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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Instandsetzung von mit „diamond-like carbon“ (DLC; auch im Deutschen so bezeichnet) beschichteten Bauteilen sowie ein mit DLC beschichtetes Flugzeugbauteil.
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Im Stand der Technik ist die Beschichtung von hochbelasteten Bauteiloberflächen mit DLC bekannt. So werden in Automobilen bspw. Nockenwellen, Kolbenringe, Lagersitze, Ventilführungen und Zahnräder schon seit geraumer Zeit entsprechend beschichtet, um so die Reibung und damit den Verschleiß zu reduzieren.
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DLC-Schichten werden mit Hilfe der bekannten Verfahren der physikalischen Gasphasenabscheidung („physical vapor deposition“, PVD) oder der chemischen Gasphasenabscheidung („chemical vapor deposition“, CVD) auf die gewünschte Bauteiloberfläche aufgebracht. Dabei wird im Vakuum oder Niederdruckatmosphäre das als Schicht aufzubringende Material verdampft und auf der zu beschichtenden Oberfläche zur Kondensation gebracht. Erfolgen, während sich das aufzubringende Material in der Gasphase befindet, noch chemische Reaktionen, spricht man von CVD, ansonsten von PVD.
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Beschichtungen aus DLC werden derzeit lediglich für solche Bauteile und Anwendungsfälle in Betracht gezogen, bei denen davon ausgegangen wird, dass die Beschichtung aus DLC die gesamte Lebensdauer eines so beschichteten Bauteils überdauert, bevor das Bauteil ggf. vollständig ausgetauscht wird. Dies liegt in der im Stand der Technik derzeit fehlenden Möglichkeit, eine abgenutzte oder beschädigte Beschichtung aus DLC Instand zu setzen.
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In der Folge werden Beschichtungen aus DLC im Flugzeugbau nur selten eingesetzt. Diejenigen Flugzeugbauteile, bei denen eine Beschichtung mit DLC grundsätzlich vorteilhaft sein könnte, sind regelmäßig hochbelastet. In der Folge ist die Bauteilstruktur häufig aus hochbelastbarem und daher kostenintensivem Material gefertigt, womit eine Beschichtung mit DLC regelmäßig ausscheidet, da bei einer Beschädigung allein der Beschichtung das gesamte Bauteil aufgrund der mangelnden Instandsetzungsfähigkeit entsorgt werden muss.
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Das Dokument
US 2013/0220982 A1 offenbart ein Verfahren zur Entfernung einer Beschichtung, bspw. einer DLC-Schicht, mittels Lasers als Alternative zur chemischen Behandlung oder dem Strahlen mit Strahlmittel.
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In Dokument
EP 2 377 649 B1 ist ein Strahlverfahren beschrieben, bei dem u.a. Nussschalen als Strahlmittel verwendet werden können.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Instandsetzung von mit DLC beschichteten Bauteilen, mit dem eine beschädigte Beschichtung aus DLC entfernt und/oder ersetzt werden kann. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein auf das erfindungsgemäße Instandsetzungsverfahren abgestimmtes Flugzeugbauteil zu schaffen.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren gemäß dem Hauptanspruch sowie ein Flugzeugbauteil gemäß dem nebengeordneten Anspruch 7. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Demnach betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Instandsetzung von mit einer DLC-Schicht beschichteter Bauteile, insbesondere einer Leitschaufel gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, mit den Schritten:
- - Verdampfen und/oder Umwandeln der DLC-Schicht durch Bestrahlung mit einem Laser, wobei die Eigenschaften der Laserstrahlung und die Behandlungsdauer so gewählt ist, dass eine unter der DLC-Schicht liegende, auf einem Grundmaterial aufgebrachte Haftschicht als Trägermaterial nicht beeinträchtigt wird; und
- - Reinigen des Trägermaterials durch Strahlen mit einem das Trägermaterial nicht beeinträchtigendem Strahlmittel;
- - Entfernen des Trägermaterials in einem chemischen Verfahren, welches das Grundmaterial nicht beeinträchtigt; und
- - Neubeschichtung des Bauteils.
