DE102016221023A1

DE102016221023A1 - Verfahren zum beschichten durch thermisches spritzen und vorbereitung einer oberfläche hierfür durch elektrochemisches oder chemisches ätzen oder lasermaterialbearbeitung

Info

Publication number: DE102016221023A1
Application number: DE102016221023.8A
Authority: DE
Inventors: Philipp Utz; Manuel Hertter; Stefan Schneiderbanger
Original assignee: MTU Aero Engines AG
Current assignee: MTU Aero Engines AG
Priority date: 2016-10-26
Filing date: 2016-10-26
Publication date: 2018-04-26

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beschichtung eines metallischen Bauteils, insbesondere einer Strömungsmaschine, durch thermisches Spritzen, bei welchem vor dem Spritzen die zu beschichtende Oberfläche (2,3,4) des Bauteils (1) durch Oberflächenbearbeitung aufgeraut wird, wobei das Aufrauen durch chemisches oder elektrochemisches Ätzen oder durch Bearbeitung mit hochenergetischen Strahlen erfolgt.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beschichtung eines metallischen Bauteils, insbesondere eines Bauteils einer Strömungsmaschine, wie einer stationären Gasturbine oder eines Flugtriebwerks, durch thermisches Spritzen, bei welchem vor dem thermischen Spritzen die zu beschichtende Oberfläche des Bauteils durch Oberflächenbearbeitung aufgeraut wird.
STAND DER TECHNIK
Beim thermischen Spritzen wird der Beschichtungsstoff innerhalb oder außerhalb eines Spritzbrennens an - oder aufgeschmolzen und in einem Gasstrom auf die Oberfläche des zu beschichtenden Bauteils geschleudert. Beim Auftreffen auf der Bauteiloberfläche werden die an - oder aufgeschmolzenen Partikel verformt und passen sich entsprechend der Bauteiloberfläche an. Die erstarrten Partikel verklammern sich mechanisch mit der Oberfläche und somit wird lagenweise die Beschichtung aufgebaut. Entsprechend ist es wichtig, dass die zu beschichtende Oberfläche eine gewisse Rauheit aufweist, sodass die Haftung der thermischen Spritzschicht ausreichend gewährleistet werden kann.
Entsprechend ist es bekannt, Bauteile vor dem Aufbringen einer thermischen Spritzschicht in der Weise vorzubehandeln, dass die zu beschichtende Oberfläche aufgeraut wird. Dies ist beispielsweise in der WO 97/17478 A1 für das Beschichten von Kochgeschirr mit Antihaftbeschichtungen beschrieben.
Bauteile von Strömungsmaschinen, wie von stationären Gasturbinen oder Flugtriebwerken, benötigen aufgrund der Einsatzbedingungen ebenfalls häufig Beschichtungen, um das darunter liegende metallische Bauteil zu schützen, wobei die Beschichtungen unter anderem durch thermisches Spritzen aufgebracht werden können. Auch bei diesen Bauteilen ist entsprechend ein Aufrauen der Oberfläche vor dem Abscheiden von entsprechenden thermischen Spritzschichten erforderlich, wie dies in der US 2005/0036892 A1 beschrieben ist.
Zum Aufrauen der Oberfläche werden Strahlmittel, wie Keramik - oder Sandpartikel, oder Wasserstrahlen eingesetzt, die beim Auftreffen auf die aufzurauende Oberfläche eine Verformung der Oberfläche und/oder einen Materialabtrag bewirken können.
Allerdings hat sich gezeigt, dass entsprechende Strahlverfahren, also das Bestrahlen mit Strahlmitteln, wie Sand, Korund oder dergleichen, sowie die Bearbeitung mit Wasserstrahlen nicht in allen Fällen zu befriedigenden Ergebnissen führen, sodass die Haftung von entsprechend aufgebrachten thermischen Spritzschichten, wie Panzerungen oder Verschleißschutzschichten, unzureichend sein kann.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
AUFGABE DER ERFINDUNG
Es ist deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Beschichten von Bauteilen, insbesondere von Bauteilen von Strömungsmaschinen, durch thermisches Spritzen bereitzustellen, bei welchem die Haftfestigkeit der thermischen Spritzschicht verbessert bzw. gewährleistet werden kann. Das entsprechende Verfahren soll zudem einfach und zuverlässig durchführbar sein.
TECHNISCHE LÖSUNG
