DE102014205413A1 - Beschichtungsverfahren und Bauteil - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Beschichtungsverfahren (10) zum Aufbringen einer Deckschicht (17) auf einen Grundwerkstoff (16). Ein auf einer Oberfläche des Grundwerkstoffs (16) positioniertes Lot wird dabei zum Fügen des Lots an den Grundwerkstoff (16) in einer Wärmebehandlung (12) erwärmt (13) bis es schmelzflüssig ist. Erfindungsgemäß wird dann zur Ausbildung einer Diffusionsschicht (18) in der Deckschicht (17) Sauerstoff in das schmelzflüssige Lot diffundiert (14). Zudem wird ein Bauteil (21) für eine Dampfturbine beansprucht.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Beschichtungsverfahren zum Aufbringen einer Deckschicht auf einen Grundwerkstoff sowie ein Bauteil für eine Dampfturbine.
  • Im Stand der Technik sind verschiedene Techniken zur Verbesserung der Verschleißfestigkeit insbesondere von Schaufeln einer Dampfturbine bekannt. Eine von ihnen ist das Aufbringen einer verschleißbeständigen Schicht mit Hartstoffen auf den Grundwerkstoff. Beispielsweise kann dies durch thermisches Spritzen geschehen.
  • Daneben ist es bekannt zur Randschichthärtung von Titan und Titanlegierungen Sauerstoff in die Oberfläche diffundieren zu lassen.
  • Die US 2006099435 A1 offenbart ein Verfahren zum Einsatzhärten eines Gegenstands aus Titan oder einer Titanbasislegierung oder aus Zirkonium oder einer Zirkoniumlegierung. Dabei wird der Gegenstand wärmebehandelt bei einer oder mehreren Temperaturen im Bereich von 850 °C bis 900 °C und bei einem Druck im Bereich des atmosphärischen Drucks in einer Sauerstoffdiffusionsatmosphäre, umfassend (a) ein Trägergas, das nicht chemisch mit dem Gegenstand in dem genannten Temperaturbereich reagiert, und (b) molekularem Sauerstoff, wobei die Konzentration von Sauerstoff in der Sauerstoffdiffusionsatmosphäre in dem Bereich von 10 Volumenteilen pro Million bis 400 Volumenteilen pro Million liegt.
  • Die US 2010252146 A1 zeigt ein Verfahren zur Herstellung einer intermetallischen Titan-Aluminium-Legierung mit einer verbesserten Härte und Verschleißbeständigkeit. Das Verfahren umfasst die Einbringung einer Sauerstoff-Diffusionsschicht, die als verschleißfeste Arbeitsfläche wirkt, auf der Oberfläche der intermetallischen Titan-Aluminium-Legierung. Die Sauerstoff-Diffusionsschicht hat den Effekt einer Erhöhung der Oberflächenhärte, einer Verringerung des Reibungskoeffizienten, und einer Verringerung der Verschleißrate beziehungsweise einer Erhöhung der Verschleißfestigkeit der intermetallischen Legierung im Vergleich zu der intermetallischen Legierung ohne eine Sauerstoff-Diffusionsschicht.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Beschichtungsverfahren und eine Bauteil mit verbesserter Verschleißfestigkeit bereitzustellen.
  • Gelöst wird diese Aufgabe mit einem Beschichtungsverfahren nach Anspruch 1 und einem Bauteil nach Anspruch 8. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben und in der Beschreibung beschrieben.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Beschichtungsverfahren wird zum Aufbringen einer Deckschicht auf einen Grundwerkstoff ein auf einer Oberfläche des Grundwerkstoffs positioniertes Lot zum Fügen des Lots an den Grundwerkstoff in einer Wärmebehandlung ererwärmt bis es schmelzflüssig ist. Erfindungsgemäß wird zur Ausbildung einer Diffusionsschicht in der Deckschicht Sauerstoff in das schmelzflüssige Lot diffundiert.