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Weiterhin betrifft die Erfindung ein Flugzeugbauteil zur Verwendung in einem Flugzeugtriebwerk umfassend eine aerodynamisch ausgeformten Schaufelbereich mit der Schaufeloberfläche und einer Drehachse, wobei koaxial mit der Drehachse zu beiden Enden des Schaufelbereichs Lagerzapfen zur drehbaren Lagerung in koaxial angeordneten Lagerzapfenaufnahmen vorgesehen sind, wobei die Lagerzapfen jeweils aus einer Anschlagfläche zur Anlage an eine Stirnfläche der Lagerzapfenaufnahmen hervorstehend ausgebildet sind, wobei die Mantelflächen der Lagerzapfen und die Anschlagflächen mit einer DLC-Schicht versehen sind, die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren instandgesetzt ist.
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Zunächst werden einige in Zusammenhang mit der Erfindung verwendete Begriffe erläutert:
- Bei „DLC“ bzw. „diamond-like carbon“ im Sinne der vorliegenden Erfindung handelt es sich entsprechend der Definition der International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC):
- „Recommended terminology for the description of carbon as a solid“, veröffentlicht als „IUPAC Recommendations 1995, Pure and Applied Chemistry 67 (3)“, 1995
- (doi:10.1351/pac199567030473) um überwiegend sp3-hybrisierten und nicht-kristallinen Kohlenstoff, wobei sämtliche Unterklassen an DLC umfasst sein sollen.
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DLCs werden in der Technik oft entsprechen der chronologischen Reihenfolge der Synthese in drei Generationen eingeteilt, wobei in der Regel mit jeder Generation der Anteil des sp3-hybridisierten Kohlenstoffs steigt, während der Anteil an nicht sp3-hybridisierten Kohlenstoff und Fremdstoffen sinkt. Mit steigendem Anteil an sp3-hybridisiertem Kohlenstoff nehmen auch Materialeigenschaften wie Härte und Steifigkeit zu. Bei der dritten Generation von DLCs handelt es sich um die sog. „tetrahedral hydrogen free amorphous carbons“ (ta-C). Dabei sind in chemisch-struktureller Ausdrucksweise konkret u.a. die folgenden Strukturen umfasst: a-C, ta-C, a-C:ME, a-C:H, ta-C:H, a-C:H:Me, a-C:H:X und ta-C, wobei a-C für amorphous carbon, Me für Metalle (z.B. Ti, W), H für Wasserstoff und X für Nichtmetalle (z.B. Si, O, N, F, B) steht.
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Ein Material, eine Oberfläche oder eine Schicht werden im Zuge eines Bearbeitungsschrittes „nicht beeinträchtigt“, wenn das Material, die Oberfläche oder die Schicht während des Bearbeitungsschrittes im Wesentlichen weder mechanisch noch chemisch verändert werden. So soll grundsätzlich weder Material abgetragen oder das Material in seiner chemischen Zusammensetzung verändert werden. Ein Materialabtrag in einem praktisch nichtmessbaren Maße ist aber ggf. tolerierbar.
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Die Erfindung bietet erstmals ein Verfahren zur beschädigungsfreien Entfernung einer DLC-Beschichtung von einem Bauteil.
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Die Substanz des Bauteils wird bei diesem Verfahren nicht verändert, sodass das Bauteil regelmäßig ohne weitere Nachbearbeitung bei Bedarf neu beschichtet werden kann.
