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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Beschichtung auf einem Bauteil bzw. einem Halbzeug und insbesondere ein Verfahren zur Herstellung einer Spitzenpanzerung auf einer Laufschaufel oder einer Blisk (Kombination aus Schaufel (blade) und Scheibe (disk)) eines Flugzeugtriebwerks.
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STAND DER TECHNIK
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Bei Strömungsmaschinen, wie stationären Gasturbinen oder Flugzeugtriebwerken, werden durch die Verbrennung des Brennstoffs und die dadurch erzeugten Verbrennungsgase Rotoren mit Schaufeln angetrieben, die wiederum Rotoren mit Schaufeln zum Ansaugen und Verdichten von Luft für die Verbrennung des Brennstoffs antreiben. Entsprechend liegen in einer derartigen Strömungsmaschine Rotoren mit Schaufeln vor, die gegenüber einem feststehenden Gehäuse drehen.
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Um einen hohen Wirkungsgrad zu erzielen, soll der Spalt zwischen den drehenden Rotoren bzw. den daran angeordneten Schaufeln und dem feststehenden Gehäuse möglichst klein sein, sodass Strömungsverluste über den Spalt zwischen drehenden Schaufeln und Gehäuse möglichst gering sind. Dies wird jedoch zusätzlich durch unterschiedliche Betriebs- und Umgebungsbedingungen erschwert, die zu unterschiedlichen Spaltbreiten zwischen Gehäuse und rotierenden Schaufeln führen können.
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Um möglichst wenig Strömungsverluste durch den Spalt zwischen den Rotorschaufeln und einem feststehenden Gehäuse zu erreichen, ist es bekannt, Dichtungen zwischen Rotoren und Gehäuse vorzusehen. Derartige Dichtungen umfassen beispielsweise am feststehenden Gehäuseteil Einlaufbeläge, in die sich entsprechend den unterschiedlichen Betriebsbedingungen die Laufschaufeln der Rotoren einschneiden können. Um hierbei die Schaufelspitzen der Laufschaufeln vor Verschleiß zu schützen, ist es weiterhin bekannt, an den Schaufelspitzen Panzerungen vorzusehen, die beispielsweise aus aufgebrachten Hartstoffteilchen oder einer keramischen Beschichtung bestehen können.
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Nach dem Stand der Technik, wie beispielsweise in der
DE 10 2005 060 712 A1 und der
GB 2270527 A beschrieben, werden Schaufelspitzenpanzerungen unter anderem auch abhängig von der gewählten Art der Panzerung entweder durch thermisches Spritzen, Löten, Elektroplattieren oder Reibschweißen aufgebracht.
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Bei der Herstellung derartiger Panzerungen auf Schaufelspitzen von Strömungsmaschinen kann verfahrensbedingt das Problem auftreten, dass bei der Abscheidung der Panzerung in Form einer Beschichtung sich ein Überstand der Beschichtung gegenüber dem Grundwerkstoff ausbildet. Ein derartiger Überstand mit entsprechender Formänderung der Schaufelspitze und Veränderung der Massenverteilung in der Schaufel und im Rotor führt zu einer Veränderung des mechanischen Verhaltens bei der entsprechend schnellen Bewegung mit hohen Drehzahlen und zu einer Reduzierung der Schwingfestigkeit und somit der Lebensdauer der Schaufeln bzw. Rotoren. Folglich muss ein derartiger Überstand nach der Herstellung aufwändig entfernt werden, was neben dem hohen Aufwand das Risiko in sich birgt, dass die nahezu fertig gestellte Schaufel durch die Bearbeitung beschädigt werden kann.
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Bei der Aufbringung einer Panzerung durch Reibschweißen besteht unter anderem das Problem darin, dass bei der Reibschweißung in Bereichen mit geringer Schweißfläche eine schweißtechnische Verbindung schwierig herzustellen ist. In der
GB 2270527 A wird deshalb zur Vergrößerung der Fläche, auf der das schützende Material durch Reibschweißen aufgebracht werden soll, eine Maske um den zu schützenden Bereich vorgesehen. Allerdings besteht hierbei weiterhin das Problem, dass eine aufwändige Nacharbeit mit der Entfernung der Maske und der überschüssigen Beschichtung erforderlich ist.