  • Damit wird erfindungsgemäß ein Lötverfahren mit einem Sauerstoff-Diffusionsverfahren kombiniert. Die Deckschicht erhält gleichzeitig zum Lötverfahren eine Diffusionsschicht, die die Verschleißfestigkeit der Deckschicht, insbesondere gegen abrasiven Verschleiß, erhöht.
  • Durch die Anwendung des Diffusionsprozesses während sich das Lot in einer Flüssigphase befindet, wird die Diffusion von Sauerstoff in das Lot deutlich vereinfacht. Die Diffusionszeit, in der die Diffusionsschicht ausgebildet wird, kann dadurch geringer sein als bei herkömmlichen Diffusionsverfahren. Insbesondere genügt eine Diffusionszeit von 30 Minuten gegenüber herkömmlichen Diffusionszeiten von mehreren Stunden.
  • Zudem kann die Diffusionsschicht, in die sich der Sauerstoff in atomarer Form eingelagt, deutlich vergrößert werden. So werden mit herkömmlichen Verfahren Eindringtiefen und somit Dicken der Diffusionsschicht von 40 µm bis 80 µm erreicht, wohingegen das erfindungsgemäße Beschichtungsverfahren eine Dicke der Diffusionsschicht bis zu 2 mm ermöglicht. Die Verschleißfestigkeit kann dadurch weiter gesteigert werden.
  • Des Weiteren ist mit dem erfindungsgemäßen Beschichtungsverfahren eines bereitgestellt, welches neben einer Erstbeschichtung auch für eine Reparatur einer bereits vorhandenen, beschädigten Deckschicht geeignet ist. Insbesondere Bauteile von Gasturbinen können mit dem erfindungsgemäßen Beschichtungsverfahren mit einer Deckschicht versehen werden, oder dessen Deckschicht kann mit dem erfindungsgemäßen Beschichtungsverfahren repariert werden.
  • In einer vorteilhaften Ausführung des erfindungsgemäßen Beschichtungsverfahrens wird als Grundwerkstoff eine Titanlegierung verwendet, insbesondere TiAl6V4. Dazu wird als Lot dann insbesondere ein Titanbasislot eingesetzt, insbesondere Ti-Braze.
  • Besonders für Titanlegierungen eignet sich das erfindungsgemäße Beschichtungsverfahren, da Titanlegierungen neben hohen Festigkeiten bei gleichzeitig niedriger Dichte eine hohe Kerbempfindlichekeit und eine geringe kritische Risslänge aufweisen. Die Kerbempfindlichekeit und die kritische Risslänge können mit dem vorliegenden Verfahren wesentlich verbessert werden.
  • In einer vorteilhaften Ausführung des erfindungsgemäßen Beschichtungsverfahrens wird das Lot mit einem Grundwerkstoffmaterial vermischt, das aus dem gleichen Material wie der Grundwerkstoff besteht. Es hat sich als vorteilhaft herausgestellt, dass das Grundwerkstoffmaterial im Lot einen Massenanteil von 30 % bis 70 % aufweist.
  • Damit werden die Eigenschaften der zu erzeugenden Deckschicht positiv beeinflusst.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausführung des erfindungsgemäßen Beschichtungsverfahrens wird das Lot pulverförmig verwendet. Insbesondere wird ein Band verwendet, bei dem das pulverförmige Lot auf einer Trägerschicht aufgebracht ist.
  • Damit lässt sich das Lot einfacher und passgenauer auf den Grundwerkstoff positionieren. Das Band sorgt für eine gleichmäßige Verteilung und eine konstant dicke Schicht des Lots.
  • Das erfindungsgemäße Bauteil für eine Dampfturbine umfasst einen Grundwerkstoff und eine auf einer Oberfläche des Grundwerkstoffs befestigte Deckschicht. Die Deckschicht weist erfindungsgemäß eine Diffusionsschicht auf, in der atomarer Sauerstoff in ein Metallgitter der Deckschicht eingelagert ist. Das Bauteil ist insbesondere eine Schaufel.