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In einem ersten Schritt ist vorgesehen, dass die zu entfernende DLC-Schicht durch Bestrahlung mit einem Laser entweder verdampft oder aber in Nicht-DLC- Kohlenstoffderivate umgewandelt wird. Dabei sind die Eigenschaften der Laserstrahlung (wie bspw. Intensität) sowie die Parameter der Bestrahlung (wie bspw. Bestrahlungsdauer oder Pulsation) so gewählt, dass zwar einerseits die DLC-Schicht grundsätzlich verdampft und/oder in Nicht-DLC-Kohlenstoffderivate umgewandelt wird, gleichzeitig aber das unter der zu entfernenden DLC-Schicht liegende Trägermaterial nicht beeinträchtigt wird. Insbesondere kann durch geeignete Parameter der Bestrahlung eine schnelle Temperaturerhöhung in der DLC-Schicht erreicht werden, die zur gewünschten Verdampfung und/oder Umwandlung führt, während das darunterliegende Material keine signifikanten Temperaturerhöhung erfährt, die metallurgische Prozesse auslösen könnten. Es lassen sich - bspw. durch geeignete Versuchsreihen - problemlos für beliebige Kombinationen aus DLC-Schicht und Trägermaterial geeignete Parameter ermitteln, auf die dann für zu entfernende DLC-Schichten auf Bauteilen zurückgegriffen werden kann. Als besonders geeignete Parameterbereiche haben sich Pulsdauern von kleiner als 0,5 um, vorzugsweise kleiner als 50 ns, Energiedichten von 10 J/cm2 bis 100 J/cm2, vorzugsweise 60 J/cm2 bis 80 J/cm2, und/oder Pulsenergiedichten pro Schichtdicke (volumetrische Pulsenergie) von 4 J/ (cm2·µm) bis 25 J/ (cm2·µm), vorzugsweise von 10 J/ (cm2·µm) bis 20 J/ (cm2·µm) herausgestellt. Wird ein größerer Bereich nacheinander mit Einzel-Pulsen bearbeitet, können sich die Einzel-Pulse entlang einer Pulsbahn um 55% bis 95%, vorzugsweise von 65% bis 85%, und/oder zwei benachbarte Pulsbahnen um 5% bis 35%, vorzugsweise um 7% bis 27% überlappen.
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Anschließend werden die auf dem Trägermaterial verbleibenden Nicht-DLC-Kohlenstoffderivate, die das Ergebnis der Umwandlung und/oder Reste der DLC-Schicht nach dem Verdampfen sein können, durch Strahlen mit einem das Trägermaterial nicht beeinträchtigendem Strahlmittel entfernt und das Trägermaterial so gereinigt. Der Erfindung liegt dabei die Erkenntnis zugrunde, dass die auf dem Trägermaterial verbleibenden Nicht-DLC-Kohlenstoffderivate durch den vorangegangenen Schritt des Verdampfens und/oder Umwandelns durch Laserbestrahlung sich in Graphit oder in andere leicht zu entfernende Nicht-DLC-Kohlenstoffderivate, wie bspw. Ruß, gewandelt haben. Graphit und andere Nicht-DLC-Kohlenstoffderivate besitzen eine deutlich geringere Härte als DLC und können in der Folge durch Strahlen mit einem Strahlmittel, welches das Trägermaterial nicht beeinträchtigt, entfernt werden. Die Wahl eines geeigneten Strahlmittels und die sonstigen Parameters des Strahlens, um das Trägermaterial nicht zu beeinflussen, lassen sich problemlos durch Versuche für verschiedene Trägermaterialien ermitteln und anschließend in dem erfindungsgemäßen Verfahren anwenden.
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Als besonders vorteilhaftes und somit bevorzugtes Strahlmittel haben sich Nussschalen herausgestellt, wobei das Strahlen bevorzugt mit einem Druck von 1 bis 10 bar, vorzugsweise von 1 bis 5 bar, unter einem Winkel von 20° bis 160°, vorzugsweise von 40° bis 120°, bei einem Abstand vom Bauteil von 10 mm bis 250 mm durchgeführt wird.
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Nach dem Reinigen des Trägermaterials kann grundsätzlich bereits wieder eine neue Schicht aus DLC auf das Bauteil bzw. das gereinigte Trägermaterial aufgebracht werden.
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Bei dem Trägermaterial handelt es sich aber häufig um eine auf einem darunterliegenden Grundmaterial aufgebrachte Haftschicht, die bei einer beschädigten zu entfernenden DLC-Schicht regelmäßig ebenfalls beschädigt ist.
