vorbeschriebenen Verfahren definiert oxidiert wird, und zwar gemäß der Erfindung unter Ausbildung einer Aluminiumoxid-reichen Schutzschicht. Ein derartiges Verfahren ist dabei kontrolliert durchführbar und ferner besonders geeignet, um Bauteile unabhängig von ihrer Größe beziehungsweise Geometrie verlässlich und vollständig mit einer Schutzschicht zu versehen. In order to produce an oxide-rich aluminum oxide-rich protective layer on these specific components from a defined titanium aluminide, the component designed in this way is subjected to an electrochemical anodization. In particular, an electrochemical anodization may be a process in which the titanium aluminide is oxidized in a defined manner according to the method described above, according to the invention, to form an aluminum oxide-rich protective layer. Such a method is controllable feasible and also particularly suitable to reliably and completely provide components regardless of their size or geometry with a protective layer.

Im Detail wird zunächst ein Elektrolyt bereitgestellt, beispielsweise in einem Elektrolytbecken. Der insbesondere wässrige Elektrolyt kann beispielsweise eine Säure umfassen. Besonders bevorzugt kann der Elektrolyt Schwefelsäure oder Oxalsäure umfassen. In diesen Elektrolyt kann dann das Titan-Aluminid-Bauteil getaucht werden, um so mit dem Elektrolyt in Kontakt zu gelangen. Zusätzlich kann eine Elektrode, beispielsweise eine Graphitelektrode oder eine metallische Elektrode, mit dem Elektrolyten in Kontakt gebracht, also ebenfalls beispielsweise in den Elektrolyten eingetaucht werden. Im Weiteren wird an das Bauteil und an die weitere Elektrode eine Spannung angelegt, wobei das Bauteil als Anode und die Elektrode als Kathode geschaltet wird. Dadurch kann sich eine Oxidschicht als Schutzschicht des Bauteils durch elektrochemische Anodisation bilden. Insbesondere bei geeigneter Wahl der Prozessparameter, wie nachstehend erläutert, kann die Bildung von Aluminiumoxid gegenüber der Bildung von Titanoxid und den Oxiden weiterer Legierungsbestandteile insbesondere deutlich bevorzugt sein, so dass an der Oberfläche des Bauteils insbesondere eine Aluminiumoxid-reiche Oxidschicht entstehen kann.In detail, an electrolyte is initially provided, for example in an electrolyte tank. The particular aqueous electrolyte may comprise, for example, an acid. Most preferably, the electrolyte may comprise sulfuric acid or oxalic acid. The titanium-aluminide component can then be immersed in this electrolyte so as to come into contact with the electrolyte. In addition, an electrode, for example a graphite electrode or a metallic electrode, may be brought into contact with the electrolyte, ie likewise immersed, for example, in the electrolyte. In addition, a voltage is applied to the component and to the further electrode, wherein the component is connected as the anode and the electrode as the cathode. As a result, an oxide layer can form as a protective layer of the component by electrochemical anodization. In particular, with a suitable choice of the process parameters, as explained below, the formation of aluminum oxide compared to the formation of titanium oxide and the oxides of other alloying constituents in particular may be clearly preferred, so that in particular an aluminum oxide-rich oxide layer may be formed on the surface of the component.

Dabei wird die angelegte Spannung für einen vorbestimmten Zeitraum beibehalten, so dass die Dicke der Schutzschicht einstellbar ist. Die Dicke der aufgebrachten Schutzschicht ist dabei beispielsweise korrespondierend zu der Dauer der angelegten Spannung und damit der Dauer des fließenden Stroms und zu der Größe der Spannung beziehungsweise des fließenden Stroms. Ferner kann eine Einstellung der Temperatur vorteilhaft sein, um geeignete Reaktionsbedingungen einzustellen.In this case, the applied voltage is maintained for a predetermined period of time, so that the thickness of the protective layer is adjustable. The thickness of the applied protective layer is, for example, corresponding to the duration of the applied voltage and thus the duration of the flowing current and the magnitude of the voltage or of the flowing current. Furthermore, an adjustment of the temperature may be advantageous in order to set suitable reaction conditions.

