DE102015209364A1

DE102015209364A1 - Herstellung und Reparatur von Bauteilen aus hochwarmfesten Werkstoffen durch Kaltgasspritzen

Info

Publication number: DE102015209364A1
Application number: DE102015209364.6A
Authority: DE
Inventors: Stefan Schneiderbanger; Heinrich Walter; Manuel Hertter; Nicole Barl; Philipp Utz; Heinrich Riedl
Original assignee: MTU Aero Engines AG
Current assignee: MTU Aero Engines AG
Priority date: 2015-05-21
Filing date: 2015-05-21
Publication date: 2016-11-24

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung oder Reparatur eines Bauteils, bei welchem ein Substrat (1) bereitgestellt wird, auf dem durch Kaltgasspritzen eine Schicht (3) abgeschieden wird, wobei sowohl das Substrat (1) als auch die abzuscheidende Schicht (3) aus einem hochwarmfesten Werkstoff gebildet werden, wobei das Verfahren vor dem Kaltgasspritzen die Abscheidung einer Zwischenschicht (2) auf dem Substrat (1) vorsieht und wobei die Zwischenschicht (2) aus einem Material gebildet wird, welches eine geringere Härte aufweist als das Material des Substrats (1) und/oder der durch Kaltgasspritzen abzuscheidenden Schicht (3). Die Erfindung umfasst auch ein nach dem Verfahren hergestelltes Bauteil.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung oder Reparatur eines Bauteils, die vorzugsweise in Gasturbinen, insbesondere Flugtriebwerken eingesetzt werden, durch eine Beschichtung, wobei die Beschichtung durch Kaltgasspritzen erzeugt wird.
STAND DER TECHNIK
Das sogenannte Kaltgasspritzen, auch kinetisches Kaltgaskompaktieren (K3) genannt, ist als Beschichtungsverfahren bekannt. Bei diesem Verfahren werden die zu beschichtenden Materialien mit hoher Geschwindigkeit, insbesondere mit Geschwindigkeiten im Bereich der Schallgeschwindigkeit auf die zu beschichtende Bauteiloberfläche beschleunigt, ohne dass die Pulverpartikel durch eine Temperaturbehandlung aufgeschmolzen werden würden. Stattdessen wird durch die hohe Auftreffgeschwindigkeit der Partikel auf der Bauteiloberfläche oder einer bereits bestehenden Teilbeschichtung erreicht, dass die Partikel durch Kaltverformung untereinander und/oder mit dem Werkstoff des zu beschichtenden Bauteils ineinander fließen bzw. kalt verschweißen, sodass sich eine fest anhaftende und kompakte Beschichtung ergibt.
Allerdings besteht beim kinetischen Kaltgasspritzen das Problem, dass Materialien, die eine gewisse Härte aufweisen, nicht miteinander verbunden werden können, da die Kaltverformung aufgrund der hohen Härte zu gering ist und die Werkstoffe entsprechend nicht ineinander fließen bzw. kaltverschweißen. Dadurch sind bestimmte Werkstoffe für eine Formgebung mittels kinetischem Kaltgaskompaktieren ausgeschlossen. Insbesondere im Bereich von Strömungsmaschinen und besonders bei Flugtriebwerken gibt es Werkstoffe, wie hochwarmfeste Gusswerkstoffe, so zum Beispiel den Werkstoff mit der Markenbezeichnung MAR-M 247, die aufgrund ihrer hohen Härte bzw. Warmfestigkeit nicht durch Kaltgasspritzen auf einem entsprechend harten Substrat aufbringbar sind. Dies ist insbesondere deshalb nachteilig, da Bauteile aus diesen Werkstoffen damit auch nicht mittels kinetischem Kaltgasspritzen repariert werden können, da Reparaturschichten aus diesen Werkstoffen nicht auf den ebenfalls harten Bauteilen haften, sodass derartige Bauteile nach einem gewissen Verschleiß aussortiert und ersetzt werden müssen.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
AUFGABE DER ERFINDUNG
Es ist deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung die Nachteile des Standes der Technik zu beseitigen und ein Verfahren zur Herstellung oder Reparatur eines Bauteils bereitzustellen, mit welchem eine kompakte und fest anhaftende Beschichtung aus einem hochwarmfesten Werkstoff auf einem ebenfalls aus einem hochwarmfesten Werkstoff gebildeten Substrat mittels Kaltgasspritzen hergestellt werden kann.