  • Das Bauteil verfügt damit über verbesserte Verschleißeigenschaften beziehungsweise über ein verbessertes Abrasivverhalten. Die Diffusionsschicht als Oberfläche des Bauteils hält insbesondere einem Tropfenschlag länger stand als die unbehandelte Deckschicht.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
  • 1 ein Schaubild zum erfindungsgemäßen Beschichtungsverfahren und dem erfindungsgemäßen Bauteil; und
  • 2 das Beschichtungsverfahren in einem Flussdiagramm.
  • In der 1 ist ein Schaubild zum erfindungsgemäßen Beschichtungsverfahren 10 gezeigt. Ein Grundwerkstoff 16 ist darin in verschiedenen Stadien a), b), c) und d) dargestellt.
  • Der Grundwerkstoff 16 ist insbesondere Teil einer Niederdruckschaufel einer Dampfturbine.
  • Im Stadium a) befindet sich der Grundwerkstoff 16 im Betrieb und ist Betriebseinflüssen, wie beispielsweise Tropfenschlag beziehungsweise Abrasivverschleiß, ausgesetzt. Veranschaulicht sind hier Wassertropfen 19, die auf den Grundwerkstoff 16 treffen. Durch eine Materialzerrüttung können dabei mechanische Kerben entstehen.
  • Im Stadium b) ist der Grundwerkstoff 16 aufgrund der Betriebseinflüsse erodiert. Abgebildet ist beispielhaft eine Tropfenschlagerosion 20, die bei Niederdruckschaufeln von Dampfturbinen eine spezielle Form der Kerbbildung darstellt. Bei Dampfturbinen bilden sich im Dampfstrom Nebeltröpfen, die von Leitschaufeln eingefangen werden, dort akkumulieren und an deren Austrittskanten als Wassertropfen 19 abreißen. Diese Wassertropfen 19 führen infolge hoher Umfanggeschwindigkeiten und herrschender Strömungen an den Laufschaufeln zu Oberflächenzerrüttung durch Tropfenschlagerosion 20.
  • Im Stadium c) ist der erodierte Grundwerkstoff 16 mit einer Deckschicht 17 versehen. Das erodierte Material ist dadurch aufgefüllt. Das Auffüllen des Materials kann beispielsweise mittels Auftragslöten ausgeführt sein. Diese Methode ist im Stand der Technik bekannt.
  • Stadium d) zeigt den Grundwerkstoff 16 nach einer Reparatur gemäß dem erfindungsgemäßen Beschichtungsverfahren 10 und eine beispielhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Bauteils 21.
  • Der Grundwerkstoff 16 ist mit einer Deckschicht 17 überzogen. Die Deckschicht füllt die erodierten Bereiche aus. Zusätzlich umfasst die Deckschicht 17 eine Diffusionsschicht 18. In der Diffusionsschicht 18 ist atomarer Sauerstoff in dem Metallgitter der Deckschicht eingelagert. Die Diffusionsschicht 18 bildet die Oberfläche des Bauteils 21. Der Grundwerkstoff 16 ist insbesondere TiAl6V4. Die Deckschicht 17 ist beispielsweise aus Ti-Braze gebildet. Die Diffusionsschicht weist insbesondere eine Schichtdicke von über 80 µm auf, insbesondere zwischen 0,5 mm und 2 mm. Das Bauteil 21 ist ein Dampfturbinenteil und insbesondere eine Niederdruckschaufel.
  • Eine Möglichkeit, das erfindungsgemäße Bauteil 21 zu erzeugen ist das erfindungsgemäße Beschichtungsverfahren 10. Das Beschichtungsverfahren 10 ist in einem Flussdiagramm in einer beispielhaften Ausführungsvariante in der 2 von einem Start 11 bis zu einem Ende 15 dargestellt.