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Es wird daher, wenn - nach Reinigen des Trägermaterials und sofern das Trägermaterial eine auf einem Grundmaterial aufgebrachte Haftschicht ist - die Haftschicht in einem chemischen Verfahren entfernt, welches das Grundmaterial nicht beeinträchtigt. Es wird also die DLC-Schicht mitsamt der dafür vorgesehenen Haftschicht entfernt, sodass bei Bedarf für eine erneute Bauteilbeschichtung mit DLC der originäre Schichtaufbau umfassend eine zuvor aufgebrachte Haftschicht wieder aufgebaut werden kann.
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Bei der Haftschicht kann es sich bspw. um eine Haftschicht aus Chrom handeln. Eine entsprechende Haftschicht lässt sich gut mit unter Spannung gesetzter Natronlauge entfernen. Als bevorzugt hat sich herausgestellt, hierfür eine Spannung von 1 bis 10 V, vorzugsweise von 4 bis 6 V und/oder eine Lösung mit 20 bis 200 g/l, vorzugsweise mit 60 bis 90 g/l Natriumhydroxid als Natronlauge zu verwenden.
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Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist es erstmals möglich, Beschichtungen aus DLC auch an solchen Oberflächen vorzusehen, bei denen aufgrund der Belastungen sogar eine DLC-Schicht innerhalb der sonstige Lebensdauer des Bauteils verschleißt. Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist es nämlich erstmals möglich die Beschichtung aus DLC zu entfernen und zu erneuern, sodass das Bauteil während seiner Lebensdauer trotz verbrauchter oder beschädigter DLC-Beschichtung - ggf. auch mehrfach - wieder instand gesetzt werden kann. Dadurch ist es möglich, Beschichtungen aus DLC auch in besonders hochbelasteten Oberflächenbereichen von hochbelastbaren und somit kostenintensiven Bauteilen vorzusehen.
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In axialen Gasturbinen, wie insbesondere Flugzeugtriebwerken, ist die Verwendung von variablen Leitschaufeln („variable stator vanes“; VSV) im Bereich einer Kompressorstufe - in der Regel im Bereich des Hochdruckkompressors - zur variablen Beeinflussung des Betriebszustandes einer Gasturbine bekannt. Durch verstellbare Leitschaufeln kann nämlich die Fördermenge an Luft durch die Gasturbine beeinflusst werden.
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Die ringförmig um die Welle der Gasturbine angeordneten, variablen Leitschaufeln sind dabei um ihre Längsachse drehbar gelagert, um so hinsichtlich ihres Anstellwinkels gegenüber der Durchströmung durch die Kompressorstufe verstellt werden zu können. Dazu weisen sie an ihren beiden Längsenden jeweils einen koaxial mit der Längsachse angeordneten, aus einer Anschlagfläche hervorstehenden Lagerzapfen auf, mit denen sie in entsprechende Aufnahmen an der feststehenden Turbinenstruktur drehbar gelagert sind.
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Im Stand der Technik sind in den besagten Aufnahmen Kunststoffbuchsen zur Bildung eines Gleitlagers vorgesehen. Allerdings sind die Kunststoffbuchsen einem starken Verschleiß ausgesetzt und müssen regelmäßig erneuert werden. Werden die Kunststoffbuchsen nicht rechtzeitig ausgewechselt, kommt es zu Beschädigungen der Turbinenstruktur, die eine evtl. aufwändige Reparatur erfordert.
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Von einer Beschichtung der Lagerzapfen mit DLC wurde in der Vergangenheit abgesehen, da die entsprechende Beschichtung aufgrund der hohen Belastungen noch während der sonstigen Lebensdauer einer variablen Leitschaufel abgerieben wird und es bislang keine Möglichkeit gab, diese zu erneuern. Da die Vernichtung einer variablen Leitschaufel mit vor Ende der eigentlichen Lebensdauer abgeriebener Beschichtung der Lagerzapfen aus DLC in keinem angemessenen Verhältnis zu den Gestehungskosten für variablen Leitschaufel steht, wurde eine solche Beschichtung nie ernsthaft erwogen.
