DE102013223202A1 - Geometriebedingte Spritzfleckanpassung bei Beschichtungsverfahren - Google Patents
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Abstract
Durch die geometrieabhängige Spritzfleckanpassung wird eine gleichbleibende und verbesserte Schichtqualität bei Oberflächen mit starker Krümmung erreicht.
Description
- Die Erfindung betrifft die Veränderung des Spritzfleckes bei einer Beschichtung aufgrund lokal unterschiedlicher Geometrien des zu beschichtenden Bauteils.
- Bei der Beschichtung von Gasturbinenschaufeln werden die metallischen oder keramischen Schichten mit einem einheitlichen Spritzfleck, also mit einer konstanten Größe und Form appliziert.
- Es wurde jedoch festgestellt, dass in bestimmten Bereichen, nämlich den gekrümmten Bereichen, der Eintritts- oder andere Radienbereiche, sich dadurch unterschiedliche Schichteigenschaften ergeben.
- Bisher wurde probiert, dies durch eine Anpassung der relativen Drehgeschwindigkeit des Bauteils gegenüber der Beschichtungsdüse auszugleichen. Dies ist jedoch sehr aufwändig.
- Es ist daher Aufgabe der Erfindung ein Verfahren aufzuzeigen, bei dem solche geometriebedingten Anpassungen besser gewährleistet werden, um eine gleichbleibende Mikrostruktur der Beschichtung zu erzielen.
- Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1.
- In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Maßnahmen aufgelistet, die beliebig miteinander kombiniert werden können, um weitere Vorteile zu erzielen.
- Der Vorteil des Verfahrens liegt in der einfach zu steuernden Beschichtungsmethode.
- Es zeigen:
-
1 ein Bauteil mit unterschiedlicher Geometrie und die angepasste Spritzfleckgröße bzw. den -durchmesser, -
2 eine Turbinenschaufel. - Die Figuren und die Beschreibung stellen nur Ausführungsbeispiele der Erfindung dar.
- Die
1 zeigt ein Bauteil1 ,120 ,130 (2 ) mit einer Oberfläche13 , die flach oder schwach gekrümmt ist, wie bei einer Turbinenschaufel120 ,130 das Schaufelblatt zwischen Anströmkante409 und Abströmkante412 , und einem stark gekrümmten Bereich10 . Letzteres ist bei einer Turbinenschaufel120 ,130 der Bereich um die Anströmkante409 . - Der Unterschied im Krümmungsradius der flachen oder schwach gekrümmten Oberfläche
13 und der stärker gekrümmten Oberfläche10 beträgt mindestens 10%, insbesondere mindestens 20%. - Zur Beschichtung kann ein thermisches Beschichtungsverfahren verwendet werden, wie Plasmaspritzen, HVOF-, Kaltgas-Spritzen usw..
- Mit einer entsprechenden Beschichtungsdüse
4 , aus der Material in einem Strahl5` , insbesondere Pulver austritt, wird ein Strahlfleck7‘ mit einem entsprechenden Fokus auf der flachen oder schwach gekrümmten Oberfläche13 erzeugt. - Stehen sich der stark gekrümmte Bereich
10 und die Beschichtungsdüse4 gegenüber, so wird der Spritzfleck7‘‘ verändert. - Dies ist vorzugsweise der Fokus bzw. der Strahl
5‘ wird verändert in einen Strahlfleck7‘‘ mit einer geringeren Ausdehnung. - Die Anpassung des Spritzflecks
7‘ ,7‘‘ , d.h. die Form, Größe und Intensität kann durch in-situ veränderbare Brenner-Hardware, wie z.B. Injektoren, Prozessgasverteilung, gewährleistet werden. Die Intensität ist die Anzahl und Lichtstärke von Pulverpartikeln im Strahl5‘ ,5‘‘ . Durch eine veränderte Pulverzuführung, d.h. unter einem anderen Winkel wird Pulver in eine andere Temperaturzone des Strahls verbracht, so dass sich die Intensität ändert, die durch Kamerasysteme gemessen werden kann. - Außerdem können Blenden verwendet werden oder es erfolgt eine Verschiebung der Beschichtungsdüse
4 in axialer Richtung im Abstand zu der zu beschichtenden Oberfläche13 . - Durch Verwendung von Druckluft oder Schutzgas kann ein Gas/Unterdruckstrom verändert werden.
- Ebenso können eine Anpassung der Pulverzufuhr und Mischungsverhältnisse des Pulvers mit den zu variierenden Arbeitsgasen stattfinden.
- Durch die geometrieabhängige Anpassung der Spritzfläche
7‘ ,7‘‘ wird bei der Erfindung bei Beschichtungsprozessen eine gleichbleibende verbesserte Schichtqualität erreicht, so dass eine bessere Beständigkeit und höhere Lebensdauer der Schicht im Betrieb gegeben ist. - Die
2 zeigt in perspektivischer Ansicht eine Laufschaufel120 oder Leitschaufel130 einer Strömungsmaschine, die sich entlang einer Längsachse121 erstreckt. - Die Strömungsmaschine kann eine Gasturbine eines Flugzeugs oder eines Kraftwerks zur Elektrizitätserzeugung, eine Dampfturbine oder ein Kompressor sein.