  • Das erfindungsgemäße Beschichtungsverfahren 10 stellt eine Kombination aus einem Lötverfahren und einem Sauerstoff-Diffusions-Verfahren dar. Aus einem Lot wird dabei die Deckschicht 17 auf einer Oberfläche des Grundwerkstoffs 16 erzeugt.
  • Als Grundwerkstoff 16 wird insbesondere eine Titanlegierung, wie TiAl6V4, und als Lot ein Titanbasislot, beispielsweise Ti-Braze, verwendet. Es ist möglich, das Lot mit einem Grundwerkstoffmaterial zu vermischen, welches aus dem gleichen Material wie der Grundwerkstoff 16 besteht. Das Mischverhältnis liegt dabei zwischen 30 Massenprozent und 70 Massenprozent.
  • Das Lot wird insbesondere in Pulverform verwendet. Dazu kann das Lotpulver auf eine Trägerschicht aufgebracht sein. Die Trägerschicht und das Lotpulver bilden zusammen ein Band. Das Band wird insbesondere auf die Oberfläche des Grundwerkstoffs 16 aufgeklebt.
  • Das auf der Oberfläche des Grundwerkstoffs 16 positionierte Lot wird in einer Wärmebehandlung 12 unterzogen. Die Wärmebehandlung findet beispielsweise in einem Ofen statt. Zunächst wird das Lot durch ein Erwärmen 13 bis auf seine Schmelztemperatur erwärmt. Anschließend wird durch ein Diffundieren 14 Sauerstoff in das schmelzflüssige Lot eingebracht. Das Diffundieren 14 dauert insbesondere 0,5 Stunden. Während des Diffundierens 14 werden eine Atmosphäre, eine Temperatur und ein Druck hergestellt, die verursachen, dass Sauerstoff in das Lot diffundiert.
  • Nach einem Abkühlvorgang bildet das Lot die mit dem Grundwerkstoff 16 fest verbundene Deckschicht 17. Der Bereich des Lots, in den der Sauerstoff diffundiert ist, bildet die Diffusionsschicht 17.
  • Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
  • 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
    • US 2006099435 A1 [0004]
    • US 2010252146 A1 [0005]

Claims (8)

  1. Beschichtungsverfahren (10) zum Aufbringen einer Deckschicht (17) auf einen Grundwerkstoff (16), bei dem ein auf einer Oberfläche des Grundwerkstoffs (16) positioniertes Lot zum Fügen des Lots an den Grundwerkstoff (16) in einer Wärmebehandlung (12) erwärmt (13) wird bis es schmelzflüssig ist, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ausbildung einer Diffusionsschicht (18) in der Deckschicht (17) Sauerstoff in das schmelzflüssige Lot diffundiert (14) wird.
  2. Beschichtungsverfahren (10) nach Anspruch 1, wobei als Grundwerkstoff (16) eine Titanlegierung verwendet wird.
  3. Beschichtungsverfahren (10) nach 2, wobei als Lot ein Titanbasislot eingesetzt wird.
  4. Beschichtungsverfahren (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Lot mit einem Grundwerkstoffmaterial vermischt wird, das aus dem gleichen Material wie der Grundwerkstoff (16) besteht.
  5. Beschichtungsverfahren (10) nach Anspruch 4, wobei das Grundwerkstoffmaterial im Lot einen Massenanteil von 30 % bis 70 % aufweist.
  6. Beschichtungsverfahren (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Lot pulverförmig verwendet wird.
  7. Beschichtungsverfahren (10) nach Anspruch 6, wobei ein Band verwendet wird, bei dem das pulverförmige Lot auf einer Trägerschicht aufgebracht ist.
  8. Bauteil (21) für eine Dampfturbine, mit einem Grundwerkstoff (16) einer auf einer Oberfläche des Grundwerkstoffs (16) befestigten Deckschicht (17), dadurch gekennzeichnet, dass die Deckschicht (17) eine Diffusionsschicht (18) aufweist, in der atomarer Sauerstoff in ein Metallgitter der Deckschicht (17) eingelagert ist.
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