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Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist es aber nunmehr möglich, eine Beschichtung aus DLC instand zu setzen, weshalb eine entsprechende Beschichtung auch bei Flugzeugbauteilen wie variable Leitschaufeln erstmals wirtschaftlich möglich ist.
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Dabei werden zumindest die die Mantelflächen der Lagerzapfen und die Anschlagflächen einer variablen Leitschaufel mit einer DLC-Schicht versehen, wobei auf aus dem Stand der Technik bekannte Verfahren zurückgegriffen werden kann. Es ist lediglich zu beachten, dass die DLC-Schicht mit dem erfindungsgemäßen Verfahren instandsetzbar ist. Auch dies lässt sich ohne weiteres durch geeignete Versuche feststellen.
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Es ist bevorzugt, wenn die DLC-Schicht aus ta-C ist, welches bereits oben ausführlich beschrieben wurde. Dies gilt sowohl für das erfindungsgemäße Verfahren als auch das erfindungsgemäße Flugzeugbauteil.
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Zur weiteren Erläuterung des erfindungsgemäßen Flugzeugbauteils wird auf die vorstehenden Ausführungen verwiesen.
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Die Erfindung wird nun anhand einer vorteilhaften Ausführungsform unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beispielhaft beschrieben. Es zeigen:
- 1: ein erfindungsgemäßes Flugzeugbauteil; und
- 2a-d: schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Bei dem erfindungsgemäßen Flugzeugbauteil 1 in 1 handelt es sich um eine variable Leitschaufel, deren grundsätzliche Formgebung und Funktion aus dem Stand der Technik bekannt ist. Die Leitschaufel ist zum Einbau in den Stator einer Hochdruckkompressorstufe eines Flugzeugtriebwerks (nicht dargestellt) vorgesehen. Sie umfasst einen aerodynamisch ausgeformten Schaufelbereich 2 mit der Schaufeloberfläche 3 und einer Drehachse 4.
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Koaxial mit der Drehachse 4 sind zu beiden Enden des Schaufelbereichs 2 Lagerzapfen 5 vorgesehen, die in entsprechende Lagerzapfenaufnahmen in einem Flugzeugtriebwerk eingreifen können. Die Lagerzapfen 5 stehen dabei jeweils aus einer Anschlagfläche 6 hervor, die im montierten Zustand der Leitschaufel an Stirnflächen der Lagerzapfenaufnahmen anliegen. Der eine Lagerzapfen 5 weist eine Verlängerung 7 zum Anschluss an eine Verstellmechanik (nicht dargestellt) auf, über welche die Leitschaufel im montierten Zustand hinsichtlich ihres Anstellwinkels verstellt werden kann.
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Die Mantelflächen der Lagerzapfen 5 und die Anschlagflächen 6 sind mit einer DLC-Schicht 8 versehen. Auch wenn entsprechende DLC-Schichten 8 in anderen Bereichen der Technik bekannt sein mögen, wurden sie bislang im Bereich des Flugzeugbaus praktisch nicht an hochbelasteten Lagerflächen verwendet, da eine bei dem zu erwartenden Verschleiß grundsätzlich erforderliche Instandsetzung der DLC-Schicht nicht möglich war und die Einmalverwendung von variablen Leitschaufeln aufgrund des kostenintensiven Grundmaterials einer Titan-, Edelstahl-, und/oder Nickelbasislegierung nicht wirtschaftlich ist.
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Durch das nachfolgend Anhand der 2 erläuterten Verfahrens ist es aber möglich, DLC-Schichten 8 instand zu setzen, weshalb auch eine entsprechende Beschichtung der Lagerbereiche von variablen Leitschaufeln wirtschaftlich ist und darüber hinaus die weitere Vorteile entsprechender Beschichtungen, wie reduzierte Reibung, mit sich bringt.
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In 2 wird schematisch das Entfernen einer DLC-Schicht 8 von der Oberfläche eines Lagerzapfens 5 des Flugzeugbauteils 1 aus 1 erläutert. Entsprechendes kann erforderlich sein, wenn die DLC-Schicht 8 verschlissen ist und eine zu geringe Dicke, oder aber einen sonstigen Defekt aufweist.