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die Erfindung geht aus von der Erkenntnis, dass die Haftung thermischer Spritzschichten im Wesentlichen davon abhängt, ob die Vorbereitung der zu beschichtenden Oberfläche durch Aufrauen in der erforderlichen Weise erfolgt ist. So wurde gefunden, dass insbesondere bei Oberflächen, die unterschiedlich orientierte Oberflächenbereiche aufweisen, die Oberflächenbearbeitung durch Partikelstrahlen oder Wasserstrahlen unzureichend sein kann, da der Partikelstrom oder Wasserstrahl in den unterschiedlich orientierten Oberflächenbereichen unter unterschiedlichen Auftreffwinkeln auftrifft und somit eine unterschiedliche Bearbeitung der Oberfläche zur Folge hat. Entsprechend wird gemäß der Erfindung vorgeschlagen, die Materialbearbeitung durch elektrochemisches oder chemisches Ätzen der Oberfläche oder durch eine Bearbeitung mit hochenergetischem Strahlen, wie Laserstrahlen oder Elektronenstrahlen, vorzunehmen. Mit diesem Verfahren kann in einfacher Weise auf unterschiedliche Orientierungen von zu beschichtenden Oberflächenbereichen Rücksicht genommen werden und es können in allen unterschiedlich orientierten Oberflächenbereichen der zu beschichtenden Oberfläche die erforderlichen Rauheitseigenschaften der Oberfläche eingestellt werden.
Die Oberflächenbereiche können hierbei in einer sehr unterschiedlichen Orientierung an den Bauteilen angeordnet sein. Beispielsweise können die Oberflächennormalen auf den Oberflächenbereichen zueinander Winkel im Bereich von 0° bis 180° aufweisen. Insbesondere können die zu beschichtenden Oberflächenbereiche auch so angeordnet sein, dass einzelne Oberflächenbereiche von anderen Bauteilbereichen abgeschattet sind. Dies stellt einen Vorteil gegenüber den herkömmlichen Partikel - oder Wasserstrahlverfahren dar, bei denen lediglich Oberflächenbereiche bearbeitet werden können, die in einer geraden Linie, der sogenannten Sichtlinie, zugänglich sind, da die beschleunigten Partikel sich üblicherweise lediglich entlang einer geraden Linie, der so genannten Sichtlinie, bewegen und auf das zu bearbeitende Bauteil auftreffen können. Entsprechend sind Bereiche, die hinter einer derartigen Sichtlinie liegen, für die Strahlmittel nicht zugänglich. Bei den erfindungsgemäßen eingesetzten Verfahren der elektrochemischen Materialbearbeitung bzw. des chemischen Ätzen oder der Materialbearbeitung mit hochenergetischen Strahlen sind jedoch auch abgeschatteten Bereiche zugänglich, da flüssige chemische Ätzmittel oder Elektrolyte für die elektrochemische Bearbeitung auch an entsprechend abgeschattete Bereiche gelangen können. Darüber hinaus ist auch bei hochenergetischen Strahlen, wie beispielsweise Laserstrahlen, die für das Aufrauen der Oberfläche eingesetzt werden können, eine Umlenkung des Strahls durch geeignete Umlenkeinheiten, wie beispielsweise Spiegel, möglich, sodass abgeschattete Bereiche erreicht werden können.
Bei der Materialbearbeitung durch einen hochenergetischen Strahl, wie beispielsweise einen Laserstrahl oder einen Elektronenstrahl, ist es auch möglich, dass der hochenergetischen Strahl und die zu beschichtende Oberfläche während der Bearbeitung, also des Aufrauens, relativ zueinander bewegt werden, sodass bei unterschiedlich orientierten Oberflächenbereichen der Auftreffwinkel des hochenergetischen Strahls immer gleich beibehalten werden kann oder so gewählt worden kann, dass das gewünschte Aufrauen erfolgt.
Die Bearbeitung der Oberfläche durch elektrochemisches oder chemisches Ätzen bzw. durch Materialbearbeitung mit hochenergetischen Strahlen, wie Laserstrahlen, kann so erfolgen, dass die Oberfläche einen arithmetischen Mittenrauwert R_a im Bereich von 1 bis 10 µm, insbesondere von 2 bis 6 µm, aufweist.
Der Mittenrauwert R_a entspricht der DIN Norm DIN EN ISO 4287:2010 und ist so definiert, dass er dem arithmetischen Mittelwert der absoluten Werte der Profilabweichungen entlang einer Bezugsstrecke entspricht.
Als thermisches Spritzverfahren kann insbesondere Plasmaspritzen verwendet werden, wobei mit einer entsprechend vorbereiteten Oberfläche vorzugsweise Panzerungen oder Verschleißschutzschichten von Schaufeln oder Strömungskanalbegrenzungen (shrouds) von stationären Gasturbinen oder Flugtriebwerken in einfacher Weise mit hervorragender Haftfestigkeit hergestellt werden können.
Figurenliste
Die beigefügten Zeichnungen zeigen in rein schematischer Weise in