- Die Schaufel
120 ,130 weist entlang der Längsachse121 aufeinander folgend einen Befestigungsbereich400 , eine daran angrenzende Schaufelplattform403 sowie ein Schaufelblatt406 und eine Schaufelspitze415 auf. Als Leitschaufel130 kann die Schaufel130 an ihrer Schaufelspitze415 eine weitere Plattform aufweisen (nicht dargestellt). - Im Befestigungsbereich
400 ist ein Schaufelfuß183 gebildet, der zur Befestigung der Laufschaufeln120 ,130 an einer Welle oder einer Scheibe dient (nicht dargestellt). Der Schaufelfuß183 ist beispielsweise als Hammerkopf ausgestaltet. Andere Ausgestaltungen als Tannenbaum- oder Schwalbenschwanzfuß sind möglich. Die Schaufel120 ,130 weist für ein Medium, das an dem Schaufelblatt406 vorbeiströmt, eine Anströmkante409 und eine Abströmkante412 auf. - Bei herkömmlichen Schaufeln
120 ,130 werden in allen Bereichen400 ,403 ,406 der Schaufel120 ,130 beispielsweise massive metallische Werkstoffe, insbesondere Superlegierungen verwendet. Solche Superlegierungen sind beispielsweise aus derEP 1 204 776 B1 ,EP 1 306 454 ,EP 1 319 729 A1 ,WO 99/67435 WO 00/44949 120 ,130 kann hierbei durch ein Gussverfahren, auch mittels gerichteter Erstarrung, durch ein Schmiedeverfahren, durch ein Fräsverfahren oder Kombinationen daraus gefertigt sein. - Werkstücke mit einkristalliner Struktur oder Strukturen werden als Bauteile für Maschinen eingesetzt, die im Betrieb hohen mechanischen, thermischen und/oder chemischen Belastungen ausgesetzt sind. Die Fertigung von derartigen einkristallinen Werkstücken erfolgt z.B. durch gerichtetes Erstarren aus der Schmelze. Es handelt sich dabei um Gießverfahren, bei denen die flüssige metallische Legierung zur einkristallinen Struktur, d.h. zum einkristallinen Werkstück, oder gerichtet erstarrt. Dabei werden dendritische Kristalle entlang dem Wärmefluss ausgerichtet und bilden entweder eine stängelkristalline Kornstruktur (kolumnar, d.h. Körner, die über die ganze Länge des Werkstückes verlaufen und hier, dem allgemeinen Sprachgebrauch nach, als gerichtet erstarrt bezeichnet werden) oder eine einkristalline Struktur, d.h. das ganze Werkstück besteht aus einem einzigen Kristall. In diesen Verfahren muss man den Übergang zur globulitischen (polykristallinen) Erstarrung meiden, da sich durch ungerichtetes Wachstum notwendigerweise transversale und longitudinale Korngrenzen ausbilden, welche die guten Eigenschaften des gerichtet erstarrten oder einkristallinen Bauteiles zunichtemachen. Ist allgemein von gerichtet erstarrten Gefügen die Rede, so sind damit sowohl Einkristalle gemeint, die keine Korngrenzen oder höchstens Kleinwinkelkorngrenzen aufweisen, als auch Stängelkristallstrukturen, die wohl in longitudinaler Richtung verlaufende Korngrenzen, aber keine transversalen Korngrenzen aufweisen. Bei diesen zweitgenannten kristallinen Strukturen spricht man auch von gerichtet erstarrten Gefügen (directionally solidified structures). Solche Verfahren sind aus der
US-PS 6,024,792 und derEP 0 892 090 A1 bekannt. - Ebenso können die Schaufeln
120 ,130 Beschichtungen gegen Korrosion oder Oxidation aufweisen, z. B. (MCrAlX; M ist zumindest ein Element der Gruppe Eisen (Fe), Kobalt (Co), Nickel (Ni), X ist ein Aktivelement und steht für Yttrium (Y) und/oder Silizium und/oder zumindest ein Element der Seltenen Erden, bzw. Hafnium (Hf)). Solche Legierungen sind bekannt aus derEP 0 486 489 B1 ,EP 0 786 017 B1 ,EP 0 412 397 B1 oderEP 1 306 454 A1 . Die Dichte liegt vorzugsweise bei 95% der theoretischen Dichte. Auf der MCrAlX-Schicht (als Zwischenschicht oder als äußerste Schicht) bildet sich eine schützende Aluminiumoxidschicht (TGO = thermal grown oxide layer). - Vorzugsweise weist die Schichtzusammensetzung Co-30Ni-28Cr-8Al-0,6Y-0,7Si oder Co-28Ni-24Cr-10Al-0,6Y auf. Neben diesen kobaltbasierten Schutzbeschichtungen werden auch vorzugsweise nickelbasierte Schutzschichten verwendet wie Ni-10Cr-12Al-0,6Y-3Re oder Ni-12Co-21Cr-11Al-0,4Y-2Re oder Ni-25Co-17Cr-10Al-0,4Y-1,5Re.