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In der
DE 10 2005 060 712 A1 erfolgt die Aufbringung von Hartstoffpartikeln zur Bildung einer Panzerung statt durch Löten mittels thermischem Plasmaspritzen, um den Herstellungsaufwand zu verringern. Hierzu wird ebenfalls eine Maske um den Bereich bereitgestellt, der durch thermisches Plasmaspritzen mit einer Schaufelspitzenpanzerung beschichtet werden soll. Damit lassen sich auch die oben erwähnten Überstände vermeiden.
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In der
DE 44 42 455 A1 ist zudem ein Verfahren zum Aufbringen einer Deckplatte mittels Elektroplattieren beschrieben, bei der zur Erzeugung der Deckplatte ebenfalls eine umgebende Form, beispielsweise aus Wachs vorgesehen ist.
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Trotz der verschiedenen Lösungsansätze im Stand der Technik auf effiziente Weise eine Schaufelspitzenpanzerung in definierter Form herzustellen, besteht weiterhin Bedarf einer Verbesserung hinsichtlich einer optimalen Kombination von Materialauswahl und Zusammensetzung der Panzerung sowie dem Verfahren zur Herstellung der Panzerung, um sowohl eine einfache Herstellung als auch eine definierte Struktur der Panzerung zu gewährleisten.
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OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
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AUFGABE DER ERFINDUNG
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Es ist deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Beschichtung auf einem Bauteil und insbesondere zur Herstellung einer Panzerung auf einer Laufschaufel einer Strömungsmaschine bereitzustellen, bei welcher das Problem des Entstehens eines unerwünschten Überstandes bzw. allgemein von undefinierten Grenzflächen einer Beschichtung vermieden wird. Vielmehr soll mit dem Verfahren eine Beschichtung hergestellt werden können, welche zumindest teilweise exakt definierte Grenzflächen aufweist. Gleichzeitig soll das entsprechende Verfahren jedoch einfach und zuverlässig durchführbar sein und den Einsatz bestimmter Materialien, wie beispielsweise von Hartstoffpartikeln zur Bildung einer Panzerung ermöglichen.
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TECHNISCHE LÖSUNG
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Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, durch Aufbringen eines Abdeckmittels auf ein Halbzeug des zu beschichtenden Bauteils und teilweise Entfernen des Abdeckmittels sowie Abtragsätzen des Halbzeugs im Bereich des entfernten Abdeckmittels eine Form für einen nachfolgenden Beschichtungsprozess zu erzeugen, die die Grenzflächen und somit die Kontur der Beschichtung definiert. Auf diese Weise kann eine exakte Gestaltung von zumindest Teilbereichen der Kontur der aufzubringenden Beschichtung erzielt werden, was im Anwendungsfall der Aufbringung einer Spitzenpanzerung auf Laufschaufeln eine Vermeidung von Überhängen in einfacher und sicherer Weise ermöglicht.
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Entsprechend wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ein Halbzeug des zu beschichtenden Bauteils bereitgestellt, welches zumindest im Bereich der aufzubringenden Beschichtung eine Außenkontur aufweist, die derjenigen des fertig beschichteten Bauteils entspricht, sodass Material vorgehalten wird, das in der nachfolgenden Abtragsätzung zur Erstellung der Form für die Beschichtung entfernt werden kann. Auf diese Weise lässt sich eine exakte Form für die Beschichtung erzeugen, die sich mit dem Beschichtungsmaterial im nachfolgenden Beschichtungsprozess in einfacher Weise auffüllen lässt. Durch das Zusammenwirken von mit überschüssigem Volumen bzw. Material bereitgestelltem Halbzeug und dem aufzubringenden Abdeckmittel können definierte Formflächen erzeugt werden, die an dem Abdeckmittel frei gelegt werden, wenn durch die Abtragsätzung das überschüssige Material des Halbzeugs, das als Platzhalter für die nachfolgende Beschichtung dient, entfernt wird, sodass durch den entstehenden Hohlraum eine mit dem Beschichtungsmaterial aufzufüllenden Form erzeugt wird, die definierte Oberflächen zur Ausbildung entsprechend definierter Grenzflächen der Beschichtung bereitstellt. Somit stellt das mit dem Halbzeug bereit gestellte überschüssige Material bzw. Volumen den Beschichtungsbereich dar, in dem die nachfolgende Beschichtung erzeugt wird.
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Das Abdeckmittel für das erfindungsgemäße Verfahren kann entsprechend so gewählt werden, dass es sowohl die Funktion des Schutzes des Halbzeugs vor dem Ätzmittel im Schritt des Abtragsätzens als auch als Begrenzung für die Beschichtung, die in dem freigeätzten Bereich abgeschieden wird, dienen kann.