Gemäß dem vorstehenden Verfahren, bei dem der Prozess der Anodisation angewandt wird bei einem definierten Titanaluminid, kann durch die Anodisation die gesamte Oberfläche des Bauteils oxidiert werden, so dass das bearbeitete Bauteil besonders sicher vor Oxidationen, beispielsweise, geschützt wird und somit besonders langzeitstabil ist. Ferner kann eine Schutzschicht ohne Einfluss der Geometrie des Bauteils ausgebildet werden, so dass das Verfahren mit im Wesentlichen jedem Bauteil durchführbar ist. According to the above method, in which the process of anodization is applied to a defined titanium aluminide, the entire surface of the component can be oxidized by the anodization, so that the machined component is particularly safe from oxidation, for example, protected and thus is particularly long-term stability. Furthermore, a protective layer without the influence of the geometry of the component can be formed, so that the method can be carried out with essentially every component.

Im Rahmen einer Ausgestaltung kann ein Elektrolyt verwendet werden, der Halogenid-Ionen aufweist. Insbesondere kann der Elektrolyt Chlorid-, Bromid- oder Fluorid-Ionen aufweisen. Durch das Vorsehen von Halogenid-Ionen in dem Elektrolyten, beispielsweise in einer Säure oder einer Base, können vorteilhafterweise Halogenid-Ionen in die Schutzschicht eingebaut werden. Dadurch kann in vorteilhafterweise das Ausbilden von Aluminiumoxid gefördert werden, um so eine Schutzschicht zu erhalten, welche über ihre gesamte Ausdehnung und ferner über die gesamte Ausdehnung des Bauteils besonders dicht ist und das Bauteil somit vor der Umgebung schützt. Insbesondere kann das Bauteil in besonders zuverlässiger und effektiver Weise vor einer Oxidation geschützt werden. Insbesondere kann auf diese Weise eine Schutzschicht erzeugt werden, die vollständig aus Aluminiumoxid aufgebaut ist oder zumindest einen Anteil an Aluminiumoxid aufweist, der besonders hoch ist beziehungsweise einen Anteil an Titandioxid aufweist, der besonders gering ist. Dabei können jedoch auf die aus dem Stand der Technik bekannten aufwändigen Prozesse, wie etwa das Vorbeschichten des Bauteils, um Halogenid-Ionen zur Nutzung des Halogeneffekts in die Bauteiloberfläche zu implantieren, verzichtet werden, was das Verfahren auch in dieser Ausgestaltung besonders einfach und kostengünstig gestalten kann.In one embodiment, an electrolyte may be used which has halide ions. In particular, the electrolyte may comprise chloride, bromide or fluoride ions. By providing halide ions in the electrolyte, for example in an acid or a base, halide ions can advantageously be incorporated into the protective layer. As a result, the formation of aluminum oxide can advantageously be promoted so as to obtain a protective layer which is particularly dense over its entire extent and furthermore over the entire extent of the component and thus protects the component from the environment. In particular, the component can be protected from oxidation in a particularly reliable and effective manner. In particular, a protective layer can be produced in this way, which is completely composed of aluminum oxide or at least has a proportion of aluminum oxide which is particularly high or has a proportion of titanium dioxide which is particularly low. there However, can be dispensed with the elaborate processes known from the prior art, such as the precoating of the component to implant halide ions for use of the halogen effect in the component surface, which can make the method particularly simple and inexpensive in this embodiment ,

Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung kann eine Stromdichte in einem Bereich von größer oder gleich 0,001 A/cm2 bis kleiner oder gleich 1 A/cm2 verwendet werden. Insbesondere unter Verwendung derartiger Stromdichten kann das Ausbilden einer Oxidationsschicht derart erfolgen, dass eine besonders Aluminiumoxid-reiche Schutzschicht gleichmäßig und vollständig auf dem Bauteil aufwächst und somit eine besonders dichte und damit sichere und verlässliche Schutzschicht ausgebildet werden kann. Das Bauteil kann so besonders sicher und langzeitstabil vor äußeren Einflüssen wie etwa unerwünschten Oxidationen geschützt werden, so dass das mit der Schutzschicht versehene Bauteil besonders langzeitstabil ist und sicher eingesetzt werden kann. Darüber hinaus sind durch das Verwenden der vorgenannten Stromdichten praktikable Reaktionsgeschwindigkeiten erzeugbar, so dass das Verfahren insbesondere in dieser Ausgestaltung auch für großtechnische Prozesse besonders geeignet sein kann.In a further embodiment, a current density in a range of greater than or equal to 0.001 A / cm 2 to less than or equal to 1 A / cm 2 can be used. In particular, using such current densities, the formation of an oxidation layer can take place such that a particularly aluminum oxide-rich protective layer grows evenly and completely on the component and thus a particularly dense and therefore safe and reliable protective layer can be formed. The component can be protected so particularly safe and long-term stable from external influences such as unwanted oxidation, so that the provided with the protective layer component is particularly long-term stability and can be used safely. In addition, practicable reaction rates can be generated by using the abovementioned current densities, so that the method, in particular in this refinement, can also be particularly suitable for large-scale industrial processes.

Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung kann eine Spannung in einem Bereich von größer oder gleich 10 V bis kleiner oder gleich 250 V verwendet werden. Durch das Verwenden derartiger Spannungen kann insbesondere bei den verwendeten Titanaluminiden ermöglicht werden, dass sich eine besonders Aluminiumoxid-reiche Schutzschicht ausbildet, welche einen geringen Anteil an Titandioxid aufweist und vielmehr eine besonders dichte Überdeckung des Bauteils durch Aluminiumoxid aufweist. Dadurch kann das Bauteil besonders sicher und verlässlich und ferner langzeitstabil vor äußeren Einflüssen, wie beispielsweise vor einer unerwünschten Oxidation des Bauteils, geschützt werden.In a further embodiment, a voltage in a range of greater than or equal to 10 V to less than or equal to 250 V can be used. By using such voltages, it is possible, in particular with the titanium aluminides used, to form a particularly aluminum oxide-rich protective layer which has a low proportion of titanium dioxide and, on the contrary, has a particularly dense coverage of the component by aluminum oxide. As a result, the component can be protected in a particularly reliable and reliable manner and also for long-term stability against external influences, such as, for example, against undesired oxidation of the component.

Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung kann die Anodisation bei einer Temperatur in einem Bereich von größer oder gleich 0°C bis kleiner oder gleich 100°C durchgeführt werden. Beispielsweise kann die Anodisation bei einer Temperatur in einem Bereich von größer oder gleich 0°C bis kleiner oder gleich 60°C durchgeführt werden. Auch derartige Temperaturbereiche bei der Anodisation können sich unter Umständen auf das Ausbilden einer Aluminiumoxid-reichen Schutzschicht positiv auswirken. Darüber hinaus können derartige Temperaturen insbesondere für Bauteile von Vorteil sein, welche ein wie vorstehend beschrieben ausgestaltetes Titanaluminid aufweisen, welches an ein Stahlanabauteil gefügt ist beziehungsweise welches zumindest teilweise aus Stahl ausgebildet ist. Denn die vorgenannten Temperaturbereiche können insbesondere vorteilhafterweise dazu geeignet sein, eine negative Beeinflussung eines Stahlanbauteils beziehungsweise eines aus Stahl gefertigten Bereichs zu vermeiden. Dadurch kann die Struktur des Stahls und dabei beispielsweise sein Vergütungszustand erhalten bleiben, was die Eigenschaften des Gesamt-Bauteils somit nicht negativ beeinflusst.In a further embodiment, the anodization can be carried out at a temperature in a range of greater than or equal to 0 ° C to less than or equal to 100 ° C. For example, the anodization may be carried out at a temperature in a range of greater than or equal to 0 ° C to less than or equal to 60 ° C. Also, such temperature ranges in the anodization may possibly have a positive effect on the formation of an aluminum oxide-rich protective layer. In addition, such temperatures may be advantageous, in particular, for components which have a titanium aluminide configured as described above, which is joined to a steel anode component or which is formed at least partially from steel. Because the aforementioned temperature ranges can be particularly advantageously suitable to avoid a negative influence on a steel attachment or a steel-made area. As a result, the structure of the steel and, for example, its tempering state can be maintained, which does not adversely affect the properties of the overall component.

Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung kann als Bauteil das Turbinenrad eines Abgasturboladers verwendet wird. Insbesondere Turbinenräder von Abgasturboladern können vorteilhaft aus einem Titanaluminid gefertigt sein, welche Titan in einem Bereich von größer oder gleich 40 at.-% bis kleiner oder gleich 55 at.-% aufweist und wobei die Legierung Aluminium in einem Bereich von größer oder gleich 40 at.-% bis kleiner oder gleich 50 at.-% aufweist und wobei ferner Niob oder Tantal in einem Bereich von jeweils größer oder gleich 1 at.-% bis kleiner oder gleich 15 at.-% vorliegen, Bor oder Kohlenstoff in einem Bereich von jeweils größer oder gleich 0 at.-% bis kleiner oder gleich 0,5 at.-% vorliegen und Eisen, Silizium, Chrom, Molybdän, Mangan oder Zirkonium in einem Bereich von jeweils größer oder gleich 0 at.-% bis kleiner oder gleich 5 at.-% vorliegen. Darüber hinaus kommen die Turbinenräder bei ihrer Funktion mit dem heißen Abgasstrom einer Brennkraftmaschine in Kontakt, so dass diese Bauteile für ein sicheres und verlässliches Arbeiten vorteilhaft mit einer Schutzschicht versehen werden können. Weiterhin weisen Abgasturbolader oftmals neben dem eigentlichen Turbinenrad aus Titanaluminid eine Stahlwelle auf, welche an das Turbinenrad gefügt ist, so dass ein wie vorstehend beschrieben ausgestaltetes Verfahren besonders vorteilhaft, aber nicht beschränkend, bei einem Abgasturbolader anwendbar sein kann.As part of a further embodiment, the turbine wheel of an exhaust gas turbocharger is used as a component. In particular, turbine wheels of exhaust gas turbochargers may advantageously be made of a titanium aluminide having titanium in a range of greater than or equal to 40 at.% To less than or equal to 55 at.%, And wherein the alloy is aluminum in a range greater than or equal to 40 at and wherein niobium or tantalum is also present in a range of greater than or equal to 1 at.% to less than or equal to 15 at.%, boron or carbon in a range of in each case greater than or equal to 0 at.% to less than or equal to 0.5 at.%, and iron, silicon, chromium, molybdenum, manganese or zirconium in a range of greater than or equal to 0 at.% to less than or equal to 5 at .-% present. In addition, the turbine wheels come in their function with the hot exhaust gas flow of an internal combustion engine in contact, so that these components can be advantageously provided with a protective layer for safe and reliable work. Furthermore, exhaust gas turbochargers often have in addition to the actual turbine wheel made of titanium aluminide a steel shaft which is joined to the turbine wheel, so that a configured as described above method can be particularly advantageous, but not limiting, applicable to an exhaust gas turbocharger.

Insbesondere bei derartigen gewuchteten Läufern aufweisend ein Turbinenrad aus Titan-Aluminid und eine Stahlwelle kann das vorbeschriebene Verfahren von Vorteil sein, da hier meist die eigentliche Turbine beziehungsweise das Turbinenrad an einem Anbauteil aus Stahl, wie etwa einer Stahlwelle befestigt ist. Gerade bei derartigen Werkstoffen, welche Stahl umfassen, ist das Verfahren leicht und problemlos anwendbar, da bei derartigen Stahlbauteilen eine herkömmliche Erhitzung auf 800–900°C für 12–14 Stunden an Luft, wie es etwa für eine Ausgestaltung einer Aluminiumoxidhaltigen Schutzschicht durchgeführt wird, der Vergütungszustand des Stahls und damit die Qualität und Haltbarkeit des gesamten Bauteils negativ beeinflusst wird. In particular, in such a balanced rotor having a turbine wheel made of titanium aluminide and a steel shaft, the above-described method may be advantageous because here usually the actual turbine or the turbine wheel is attached to an attachment made of steel, such as a steel shaft. Especially with such materials, which include steel, the method is easily and easily applicable, since in such steel components conventional heating to 800-900 ° C for 12-14 hours in air, as it is carried out for an embodiment of an aluminum oxide-containing protective layer, the state of tempering of the steel and thus the quality and durability of the entire component is adversely affected.

Dabei kann ferner problemlos das fertig gestellte Bauteil umfassend einen Stahlteil und das Titanaluminid anodisiert werden. Dies ist vorteilhaft, da eine Behandlung vor dem Fügen mit dem Stahlanbauteil aufgrund der nachfolgenden mechanischen Bearbeitung, wie etwa Konturschleifen und Wuchten des Turbinenrads, nur bedingt möglich ist, da dann die Oxidationsschutzschicht beschädigt oder zerstört würde.It can also be easily anodized finished component comprising a steel part and the titanium aluminide. This is advantageous as a treatment before joining with the steel attachment due to the subsequent mechanical Machining, such as contour grinding and balancing of the turbine wheel, is only possible to a limited extent, since then the oxidation protection layer would be damaged or destroyed.