1 einen Querschnitt durch die Dichtrippen an einer Schaufel oder einer Strömungskanalbegrenzung eines Flugtriebwerks und in
2 eine Darstellung eines Bauteils bei dem abgeschattete Bereiche mittels Lasermaterialbearbeitung aufgeraut werden.

AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
Weitere Vorteile, Kennzeichen und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden bei der nachfolgenden detaillierten Beschreibung von Ausführungsbeispielen deutlich, wobei allerdings die Erfindung nicht auf diese Ausführungsbeispiele beschränkt ist.
Die 1 zeigt in einer rein schematischen Darstellung die Situation bei der Beschichtung von Dichtrippen 1, so genannten Dichtfins, an einer Schaufel oder einer Strömungskanalbegrenzung (shroud) eines Flugtriebwerks. Wie der 1 zu entnehmen ist, weisen die Dichtrippen 1 mehrere, unterschiedlich orientierte Oberflächenbereiche 2, 3, 4 auf, die mit einer Panzerung beschichtet werden sollen. Die Oberflächennormalen 5, 6, 7 der Oberflächenbereiche 2, 3, 4 weisen entsprechend Winkel zueinander auf, wie beispielsweise einen Winkel β von 90° zwischen den Oberflächennormalen 5 und 7 der Oberflächenbereiche 2 und 4.
Durch die unterschiedlich orientierten Oberflächenbereiche 2, 3, 4 führt eine Aufrauhung mit Partikelstrahlen durch die unterschiedlichen Auftreffwinkel der Partikel zu unterschiedlich aufgerauten Oberflächen in den Oberflächenbereichen 2, 3, 4 mit entsprechend unterschiedlicher Haftung der nachfolgenden Beschichtung. Bei der Verwendung einer chemischen oder elektrochemischen Oberflächenbearbeitung bzw. einer Materialbearbeitung mit Laser oder Elektronenstrahlen kann eine gleichmäßige Aufrauhung der Oberflächenbereiche 2, 3, 4 gewährleistet werden, da gezielt entsprechend der Orientierung der zu bearbeitenden Oberflächenbereiche 2, 3, 4 die Aufrauhung vorgenommen werden kann.
Die 2 zeigt ein rein schematisches Beispiel mit einem Oberflächenbereich eines Bauteils 10 im Bereich einer Hinterschneidung. Wie der gestrichelten Sichtlinie 15 zu entnehmen ist, gibt es abgeschattete Oberflächenbereiche 11, 12, die bei einem Verfahren, bei denen die Partikelstrahlen nur geradlinig auf das Bauteil gerichtet werden können, nicht bearbeitet werden können, da sie in dem Bereich einer Abschattung liegen. Durch die Verwendung von hochenergetischen Strahlen, wie Laserstrahlen 13, kann mittels der Verwendung einer Umlenkeinheit 14 eine Bearbeitung auch der abgeschatteten Oberflächenbereiche 11, 12 vorgenommen werden, sodass gleichmäßig aufgeraute Bereiche geschaffen werden können.
Obwohl die Erfindung anhand der Ausführungsbeispiele detailliert beschrieben worden ist, ist für den Fachmann selbstverständlich, dass die Erfindung nicht auf diese Ausführungsbeispiele beschränkt ist, sondern dass Abwandlungen in der Weise möglich sind, dass einzelne Merkmale weggelassen oder andersartige Kombinationen von Merkmalen vorgenommen werden können, ohne dass der Schutzbereich der beigefügten Ansprüche verlassen wird. Die vorliegende Offenbarung umfasst auch sämtliche Kombinationen der Einzelmerkmale, die nicht ausdrücklich beschrieben sind.
Bezugszeichenliste

1: Dichtrippen
2, 3, 4: zu beschichtende Oberflächenbereiche
5, 6, 7: Oberflächennormale
10: Bauteil
11, 12: abgeschattete Oberflächenbereiche
13: Laserstrahl
14: Umlenkeinheit
15: Sichtlinie

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

WO 9717478 A1 [0003]
US 2005/0036892 A1 [0004]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

DIN EN ISO 4287:2010 [0013]

Claims

Verfahren zur Beschichtung eines metallischen Bauteils, insbesondere einer Strömungsmaschine, durch thermisches Spritzen, bei welchem vor dem Spritzen die zu beschichtende Oberfläche (2,3,4) des Bauteils (1,10) durch Oberflächenbearbeitung aufgeraut wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufrauen durch chemisches oder elektrochemisches Ätzen oder durch Bearbeitung mit hochenergetischen Strahlen erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Oberflächenbereiche (2,3,4) aufgeraut und beschichtet werden, wobei die Oberflächenbereiche unterschiedlich orientiert sind, insbesondere die Normalen (5,6,7) auf den Oberflächenbereichen zueinander Winkel im Bereich von 0° bis 180° zueinander aufweisen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Oberflächenbereich (11,12) aufgeraut und beschichtet wird, der von einem Bauteilbereich abgeschattet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als hochenergetischer Strahl ein Laserstrahl (13) eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Umlenkeinheit (14) für den hochenergetischen Strahl eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der hochenergetische Strahl (13) und die zu beschichtende Oberfläche (2,3,4,11,12) relativ zueinander bewegt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche so bearbeitet wird, dass der arithmetische Mittenrauwert R_a im Bereich von 1 bis 10 µm, insbesondere von 2 bis 6 µm liegt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als thermisches Spritzverfahren Plasmaspritzen verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Schaufeln oder Strömungskanalbegrenzungen von Gastrubinen oder Flugtriebwerken oder Dichtrippen (1) von Schaufeln oder Strömungskanalbegrenzungen beschichtet werden, insbesondere mit Panzerungen oder Verschleißschutzschichten.