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Das Abdeckmittel kann aus einem keramischen und/oder organischen Material, insbesondere einem Kunststoff, Wachs oder Lack, gebildet sein oder dieses enthalten.
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Die Beschichtung kann durch galvanische Abscheidung erfolgen, insbesondere durch galvanische Abscheidung einer Matrix mit eingelagerten Hartstoffpartikeln. Insbesondere kann die Beschichtung durch Vernickeln, vorzugsweise Disposionsvernickeln erzeugt werden, bei welchem galvanisch eine Nickel-haltige Beschichtung, insbesondere eine Nickelschicht, mit eingelagerten Hartstoffpartikeln, sogenannten Dispersoiden, beispielsweise aus kubischen Bornitrid abgeschieden wird. Allerdings sind auch andere galvanische Beschichtungen, wie z.B. die galvanische Abscheidung von Chrom oder Kuper haltigen Beschichtungen, möglich.
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Da in dem Halbzeug, welches für das erfindungsgemäße Verfahren zunächst bereitgestellt wird, ein Beschichtungsbereich vorgehalten wird, der aus dem selben Material wie das Material des Grundwerkstoffs besteht und anschließend durch die Abtragsätzung entfernt wird, kann das Halbzeug in dem Gebiet des Beschichtungsbereichs an der Außenkontur so bearbeitet werden, dass durch das aufgebrachte Abdeckmittel nach dem Abtragsätzen Formflächen für die mit dem Beschichtungsmaterial aufzufüllende Form bereitgestellt werden, die unterschiedliche, definierte Konturen aufweisen können.
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Die vorliegende Erfindung kann insbesondere bei einem zu beschichtenden Bauteil einer Strömungsmaschine und vorzugsweise bei einer Laufschaufel eines Flugzeugtriebwerks oder einer stationären Gasturbine eingesetzt werden. Bei der Beschichtung kann es sich um eine Panzerung handeln, die insbesondere bei Laufschaufeln von Strömungsmaschinen vorgesehen werden kann.
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KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
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Die beigefügten Zeichnungen zeigen in rein schematischer Weise in
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1 eine Querschnittsansicht durch eine Schaufelspitze nach dem Stand der Technik;
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2 in den Teilbildern a) bis f) die Verfahrensschritte zur Herstellung einer Schaufelspitzenpanzerung nach der vorliegenden Erfindung; und in
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3 in den Teilbildern a) bis c) Querschnittsansichten verschiedener Schaufelspitzenpanzerungen mit unterschiedlichen Beschichtungsgrenzflächen.
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AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
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Weitere Vorteile, Kennzeichen und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden bei der nachfolgenden detaillierten Beschreibung der Ausführungsbeispiele deutlich, wobei die Erfindung nicht auf diese Ausführungsbeispiele beschränkt ist.
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Die 1 zeigt einen Querschnitt durch eine Schaufelspitzenpanzerung nach dem Stand der Technik. In 1 ist die Schaufelspitze einer Schaufel 1 zu sehen, wie sie beispielsweise in einer Strömungsmaschine in Form eines Flugzeugtriebwerks eingesetzt werden kann. An der Schaufelspitze der Schaufel 1 ist eine Panzerung 2 aufgebracht, die in einer metallischen Matrix eingelagerte Hartstoffpartikel aufweist, so dass beim Anstreifen der Schaufel gegenüber einem Einlaufbelag einer an einem umgebenden, feststehenden Gehäuse angeordneten Dichtung der Einlaufbelag abgetragen wird und nicht die Schaufelspitze, wobei sich gleichzeitig ein optimaler enger Spalt zwischen Schaufel und Gehäuse ausbildet.
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Bei den bekannten Schaufelspitzenpanzerungen kann sich jedoch durch das Aufbringen der Panzerung 2 ein sogenannter Schichtüberstand 3 ergeben, bei dem die Beschichtung in Form der Panzerung 2 über den Grundwerkstoff der Schaufel 1 mit dem Überhang der Ausdehnung A übersteht. Dieser Überstand 3 würde jedoch zu ungünstigem mechanischem Verhalten der mit hoher Geschwindigkeit bewegten Laufschaufel 1 führen, wobei die Schwingfestigkeit und somit die Lebensdauer der Laufschaufel 1 verringert wird. Entsprechend muss der Überstand 3 nach dem Stand der Technik nach der Beschichtung abgetragen werden, was einen hohen Aufwand darstellt und das Risiko einer Beschädigung der weitgehend fertig gestellten Laufschaufel 1 mit sich bringt.