Hinsichtlich weiterer technischer Merkmale und Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Erzeugen einer Schutzschicht wird hiermit explizit auf die Erläuterungen im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Herstellen eines Bauteils, dem erfindungsgemäßen Bauteil, den Figuren sowie der Figurenbeschreibung verwiesen.With regard to further technical features and advantages of the method according to the invention for producing a protective layer, reference is hereby explicitly made to the explanations in connection with the method according to the invention for producing a component, the component according to the invention, the figures and the description of the figures.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ferner ein Verfahren zum Herstellen eines Bauteils, insbesondere eines Abgasturboladers, aufweisend ein wie vorstehend beschrieben ausgestaltetes Verfahren. Wie mit Bezug auf das vorstehend beschriebene Verfahren zum Erzeugen einer Schutzschicht kann dieses Verfahren besonders vorteilhaft, aber nicht beschränkend, bei einem Abgasturbolader anwendbar sein. Dabei wird im Detail, um einen Abgasturbolader herzustellen, nach einem Fügen von dem Turbinenrad und der Stahlwelle, um einen Läufer des Abgasturboladers zu bilden, das so gebildete Bauteil einer elektrochemischen Anodisation unterworfen. Dabei kann das Bauteil insbesondere bis zu der Fügestelle von Stahlwelle und Turbinenrad aus Titanaluminid in den Elektrolyt getaucht und das Turbinenrad als Anode unter Anlegen einer Spannung geschaltet werden. Ferner kann die Fügestelle mit einem geeigneten Material, wie beispielsweise einem Polymer, Wachs, Klebeband, Abdeckfolie oder ähnlichem elektrisch isolierend abgedeckt werden, so dass das Bauteil mit der Stahlwelle bis zum Ende des abgedeckten Bereichs in den Elektrolyten getaucht werden kann. Dadurch kann eine insbesondere vollständig geschlossene Schutzschicht gebildet werden, die Aluminiumoxidreich ausgestaltet ist. The present invention furthermore relates to a method for producing a component, in particular an exhaust-gas turbocharger, comprising a method designed as described above. As with respect to the method of forming a protective layer described above, this method may be particularly advantageous, but not limiting, applicable to an exhaust gas turbocharger. In detail, in order to produce an exhaust gas turbocharger, after being joined by the turbine wheel and the steel shaft to form a rotor of the exhaust gas turbocharger, the component thus formed is subjected to an electrochemical anodization. In this case, the component can in particular be immersed in the electrolyte up to the joint of steel shaft and turbine wheel made of titanium aluminide and the turbine wheel can be switched as an anode while applying a voltage. Furthermore, the joint can be covered with a suitable material such as a polymer, wax, adhesive tape, cover or the like electrically insulating, so that the component can be immersed with the steel shaft to the end of the covered area in the electrolyte. As a result, an in particular completely closed protective layer can be formed, which is designed to be rich in alumina.

Hinsichtlich weiterer technischer Merkmale und Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen eines Bauteils wird hiermit explizit auf die Erläuterungen im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Erzeugen einer Schutzschicht, dem erfindungsgemäßen Bauteil, den Figuren sowie der Figurenbeschreibung verwiesen.With regard to further technical features and advantages of the method according to the invention for producing a component, reference is hereby explicitly made to the explanations in connection with the method according to the invention for producing a protective layer, the component according to the invention, the figures and the description of the figures.

Gegenstand der Erfindung ist ferner ein Bauteil, insbesondere ein Abgasturbolader, das nach einem wie vorstehend beschrieben ausgestalteten Verfahren hergestellt ist. Ein derartiges Bauteil kann eine besonders dichte, stabile und verlässliche Aluminiumoxid-reiche Oxidschutzschicht aufweisen, die das Bauteile auch vor harschen unerwünschten Angriffen der Umgebungsbedingungen schützt.The invention further relates to a component, in particular an exhaust gas turbocharger, which is produced by a process designed as described above. Such a component may have a particularly dense, stable and reliable aluminum oxide-rich oxide protective layer, which protects the components from harsh unwanted environmental attacks.