TECHNISCHE LÖSUNG
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie ein Bauteil mit den Merkmalen des Anspruchs 13. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die vorliegende Erfindung schlägt für die Abscheidung einer Schicht aus einem hochwarmfesten Werkstoff auf einem Substrat aus einem ebenfalls hochwarmfesten Werkstoff vor, eine Zwischenschicht zwischen Substrat und der durch Kaltgasspritzen zu erzeugenden Schicht vorzusehen, wobei die Zwischenschicht aus einem Material gebildet wird, welches eine geringere Härte aufweist als das Material des Substrats und/oder der durch Kaltgasspritzen abzuscheidenden Schicht. Dadurch kann erreicht werden, dass auch wenig duktile Materialien auf einem Substrat abgeschieden werden können, welches selbst eine geringe Duktilität bzw. große Härte aufweist. Durch die duktilere Zwischenschicht wird die Anbindung der kaltgasgespritzten Schicht aus einem hochwarmfesten Werkstoff auf einem Substrat aus einem ebenfalls hochwarmfesten Werkstoff erreicht.
Darüber hinaus kann nach dem Abscheiden der Zwischenschicht und der durch Kaltgasspritzen abgeschiedenen Schicht eine Wärmebehandlung durchgeführt wird, die die Anbindung der durch Kaltgasspritzen abgeschiedenen Schicht und der Zwischenschicht auf dem Substrat durch Ausbildung von Diffusionszonen zwischen dem Substrat und der Zwischenschicht sowie der Zwischenschicht und der kaltgasgespritzten Schicht verbessert.
Die Wärmebehandlung kann bei einer Temperatur von 900° C bis 1200° C, insbesondere 1000° C bis 1100° C und vorzugsweise 1050° C bis 1080° C durchgeführt werden, und zwar im Vakuum oder unter Schutzgas.
Die Temperatur des Trägergases und/oder der Partikel beim Kaltgasspritzen kann üblicherweise kleiner oder gleich der halben, vorzugsweise kleiner oder gleich einem Drittel und insbesondere kleiner oder gleich einem Viertel der Schmelztemperatur des eingesetzten Werkstoffs sein, sodass es nicht zu einem Aufschmelzen der aufgespritzten Partikel kommt.
Unter hochwarmfesten Werkstoffen werden Werkstoffe verstanden, die bei hohen Temperaturen eine ausreichende Festigkeit aufweisen, um für Strukturbauteile eingesetzt werden zu können, die bei den hohen Temperaturen strukturelle Festigkeit aufweisen müssen. Als hochwarmfeste Werkstoffe können insbesondere Superlegierungen angesehen werden, welche durch Dispersionshärtung, Ausscheidungshärtung und/oder Mischkristallverfestigung eine hohe mechanische Stabilität und Festigkeit auch bei hohen Einsatztemperaturen aufweisen. Insbesondere kommen hier Superlegierungen auf Basis von Eisen, Nickel, Platin, Chrom und/oder Kobalt in Frage, wobei die entsprechenden Nickelbasis-Superlegierungen, Eisenbasis-Superlegierungen, Kobaltbasis-Superlegierungen usw. dadurch gekennzeichnet sind, dass das namengebende Element jeweils den größten Anteil an der chemischen Zusammensetzung ausmacht. Darüber hinaus weisen derartige Superlegierungen Legierungsbestandteile auf, die die entsprechenden Härtungsmechanismen bewirken. Für die oben genannten Superlegierungen kommen als Legierungselemente insbesondere Kobalt, Nickel, Eisen, Chrom, Molybdän, Wolfram, Rhenium, Ruthenium, Tantal, Niob, Aluminium, Titan, Mangan, Zirkon, Kohlenstoff und Bor in Frage, wobei diese Aufzählung nicht abschließend ist.