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Entsprechend wird bei einer Herstellung einer Schaufelspitzenpanzerung nach der vorliegenden Erfindung die Beschichtung in Form der Panzerung gemäß dem Arbeitsablauf der 2 aufgebracht.
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In den Teilbildern der 2 sind die einzelnen Verfahrensschritte dargestellt. In Teilbild a) ist ein Halbzeug 10 einer Laufschaufel dargestellt, welches eine Außenkontur aufweist, die derjenigen der fertigen Laufschaufel mit einer Panzerung entspricht. Dies bedeutet, dass das Halbzeug 10 einen Grundwerkstoff 12 aufweist, auf dem die Beschichtung in Form der Panzerung vorgesehen werden soll, und zusätzlich einen Beschichtungsbereich 11, der den Platz der späteren Beschichtung einnimmt und nachfolgend durch die Beschichtung ersetzt wird. Das Halbzeug 10 weist somit eine Form auf, die der fertigen Laufschaufel mit Beschichtung entspricht, d. h. anstelle der Beschichtung ist zusätzlich der Grundwerkstoff an der für die Beschichtung vorgesehenen Stelle angeordnet. Entsprechend ist der Beschichtungsbereich 11 des Halbzeugs aus dem gleichen Material wie der Grundwerkstoff 12 gebildet. Allerdings kann eine gedachte Abgrenzung des Beschichtungsbereichs 11 von dem Grundwerkstoff 12 im Halbzeug 10 mit der Beschichtungsgrundfläche 13 gezogen werden, an welcher später eine Grenzfläche der Beschichtung vorliegen wird.
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Das entsprechende Halbzeug wird mit einem Abdeckmittel 14 überzogen, sodass sich zumindest an der Oberfläche des Beschichtungsbereichs 11 und angrenzenden Bereichen eine durchgehende Abdeckung durch das Abdeckmittel 14 ergibt. Dies ist in 2b) dargestellt. In 2c) ist die Bearbeitungsstufe gezeigt, bei welcher oberhalb des Beschichtungsbereichs 11 das Abdeckmittel 14 entfernt ist, sodass die Oberfläche 15 des Beschichtungsbereichs 11 freigelegt ist. Gleichzeitig deckt jedoch das verbleibende Abdeckmittel 14 zur Oberfläche 15 benachbarte Bereiche ab und weist Grenzflächen 17, 18 zum Beschichtungsbereich 11 auf. Damit ist das Halbzeug für die Abtragsätzung vorbereitet, während der der Beschichtungsbereich 11 abgetragen wird, um einen Hohlraum bzw. eine Form für die spätere Beschichtung zu schaffen.
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In 2d) ist der Zustand nach einer Abtragsätzung im Bereich der Oberfläche 15 dargestellt. Durch das Aufbringen eines Ätzmittels, mit dem das Material des Grundwerkstoffs 12 aufgelöst und abgetragen werden kann, wird der Beschichtungsbereich 11 des Halbzeugs abgetragen, während das benachbarte Abdeckmittel 14, welches von dem Ätzmittel nicht angegriffen wird, erhalten bleibt. Die Abtragsätzung wird solange vorgenommen, bis der gesamte Beschichtungsbereich 11, also der Bereich in dem später die Beschichtung vorliegen soll, bis zur Beschichtungsgrenzfläche 13 abgetragen ist. Dadurch wird eine Vertiefung 16 ausgebildet, die einerseits von der Beschichtungsgrenzfläche 13 und andererseits von den den Beschichtungsbereich 11 umgebenden Bereichen des Abdeckmittels 14 begrenzt wird. Die Vertiefung 16 bildet eine Form für die nachfolgende Beschichtung, sodass die bisherigen Grenzflächen 17, 18 zwischen Beschichtungsbereich 11 und Abdeckmittel 14 nunmehr freiliegende Formflächen 25, 26 darstellen, die den zu beschichtenden Bereich definieren. Die durch die Abtragsätzung erzeugte Form in Gestalt der Vertiefung 16 wird somit durch die Beschichtungsgrenzfläche 13, an die der Grundwerkstoff 12 angrenzt, und die Formflächen 25, 26 des Abdeckmittels 14 gebildet. Da die Formflächen 25, 26 den früheren Grenzflächen 17, 18 zwischen Abdeckmittel 14 und Halbzeug 10 entsprechen, kann durch eine geeignete Gestaltung der Kontur des Halbzeugs 10 im Beschichtungsbereich 11 auch eine Gestaltung der Kontur der Beschichtung erzielt werden. Die Vertiefung 16 kann, um mit Sicherheit keinen Schichtüberstand entstehen zu lassen, etwas größer sein als die aufzubringende Beschichtung bzw. die nachfolgende Beschichtung kann umgekehrt etwas kleiner ausgeführt werden als das abgetragene Material.