Hinsichtlich weiterer technischer Merkmale und Vorteile des erfindungsgemäßen Bauteils wird hiermit explizit auf die Erläuterungen im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Erzeugen einer Schutzschicht, dem Verfahren zum Herstellen eines Bauteils, den Figuren sowie der Figurenbeschreibung verwiesen.With regard to further technical features and advantages of the component according to the invention, reference is hereby explicitly made to the explanations in connection with the method according to the invention for producing a protective layer, the method for producing a component, the figures and the description of the figures.

Beispiele und Zeichnungen Examples and drawings

Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Gegenstände werden durch die Beispiele und Zeichnungen veranschaulicht und in der nachfolgenden Beschreibung erläutert. Dabei ist zu beachten, dass die Beispiele und Zeichnungen nur beschreibenden Charakter haben und nicht dazu gedacht sind, die Erfindung in irgendeiner Form einzuschränken. Es zeigenFurther advantages and advantageous embodiments of the subject invention are illustrated by the examples and drawings and explained in the following description. It should be noted that the examples and drawings are only descriptive and are not intended to limit the invention in any way. Show it

1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines Verfahrens gemäß der Erfindung; und 1 a schematic representation of an embodiment of a method according to the invention; and

2 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform eines Verfahrens gemäß der Erfindung. 2 a schematic representation of another embodiment of a method according to the invention.

In den 1 und 2 ist eine exemplarische Anordnung 10 zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens gezeigt. Eine derartige Anordnung 10 umfasst ein Becken oder eine Wanne 12, in der ein Elektrolyt 14 angeordnet ist. Der Elektrolyt 14 kann insbesondere ein wässriger Elektrolyt, wie etwa eine Säure, beispielsweise Schwefelsäure oder Oxalsäure im Konzentrationsbereich zwischen 1 und 20 %, umfassen. Besonders vorteilhafterweise kann der Elektrolyt zusätzlich oder alternativ Halogenidionen aufweisen, wie beispielsweise Fluorid, Chlorid, Bromid im Konzentrationsbereich von 0,1 g/l bis 50 g/l.In the 1 and 2 is an exemplary arrangement 10 shown for performing the method according to the invention. Such an arrangement 10 includes a basin or a tub 12 in which an electrolyte 14 is arranged. The electrolyte 14 In particular, it may comprise an aqueous electrolyte, such as an acid, for example sulfuric acid or oxalic acid in the concentration range between 1 and 20%. Particularly advantageously, the electrolyte additionally or alternatively have halide ions, such as fluoride, chloride, bromide in the concentration range of 0.1 g / l to 50 g / l.

In den Elektrolyt 14 wird ein Bauteil 16 getaucht. Das Bauteil 16 weist gemäß 1 und 2 einen ersten Bereich 18 auf, der zumindest teilweise, insbesondere vollständig aus Stahl gefertigt ist, und weist ferner einen zweiten Bereich 20 auf, der zumindest teilweise, insbesondere vollständig, aus Titanaluminid gefertigt ist. Insbesondere weist der zweite Bereich 20 ein Material beziehungsweise eine Legierung auf oder besteht etwa aus dieser, welcher Titan in einem Bereich von größer oder gleich 40 at.-% bis kleiner oder gleich 55 at.-% aufweist und wobei die Legierung Aluminium in einem Bereich von größer oder gleich 40 at.-% bis kleiner oder gleich 50 at.-% aufweist und wobei ferner Niob oder Tantal in einem Bereich von jeweils größer oder gleich 1 at.-% bis kleiner oder gleich 15 at.-% vorliegen, Bor oder Kohlenstoff in einem Bereich von jeweils größer oder gleich 0 at.-% bis kleiner oder gleich 0,5 at.-% vorliegen und Eisen, Silizium, Chrom, Molybdän, Mangan oder Zirkonium in einem Bereich von jeweils größer oder gleich 0 at.-% bis kleiner oder gleich 5 at.-% vorliegen. Dabei sind der erste Bereich 18 und der zweite Bereich 20 über eine Fügestelle 22 miteinander verbunden. Im Bereich der Fügestelle 22 können weitere Materialien vorhanden sein, die sich in ihrer chemischen Zusammensetzung von der des Bereichs 18 und der des Bereichs 20 unterscheiden. Insbesondere können im Bereich der Fügestelle 22 eines oder mehrere Elemente aus der Gruppe Ni, Cr, Mo, V vorliegen.In the electrolyte 14 becomes a component 16 dipped. The component 16 according to 1 and 2 a first area 18 on, which is at least partially, in particular made entirely of steel, and further comprises a second region 20 on, which is at least partially, in particular completely, made of titanium aluminide. In particular, the second area 20 a material or alloy comprising or consisting of approximately titanium which has a range of greater than or equal to 40 at.% to less than or equal to 55 at.%, and wherein the alloy comprises aluminum in a range greater than or equal to 40 at and wherein niobium or tantalum is also present in a range of greater than or equal to 1 at.% to less than or equal to 15 at.%, boron or carbon in a range of in each case greater than or equal to 0 at.% to less than or equal to 0.5 at.%, and iron, silicon, chromium, molybdenum, manganese or zirconium in a range of greater than or equal to 0 at.% to less than or equal to 5 at .-% present. Here are the first area 18 and the second Area 20 over a joint 22 connected with each other. In the area of the joint 22 There may be other materials that differ in their chemical composition from those of the range 18 and that of the area 20 differ. In particular, in the area of the joint 22 one or more elements from the group Ni, Cr, Mo, V are present.