Die hochwarmfesten Werkstoffe können sich insbesondere dadurch auszeichnen, dass sie bei einer Temperatur von 80% der Schmelztemperatur oder darüber eine ausreichende Streckgrenze und/oder Zugfestigkeit bzw. Härte aufweisen. Die Streckgrenze kann hierbei einen Wert von 100 MPa oder darüber aufweisen und die Zugfestigkeit kann 150 MPa oder darüber betragen.
Für das erfindungsgemäße Verfahren kommen insbesondere hochwarmfeste Gusslegierungen sowohl für das Substrat als auch für die mittels Kaltgasspritzen abgeschiedene Schicht in Frage, da diese üblicherweise eine geringe Verformbarkeit aufweisen. Ein Beispiel für einen derartigen Werkstoff bildet die hochwarmfeste Gusslegierung mit der Handelsbezeichnung MAR-M247, die eine chemische Zusammensetzung mit 0,06 bis 0,09 Gew.% Kohlenstoff, 8 bis 8,5 Gew.% Chrom, 0,1 Gew.% Mangan, 0,25 Gew.% Silizium, 9,3 bis 9,7 Gew.% Wolfram, 9,0 bis 9,5 Gew.% Kobalt, 5,4 bis 5,7 Gew.% Aluminium sowie Tantal, Titan, Hafnium und Rest Nickel aufweist, wobei die angegebenen Bereiche gemäß der technisch üblich einstellbaren Genauigkeit angegeben sind, sodass innerhalb der üblichen technischen Toleranzbereiche Abweichungen möglich sind.
Die Zwischenschicht wird gemäß der Erfindung aus einem Werkstoff gebildet, der eine geringere Härte als die Werkstoffe des Substrats und/oder der durch Kaltgasspritzen abgeschiedenen Schicht aufweist. Hierbei kann es sich insbesondere um Werkstoffe auf Basis von Nickel, Kobalt, Kupfer, Aluminium und/oder Eisen handeln, die insbesondere als Legierungsbestandteile Silizium und/oder Bor aufweisen können. Silizium und Bor weisen bei derartigen Legierungen einen hohen Diffusionskoeffizienten auf, sodass sie in den entsprechenden Legierungen schnell diffundieren können. Dies ist für die Ausbildung der Diffusionszonen zwischen dem Substrat und der Zwischenschicht bzw. der Zwischenschicht und der durch Kaltgasspritzen abgeschiedenen Schicht vorteilhaft. Insbesondere kann der Diffusionskoeffizient ≥ 10^–9 cm²/s sein.
Die Zwischenschicht kann durch thermisches Spritzen, galvanische Abscheidung, physikalische Dampfphasenabscheidung und/oder chemische Dampfphasenabscheidung aufgebracht werden.
Die Zwischenschicht kann mit einer Dicke im Bereich von 1 bis 100 µm abgeschieden werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
Die beigefügten Zeichnungen zeigen in rein schematischer Weise in
1 eine Darstellung eines Substrats für ein herzustellendes oder zu reparierendes Bauteil,
2 eine Darstellung des Substrats aus 1 nach Aufbringen der Zwischenschicht,
3 eine Darstellung einer Kaltgasspritzvorrichtung bei der Aufbringung der kaltgasgespritzten Schicht auf das Substrat mit der Zwischenschicht aus 2 und in
4 eine Schnittdarstellung des fertigen Bauteils nach der Wärmebehandlung.
AUSFÜHRUNGSBEISPIEL
Weitere Vorteile, Kennzeichen und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden bei der nachfolgenden detaillierten Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der beigefügten Figuren deutlich.