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Die DLC-Schicht 8 ist mithilfe einer Haftschicht 9 auf der Oberfläche eines Lagerzapfens 5 aufgebracht. Entsprechende Haftschichten 9 sind im Stand der Technik bekannt und je nach Material des Lagerzapfens 5 erforderlich, um ein ausreichend gutes Haften der DLC-Schicht am Grundmaterial, in diesem Fall dem Material des Lagerzapfens 5, zu gewährleisten. Die Haftschicht 9 ist aus Chrom.
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Beginnend mit dem in 2a gezeigten Ausgangszustand wird in einem ersten Schritt mit Hilfe einer Laserbestrahlung der Großteil der DLC-Schicht 8 verdampft. Dabei ist die Laserbestrahlung hinsichtlich ihrer Intensität und Behandlungsdauer so gewählt, dass das darunterliegende Material, hier die Haftschicht 9, nicht beeinträchtigt bzw. beschädigt wird.
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Hierzu muss regelmäßig die Behandlungsdauer möglichst knapp bemessen werden, was jedoch zur Folge hat, dass Reste 10 der DLC-Schicht 8 auf der Haftschicht 9 verbleiben können (vgl. 2b). Es ist auch möglich, dass die Parameter der Laser-Behandlung so gewählt sind, dass die DLC-Schicht 8 nicht verdampft, sondern lediglich in Nicht-DLC-Kohlenstoffderivate gewandelt wird. Im Folgenden wird aus Gründen der Übersichtlichkeit aber von den Resten des Verdampfens gesprochen, auch wenn sich die nachfolgenden Schritte analog auch an einer lediglich in Nicht-DLC-Kohlenstoffderivate umgewandelten DLC-Schicht 8 durchführen lassen.
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Die Erfindung macht sich jedoch die Erkenntnis zunutze, dass durch den vorangegangenen Prozess des Verdampfens die übrigbleibenden Reste 10 der DLC-Schicht 8 in Graphit oder andere leicht entfernbare Nicht-DLC-Kohlenstoffderivate verwandelt wurden. Da Graphit oder die anderen Nicht-DLC-Kohlenstoffderivate eine deutlich geringere Härte als DLC besitzt, können die Reste 10 in der Folge durch Strahlen mit Nussschalen entfernt werden, ohne dass dadurch die unter den Resten 10 befindliche Schicht, hier die Haftschicht 9 beschädigt wird (vgl. 2c) .
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Grundsätzlich ist es möglich, unmittelbar auf die vollständig freigelegte und gereinigte Haftschicht 9 eine neue DLC-Schicht 8 aufzubringen, wobei auf die bekannten Verfahren der physikalischen oder chemischen Gasphasenabscheidung zurückgegriffen werden kann. In der Regel ist aber bevorzugt, auch die Haftschicht 9 zunächst vollständig zu entfernen, um anschließend einen neuen Schichtaufbau umfassend eine neue Haftschicht 9 und eine neue DLC-Schicht 8 unmittelbar auf dem Grundmaterial des Lagerzapfens 5 zu erstellen.
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Um die Haftschicht 9, die im dargestellten Ausführungsbeispiel aus Chrom ist, rückstandslos zu entfernen, wird die Haftschicht 9 einer Natronlauge mit einem Anteil 60 bis 90 g/l Natriumhydroxid an der Lösung ausgesetzt, die unter eine elektrische Spannung von 4 bis 6 V gesetzt ist. Dadurch wird die Haftschicht 9 rückstandslos aufgelöst, ohne dass das darunterliegende Material des Lagerzapfens 5 beeinträchtigt wird.
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Nachdem sowohl die DLC-Schicht 8 und die Haftschicht 9 vollständig entfernt wurden (vgl. 2d), kann ein neuer Schichtaufbau erfolgen. Hierzu kann auf die dem Fachmann hinlänglich bekannten Verfahren und Methoden zur Aufbringung einer Haftschicht 9 und/oder DLC-Schicht 8 zurückgegriffen werden, die an dieser Stelle keiner weiteren Erläuterung bedürfen.