- Auf der MCrAlX kann noch eine Wärmedämmschicht vorhanden sein, die vorzugsweise die äußerste Schicht ist, und besteht beispielsweise aus ZrO2, Y2O3-ZrO2, d.h. sie ist nicht, teilweise oder vollständig stabilisiert durch Yttriumoxid und/oder Kalziumoxid und/oder Magnesiumoxid. Die Wärmedämmschicht bedeckt die gesamte MCrAlX-Schicht. Durch geeignete Beschichtungsverfahren wie z.B. Elektronenstrahlverdampfen (EB-PVD) werden stängelförmige Körner in der Wärmedämmschicht erzeugt. Andere Beschichtungsverfahren sind denkbar, z.B. atmosphärisches Plasmaspritzen (APS), LPPS, VPS oder CVD. Die Wärmedämmschicht kann poröse, mikro- oder makrorissbehaftete Körner zur besseren Thermoschockbeständigkeit aufweisen. Die Wärmedämmschicht ist also vorzugsweise poröser als die MCrAlX-Schicht.
- Wiederaufarbeitung (Refurbishment) bedeutet, dass Bauteile
120 ,130 nach ihrem Einsatz gegebenenfalls von Schutzschichten befreit werden müssen (z.B. durch Sandstrahlen). Danach erfolgt eine Entfernung der Korrosions- und/oder Oxidationsschichten bzw. -produkte. Gegebenenfalls werden auch noch Risse im Bauteil120 ,130 repariert. Danach erfolgt eine Wiederbeschichtung des Bauteils120 ,130 und ein erneuter Einsatz des Bauteils120 ,130 . - Die Schaufel
120 ,130 kann hohl oder massiv ausgeführt sein. Wenn die Schaufel120 ,130 gekühlt werden soll, ist sie hohl und weist ggf. noch Filmkühllöcher418 (gestrichelt angedeutet) auf. - 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
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- EP 1306454 [0028]
- EP 1319729 A1 [0028]
- WO 99/67435 [0028]
- WO 00/44949 [0028]
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- EP 0892090 A1 [0029]
- EP 0486489 B1 [0030]
- EP 0786017 B1 [0030]
- EP 0412397 B1 [0030]
- EP 1306454 A1 [0030]
Claims (13)
- Verfahren zum Beschichten eines Bauteils (
1 ,120 ,130 ), bei dem eine Beschichtungsdüse (4 ) verwendet wird, aus der in einem Strahl (5‘ ,5‘‘ ) ein Material ausströmt und die einen Spritzfleck (7‘ ,7‘‘ ) auf der Oberfläche (10 ,13 ) des Bauteils (1 ,120 ,130 ) erzeugt, dadurch gekennzeichnet, dass der Spritzfleck (7‘ ,7‘‘ ) und/oder der Strahl (5‘ ,5‘‘ ) in Bereichen (10 ) mit einer stark gekrümmten Oberfläche verändert wird, insbesondere verkleinert, ganz insbesondere mindestens um 20%, ganz insbesondere um 30%. - Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Veränderung des Spritzflecks (
7‘ ,7‘‘ ) durch Injektoren an der Beschichtungsdüse (4 ) eingestellt wird. - Verfahren nach einem der beiden Ansprüche 1 oder 2, in dem eine Prozessgasverteilung angepasst wird.
- Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, bei dem eine Blende zur Veränderung des Spritzflecks (
7‘ ,7‘‘ ) oder des Strahls (5‘ ,5‘‘ ) verwendet wird. - Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Beschichtungsdüse (
4 ) in axialer Richtung von dem Bereich der Oberfläche (10 ) weggeschoben wird. - Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Mischungsverhältnis von ausströmenden Material und Arbeitsgas variiert wird.
- Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, bei dem ein thermisches Beschichten erfolgt, insbesondere HVOF-Plasmaspritzen.
- Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Größe des Spritzflecks (
7‘ ,7‘‘ ) oder des Strahls (5‘ ,5‘‘ ) verändert wird. - Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüchen, bei dem eine Form des Spritzflecks (
7‘ ,7‘‘ ) oder des Strahls (5‘ ,5‘‘ ) mit dem Material aus der Beschichtungsdüse (4 ) verändert wird. - Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Intensität des Spritzflecks (
7‘ ,7‘‘ ) verändert wird, insbesondere verringert wird in den Bereichen (10 ) mit einer stark gekrümmten Oberfläche. - Verfahren nach Anspruch 10, bei dem Pulver als Material im Strahl (
5‘ ,5‘‘ ) verwendet wird, und bei dem das Pulver unter einem anderen Winkel in die Temperaturzone des Plasmastrahls oder Brennstrahls eingebracht wird, um die Intensität zu verändern. - Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, bei dem Druckluft oder Schutzgas verwendet wird, um einen Gas/Unterdruckstrom zu verändern.
- Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, bei dem eine Turbinenschaufel (
120 ,130 ) beschichtet wird und die stark gekrümmte Oberfläche (10 ) der Bereich um die Anströmkante (409 ) darstellt.
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