Um das Bauteil 16 einer elektrochemischen Anodisation zu unterwerfen und so die Ausbildung einer Aluminiumoxid-reichen Schutzschicht zu ermöglichen, ist eine Spanungsquelle 24 vorgesehen, die mit dem Bauteil 16 und einer weiteren Elektrode 26 verbunden ist. Dabei kann die Elektrode 26 etwa in herkömmlicher Weise in den Elektrolyt 14 getaucht werden. Beispielsweise kann auch die Wanne 12 als Elektrode 16 geschaltet werden. In diesem Fall kann auf das Vorsehen einer weiteren Elektrode verzichtet werden. Durch das Anlegen einer Spannung an das Bauteil 16 und die Elektrode 26, insbesondere in einem Bereich von größer oder gleich 10 V bis kleiner oder gleich 250 V, und/oder zum Ausbilden einer Stromdichte in einem Bereich von größer oder gleich 0,001 A/cm2 bis kleiner oder gleich 1 A/cm, und oder bei einer Temperatur des Elektrolyten 14 in einem Bereich von größer oder gleich 0°C bis kleiner oder gleich 100°C, kann die Elektrode 26 als Kathode und das Bauteil 16 als Anode geschaltet werden. Dadurch bildet sich auf dem Bauteil 16 durch eine elektrochemische Anodisation eine Schutzschicht aus.To the component 16 to subject an electrochemical anodization and thus to allow the formation of an alumina-rich protective layer is a source of voltage 24 provided with the component 16 and another electrode 26 connected is. In this case, the electrode 26 in a conventional manner in the electrolyte 14 be dipped. For example, the tub can 12 as an electrode 16 be switched. In this case, the provision of a further electrode can be dispensed with. By applying a voltage to the component 16 and the electrode 26 , in particular in a range of greater than or equal to 10 V to less than or equal to 250 V, and / or for forming a current density in a range of greater than or equal to 0.001 A / cm 2 to less than or equal to 1 A / cm, and or at one Temperature of the electrolyte 14 in a range of greater than or equal to 0 ° C to less than or equal to 100 ° C, the electrode can 26 as the cathode and the component 16 be switched as an anode. This forms on the component 16 by electrochemical anodization, a protective layer.

Dabei kann das Bauteil 16, welches gemäß 2 als Turbinenrad eines Abgasturboladers ausgestaltet ist, bis zu der Fügestelle 22 in den Elektrolyt 14 eintauchen, um so eine Schutzschicht auf dem Bereich 20 zu erzeugen, die Eigenschaften des Stahls in dem Bereich 18 jedoch nicht zu beeinträchtigen. Ferner kann die Fügestelle mit einem geeigneten Material, z.B. Polymer, Wachs, Klebeband, Abdeckfolie, elektrisch isolierend abgedeckt werden, so dass das Bauteil mit der Stahlwelle bis zum Ende des abgedeckten Bereichs in den Elektrolyten getaucht werden kann.In this case, the component 16 which according to 2 is designed as a turbine wheel of an exhaust gas turbocharger, up to the joint 22 in the electrolyte 14 immerse so as to have a protective layer on the area 20 to generate the properties of steel in the area 18 but not to be affected. Furthermore, the joint can be covered with a suitable material, for example polymer, wax, adhesive tape, cover film, electrically insulating, so that the component with the steel shaft can be immersed in the electrolyte until the end of the covered area.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 102008059617 A1 [0003] DE 102008059617 A1 [0003]