Die 1 zeigt eine rein schematische Darstellung eines Substrats 1, welches zur Herstellung eines Bauteils gemäß der Erfindung eingesetzt wird.
Bei dem Substrat 1 kann es sich beispielsweise um eine Schaufel einer Gasturbine oder eines Flugtriebwerks handeln. Das Verfahren kann sowohl zur erstmaligen Herstellung einer gewünschten Kontur oder Form des Bauteils oder zur Reparatur des Bauteils eingesetzt werden, wenn die ursprüngliche Form des Bauteils, beispielsweise durch Verschleiß, nicht mehr den Anforderungen entspricht.
Die 2 zeigt in einer Querschnittsdarstellung das Substrat 1 aus 1 mit einer darauf angeordneten Zwischenschicht 2, die aus einem Werkstoff gebildet ist, welcher eine geringere Härte als das Material des Substrats 1 aufweist. Im Falle, dass es sich bei dem herzustellenden Bauteil um eine Schaufel eines Flugtriebwerks handelt, kann das Substrat beispielsweise aus der hochwarmfesten Gusslegierung mit der Markenbezeichnung MAR-M247 gebildet sein, während die Zwischenschicht 2 aus der Eisenbasislegierung mit der Markenbezeichnung Inconel 718 gebildet sein kann. Die Zwischenschicht 2 kann in diesem Fall durch thermisches Spritzen aufgebracht werden.
Nach Abscheidung der Zwischenschicht kann die Schicht 3 durch Kaltgasspritzen aufgebracht werden, die dem Bauteil die gewünschte äußere Form verleiht. Die kaltgasgespritzte Schicht 3 wird aus einem Material gefertigt, welches wiederum eine höhere Härte aufweist, als die Zwischenschicht 2. Insbesondere kann die Härte der kaltgespritzten Schicht 3 im Bereich der Härte des Werkstoffs des Substrats 1 liegen und in speziellen Ausführungsbeispielen kann das Material der kaltgespritzten Schicht 3 mit dem Material des Substrats 1 identisch sein.
Die 3 zeigt in einer schematischen Darstellung die Abscheidung der Schicht 3 auf der Zwischenschicht 2 auf dem Substrat 1 mittels kinetischen Kaltgasspritzens. Hierzu ist eine Kaltgasspritzvorrichtung 4 vorgesehen, welche eine Gaszufuhr 6 aufweist, über die ein Trägergas zugeführt wird, welches zum Transport der abzuscheidenden Pulverpartikel auf die Oberfläche des Bauteils 1 dient. Die Pulverpartikel 9 sind hierbei aus dem Werkstoff gefertigt, der die Schicht 3 bilden soll, oder die Pulverpartikel 9 sind aus unterschiedlichen Materialien gefertigt, wobei das Gemisch der Pulverpartikel die gewünschte chemische Zusammensetzung der Schicht 3 bildet. Das Trägergas wird von einer Gaszuführeinrichtung (nicht gezeigt) mit hohem Druck und hoher Geschwindigkeit in die Kaltgasspritzvorrichtung 4 eingeführt, wo es über eine Düsenanordnung, z.B. eine Laval-Düse 5 mit sehr hoher Geschwindigkeit, z.B. im Bereich der Schallgeschwindigkeit, austritt und in Richtung der zu beschichtenden Oberfläche des Bauteils 1 strömt (Spritzstrahl 8). In der Kaltgasspritzvorrichtung 4 ist zudem eine Pulverzuführung 7 vorgesehen, über die der zu beschichtende Werkstoff in Form der Pulverpartikel 9 zugeführt werden kann, so dass er mit dem Trägergas die Kaltgasspritzvorrichtung 4 über die Laval-Düse 5 verlässt und auf der Zwischenschicht 2 abgeschieden werden kann.