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Wie in der 2e) gezeigt ist, wird nämlich der durch die Vertiefung 16 ausgebildete Hohlraum im nächsten Bearbeitungsschritt mit Beschichtungsmaterial 19 gefüllt, welches auf der Beschichtungsgrenzfläche 13 auf dem Grundwerkstoff 12 abgeschieden wird. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel der Ausbildung einer Spitzenpanzerung auf einer Laufschaufel eines Flugzeugtriebwerks kann die Abscheidung durch galvanisches Abscheiden einer metallischen Matrix mit eingelagerten Dispersoiden erfolgen. Beispielsweise kann das Beschichtungsmaterial 19 durch Dispersionsvernickeln mit Dispersionspartikeln aus kubischem Bornitrid durchgeführt werden.
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Nach der Aufbringung der Beschichtung wird das verbliebene Abdeckmittel 14 entfernt und die fertige Laufschaufel 1 mit einer Panzerung 20 liegt vor (siehe 2e)). Die Panzerung 20 weist auf Grund der definierten Formflächen 25, 26 und der durch die Ätzung bestimmten Beschichtungsgrenzfläche 13 definierte Beschichtungsgrenzflächen 21, 22 und 13 auf.
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Wie in der 3 in den Teilabbildungen a) bis c) dargestellt ist, können die Grenzflächen 21, 22 der Panzerung 20 definiert mit beliebigen Formen ausgebildet werden, sofern im Teilschritt gemäß der 2a) der Beschichtungsbereich 11 so ausgebildet wird, dass die Grenzflächen 17 und 18, die die späteren Formflächen 25, 26 darstellen, entsprechend der gewünschten Grenzflächen 21, 22 ausgebildet werden. Wie in den 3a) bis c) gezeigt ist, können definierte seitliche Grenzflächen 21, 22 der Panzerung 20 in unterschiedlicher Form, also gerade sowie parallel und gleich beabstandet zueinander (3a)) oder konkav gewölbt (3c)) oder schräg und spitz aufeinander zulaufend (3b)) verwirklicht werden. Entsprechend können auch weitere Formen, wie konvex abgerundete Kanten (umgekehrt zu 3c)) oder schräg nach außen auseinanderlaufende gegenüber liegende Grenzflächen (umgekehrt zu 3b)) oder sonstige, beliebige Formen verwirklicht werden. Insbesondere können auch entlang einer Dimension sich variabel verändernde Querschnittsformen realisiert werden, so dass die Panzerung bzw. allgemein die Beschichtung angepasst an den Aufbringungsort unterschiedliche Formen aufweist. Für den Einsatzfall einer Panzerung auf einer Schaufelspitze können somit beispielsweise an den Ein- und/oder Austrittskanten oder in einem dazwischen liegenden Mittelbereich unterschiedliche Außen- bzw. Querschnittsformen der Panzerung verwirklicht sein.
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Obwohl die vorliegende Erfindung anhand der Ausführungsbeispiele detailliert beschrieben worden ist, ist die Erfindung nicht auf diese Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern es sind vielmehr Abwandlungen in der Weise möglich, dass einzelne Merkmale weggelassen oder andersartige Kombinationen von Merkmalen verwirklicht werden, solange der Schutzbereich der beigefügten Ansprüche nicht verlassen wird. Die vorliegende Offenbarung schließt sämtliche Kombinationen der vorgestellten Einzelmerkmale mit ein.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Laufschaufel
- 2
- Panzerung
- 3
- Überstand
- 10
- Halbzeug
- 11
- Beschichtungsbereich
- 12
- Grundwerkstoff
- 13
- Beschichtungsgrenzfläche
- 14
- Abdeckmittel
- 15
- Oberfläche
- 16
- Vertiefung
- 17, 18
- Grenzfläche
- 19
- Beschichtungsmaterial
- 20
- Beschichtung
- 21, 22
- Beschichtungsgrenzfläche
- 25, 26
- Formflächen
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102005060712 A1 [0005, 0008]
- GB 2270527 A [0005, 0007]
- DE 4442455 A1 [0009]