Claims (8)

Verfahren zum Erzeugen einer Schutzschicht auf einem Bauteil (16), wobei das Bauteil (16) zumindest teilweise aus einer Titan-Aluminium-Legierung ausgestaltet ist, wobei die Titan-Aluminium-Legierung umfasst: – Titan in einem Bereich von größer oder gleich 40 at.-% bis kleiner oder gleich 55 at.-%; – Aluminium in einem Bereich von größer oder gleich 40 at.-% bis kleiner oder gleich 50 at.-%; – Niob oder Tantal in einem Bereich von jeweils größer oder gleich 1 at.-% bis kleiner oder gleich 15 at.-%; – Bor oder Kohlenstoff in einem Bereich von jeweils größer oder gleich 0 at.-% bis kleiner oder gleich 0,5 at.-%; und – Eisen, Silizium, Chrom, Molybdän, Mangan oder Zirkonium in einem Bereich von jeweils größer oder gleich 0 at.-% bis kleiner oder gleich 5 at.-%., wobei die vorgenannten Bestandteile in einer Menge von kleiner oder gleich 100 at.-% vorliegen, und wobei das Bauteil (16) einer elektrochemischen Anodisation unterworfen wird zur Ausbildung einer Aluminiumoxid-reichen Schutzschicht. Method for producing a protective layer on a component ( 16 ), wherein the component ( 16 ) is at least partially made of a titanium-aluminum alloy, the titanium-aluminum alloy comprising: titanium in a range of greater than or equal to 40 at% to less than or equal to 55 at%; - Aluminum in a range of greater than or equal to 40 at .-% to less than or equal to 50 at .-%; - Niobium or tantalum in a range of greater than or equal to 1 at .-% to less than or equal to 15 at .-%; - Boron or carbon in a range of greater than or equal to 0 at .-% to less than or equal to 0.5 at .-%; and - iron, silicon, chromium, molybdenum, manganese or zirconium in a range of greater than or equal to 0 at .-% to less than or equal to 5 at .-%., Wherein the aforementioned ingredients in an amount of less than or equal to 100 at .-%, and wherein the component ( 16 ) is subjected to an electrochemical anodization to form an aluminum oxide-rich protective layer. Verfahren nach Anspruch 1, wobei ein Elektrolyt (14) verwendet wird, der Halogenid-Ionen aufweist.Method according to claim 1, wherein an electrolyte ( 14 ) having halide ions. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei eine Stromdichte in einem Bereich von größer oder gleich 0,001 A/cm2 bis kleiner oder gleich 1 A/cm2 verwendet wird.A method according to claim 1 or 2, wherein a current density in a range of greater than or equal to 0.001 A / cm 2 to less than or equal to 1 A / cm 2 is used. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei eine Spannung in einem Bereich von größer oder gleich 10 V bis kleiner oder gleich 250 V verwendet wird. Method according to one of claims 1 to 3, wherein a voltage in a range of greater than or equal to 10 V to less than or equal to 250 V is used. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Anodisation bei einer Temperatur in einem Bereich von größer oder gleich 0°C bis kleiner oder gleich 100°C durchgeführt wird.A method according to any one of claims 1 to 4, wherein the anodization is carried out at a temperature in a range of greater than or equal to 0 ° C to less than or equal to 100 ° C. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei als Bauteil (16) das Turbinenrad eines Abgasturboladers verwendet wird.Method according to one of claims 1 to 5, wherein as component ( 16 ) the turbine wheel of an exhaust gas turbocharger is used. Verfahren zum Herstellen eines Bauteils (16), insbesondere eines Abgasturboladers, aufweisend ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6.Method for producing a component ( 16 ), in particular an exhaust gas turbocharger, comprising a method according to one of claims 1 to 6. Bauteil, insbesondere Abgasturbolader, hergestellt gemäß einem Verfahren nach Anspruch 7.Component, in particular exhaust gas turbocharger, produced according to a method according to claim 7.
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