Die mit hoher Geschwindigkeit auf das Substrat 1 mit der Zwischenschicht 2 beschleunigten Pulverpartikel 9 werden auf der Zwischenschicht 2 abgeschieden, wobei durch die hohe Auftreffgeschwindigkeit der Partikel beim Kaltgasspritzen eine Verformung der Partikel 9 und/oder der Oberfläche der Zwischenschicht 2 stattfindet, so dass es zu einem Ineinanderfließen der Werkstoffe und/oder einem Verschweißen der Werkstoffe kommt, so dass eine dichte, gut haftende Schicht 3 auf der Zwischenschicht 2 ausgebildet wird. Dies kann dadurch unterstützt werden, dass das Trägergas und/oder die Pulverpartikel 9 erwärmt werden, wobei die Temperatur jedoch gemäß der Definition des Kaltgasspritzens unter der halben Schmelztemperatur der verwendeten Materialien, insbesondere unter einem Drittel, vorzugsweise einem Viertel der Schmelztemperatur der verwendeten Materialien bleibt.
Nach dem Aufbringen der kaltgasgespritzten Schicht 3 wird das so hergestellte Bauteil mit dem Substrat 1, der Zwischenschicht 2 und der kaltgasgespritzten Schicht 3 einer Wärmebehandlung unterzogen, die für die oben angegebenen Materialien des Substrats, der Zwischenschicht und der kaltgasgespritzten Schicht beispielsweise bei einer Temperatur von 1080° C für 4 Stunden im Vakuum oder Schutzgas erfolgen kann. Durch die Wärmebehandlung kommt es zur Ausbildung von Diffusionszonen und zwar einer ersten Diffusionszone 10 zwischen dem Substrat 1 und der Zwischenschicht 2 sowie einer zweiten Diffusionszone zwischen der Zwischenschicht 2 und der kaltgasgespritzten Schicht 3.
Die Diffusionszonen 10, 11 werden im Wesentlichen durch eine Diffusion von Bestandteilen der Zwischenschicht 2 in das Substrat 1 bzw. die kaltgasgespritzte Schicht 3 erreicht. Entsprechend werden für die Zwischenschicht 2 Materialien ausgewählt, die schnell diffundierende Bestandteile aufweisen, wie beispielsweise Silizium und Bor in dem genannten Ausführungsbeispiel.
Mit dem beschriebenen Verfahren kommt es zur Ausbildung einer fest haftenden Schicht 3 auf dem Substrat 1, sodass harte Materialien, die für eine Formgebung mittels kinetischem Kaltgaskompaktieren aufgrund der geringen Verformbarkeit des Materials des Substrats und der aufzubringenden Schicht 3 nicht geeignet sind, abgeschieden werden können, um einen festen, dichten und gut haftenden Verbund zu bilden, sodass damit das kinetische Kaltgasspritzen für die Herstellung von entsprechenden Bauteilen bzw. Reparatur derselben zur Verfügung steht.
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand des Ausführungsbeispiels detailliert beschrieben worden ist, ist selbstverständlich, dass die Erfindung nicht auf das Ausführungsbeispiel beschränkt ist, sondern dass vielmehr Abweichungen in der Weise möglich sind, dass einzelne Merkmale weggelassen werden oder andersartige Kombinationen von Merkmalen verwirklicht werden, solange der Schutzbereich der beigefügten Ansprüche nicht verlassen wird. Die Erfindung umfasst insbesondere sämtliche Kombinationen der vorgestellten Einzelmerkmale.
Bezugszeichenliste

1: Substrat
2: Zwischenschicht
3: kaltgespritzte Schicht
4: Kaltgasspritzvorrichtung
5: Laval-Düse
6: Gaszufuhr
7: Pulverzuführung
8: Spritzstrahl
9: Pulverpartikel
10: erste Diffusionszone
11: zweite Diffusionszone

Claims

Verfahren zur Herstellung oder Reparatur eines Bauteils, bei welchem ein Substrat (1) bereitgestellt wird, auf dem durch Kaltgasspritzen eine Schicht (3) abgeschieden wird, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl das Substrat (1) als auch die abzuscheidende Schicht (3) aus einem hochwarmfesten Werkstoff gebildet werden, wobei das Verfahren vor dem Kaltgasspritzen die Abscheidung einer Zwischenschicht (2) auf dem Substrat (1) vorsieht und wobei die Zwischenschicht (2) aus einem Material gebildet wird, welches eine geringere Härte aufweist als das Material des Substrats (1) und/oder der durch Kaltgasspritzen abzuscheidenden Schicht (3).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Abscheiden der Zwischenschicht (2) und der mittels Kaltgasspritzen abgeschiedenen Schicht (3) eine Wärmebehandlung durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmebehandlung bei einer Temperatur von 900°C bis 1200°C, insbesondere 1000°C bis 1100°C, vorzugsweise 1050°C bis 1080°C durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmebehandlung im Vakuum oder unter Schutzgas durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des Trägergases und/oder der Partikel (9) beim Kaltgasspritzen kleiner oder gleichen der halben Schmelztemperatur des Werkstoffes der eingesetzten Partikel (9) ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als hochwarmfeste Werkstoffe Superlegierungen insbesondere auf Basis von einem der Elemente aus der Gruppe eingesetzt werden, die Eisen, Nickel, Platin, Chrom und Kobalt umfasst, wobei die Legierungen Zusätze von mindestens einem der Elemente aus der Gruppe aufweisen, die Co, Ni, Fe, Cr, Mo, W, Re, Ru, Ta, Nb, Al, Ti, Mn, Zr, C und B umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als hochwarmfeste Werkstoffe Legierungen eingesetzt werden, die bei einer Temperatur von 80% der Schmelztemperatur oder darüber eine Streckgrenze von 100 MPa und darüber und/oder eine Zugfestigkeit von 150 MPa oder darüber aufweisen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als hochwarmfeste Werkstoffe Gusslegierungen, insbesondere Nickelbasis-Superlegierungen, vorzugsweise eine Legierung mit einer chemischen Zusammensetzung von 0,06–0,09 Gew.% C, 8,0–8,5 Gew.% Cr, 0,10 Gew.% Mn, 0,25 Gew.% Si, 9,3–9,7 Gew.% W, 9,0–9,5 Gew.% Co, 5,4–5,7 Gew.% Al sowie Ta, Ti, Hf und Rest Ni eingesetzt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht (2) aus einem Werkstoff auf Basis von einem der Elemente der Gruppe, die Ni, Co, Cu, Al und Fe umfasst, gebildet wird, insbesondere Legierungen die Si und/oder B aufweisen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Material der Zwischenschicht (2) mindestens ein schnell diffundierendes Element mit einem Diffusionskoeffizienten größer oder gleich 10^–9 cm²/s aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht (2) mit einem Prozess aus der Gruppe abgeschieden wird, die thermisches Spritzen, galvanische Abscheidung, physikalische Dampfphasenabscheidung und chemische Dampfphasenabscheidung umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht (2) mit einer Dicke im Bereich von 1 bis 100 µm abgeschieden wird.
Bauteil, insbesondere Bauteil einer Strömungsmaschine, welches nach dem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche hergestellt ist.
Bauteil nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil ein Substrat (1) mit einem ersten Werkstoff und in Richtung Oberfläche eine kaltgespritzte Schicht (3) aus einem zweiten Werkstoff aufweist, wobei zwischen Substrat und kaltgespritzter Schicht eine Zwischenschicht (2) aus einem dritten Werkstoff gebildet ist und wobei zwischen Substrat (1) und Zwischenschicht (2) eine erste Diffusionszone (10) und/oder zwischen Zwischenschicht (2) und kaltgespritzter Schicht (3) eine zweite Diffusionszone (11) ausgebildet ist.