DE102019207353A1 - Ummanteltes abrasives Partikel, Beschichtungsverfahren mit demselben, Schichtsystem und Dichtungssystem - Google Patents

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Abstract

Durch die Verwendung einer rein metallischen Umhüllung eines Refraktärpartikels für insbesondere kubisches Bornitrid kann in einem Lötprozess eine gute Anbindung zwischen dem kubischen Bornitrid und dem Lotmaterial oder der Lotmischung hergestellt werden.

Description

  • Die Erfindung betrifft insbesondere ein Lötverfahren, bei dem abrasive Partikel, insbesondere kubisches Bornitrid, in einer Matrix aus einem Lotmaterial aufgebracht werden und eine bessere Haftung in dem Matrixmaterial aufweisen sollen.
  • Der optimale Spalt in Gasturbinen oder Flugzeugtriebwerken hat einen entscheidenden Einfluss auf Wirkungsgrad und Performance dieser Maschinen. Ein etabliertes System, um diesen einzustellen, ist eine Einreibschicht auf Gehäuseseite (z.B. Honeycombs), in welche die rotierenden Teile (z.B. Turbinenlaufschaufeln) sich einreiben. Dadurch wird unabhängig von Fertigungstoleranzen, asymmetrischer Gehäuseverformung, Rotorverschiebung, etc. der optimale Spalt eingeschliffen.
  • Des weiteren ist das Panzern der Schaufelspitzen mit z.B. kubischem Bornitrid (cBN), um die Schaufelspitzen beim einreiben zu schützen, Industriestandard.
  • Die Applikation des cBN ist allerdings problematisch, da cBN nicht besonders gut Bindungen mit anderen Materialien eingeht. Des weiteren muss für den Turbinenbereich das einbettende Material (Matrix) hochtemperaturbeständig sein. Einbettungen in z.B. Harz-Derivaten wie im Schleifmittelbau ( US 2013/004938 A1 ) ist daher nicht möglich.
  • Je besser die Anbindung des cBN an den rotierenden Bauteilen, desto effektiver ist die endgültige Schleifwirkung. Der Wahrscheinlichkeit des Ausbrechens der Partikel während des Einschneidprozesses wird entgegengewirkt.
  • Bekannte Fertigungsverfahren sind die galvanische Applikation oder das induktive Auflöten mittels spezieller cBN Tapes, jedoch sind diese kostenintensiv und technisch komplex.
  • Die US 8,308,830 B2 offenbart beschichtete Partikel aus kubischem Bornitrid, die zwei Lagen von Beschichtungen aufweisen.
  • Die US 4,399,167 offenbart die metallische Beschichtung von abrasiven Partikeln.
  • Die US 10,183,312 B2 offenbart beschichtete abrasive Partikel mit einer Lötschicht, wobei diese Lötschicht die Matrix der herzustellenden Schicht darstellt.
  • Es ist daher Aufgabe der Erfindung oben genanntes Problem zu lösen.
  • Die Aufgabe wird gelöst durch einen Partikel gemäß Anspruch 1, ein Verfahren gemäß Anspruch 2, ein Schichtsystem gemäß Anspruch 3 und ein Dichtungssystem nach Anspruch 4.
  • In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Maßnahmen aufgelistet, die beliebig miteinander kombiniert werden können, um weitere Vorteile zu erzielen.
  • Die Experimente haben gezeigt, dass die Lötergebnisse erheblich verbessert werden können, wenn die abrasiven Partikel wie cBN Körner hier als beispielhaftes abrasives Partikel mit einer zusätzlichen bindungsfreudigen/reaktionsfreudigen Beschichtung versehen sind, anstelle von puren abrasiven Körnern. Diese metallischen Beschichtungen sind insbesondere Nickel (Ni) oder Titan (Ti).
  • Vorteile sind
    • - die Anbindung und Einbettung der cBN-Körner ist wesentlich verbessert. Somit erhöht sich die Haltekraft und damit die Schleifwirkung des cBN, und
    • - die Oberflächenqualität wird wesentlich gesteigert. Für die Spaltauslegung ist eine geringe Fertigungstoleranz oder eine hohe Oberflächengüte erforderlich. Somit können die Spalte enger ausgelegt werden und führen zu einem höheren Wirkungsgrad der Gasturbine.
  • Die Figuren und die Beschreibung stellen nur Ausführungsbeispiele der Erfindung dar.
    • 1 zeigt ein ummanteltes abrasives Partikel,
    • 2 zeigt ein Schichtsystem.
  • Das Teilchen 1 weist im Inneren einen Kern aus einem abrasiven Partikel 4, insbesondere kubisches Bornitrid (cBN) auf, mit einer umlagigen Schicht 7 aus einem Metall, vorzugsweise Titan (Ti) oder Nickel (Ni), was zu einer besseren Anbindung in einem Lotmaterial führt.
    Mit Metall sind metallische Materialien gemeint, also auch metallische Legierungen.
  • In 2 ist schematisch ein Schichtsystem 10 dargestellt.
  • Das Schichtsystem 10 ist vorzugsweise ein Turbinenbauteil eines Dichtungssystems, das an einem Ende eine abrasive Beschichtung 22 aufweisen soll.
  • Das Bauteil als Schichtsystem 10 weist ein Substrat 13, insbesondere ein metallisches und ganz insbesondere eine Nickel- oder Kobalt-basierte Superlegierung, auf.
  • Auf dem Substrat 13, insbesondere auf dessen Oberfläche 16, soll eine abrasive Schicht 22 oder ein Material mit abrasiven Partikeln, insbesondere kubisches Bornitrid (cBN) aufgetragen werden. Dies soll durch ein Lötverfahren erfolgen.
  • Dabei wird in Form eines Plasmaspritzverfahrens, HVOF oder einer Lötpaste oder in Form von Tapes ein Lotmaterial 19 verwendet, das die Teilchen 1 gemäß 1 aufweist.
  • Das aufgetragene Lotmaterial 19 stellt dann die äußere Schicht 22 dar. Das Lotmaterial 19 weist insbesondere einen um mindestens 10K, insbesondere um mindestens 20K niedrigeren Schmelzpunkt auf, als das Material des Substrats 13.
  • Als Schmelzpunkterniedriger im Lot kommen vorzugsweise typische Elemente wie Bor (B), Silizium (Si), Phosphor (P), Hafnium (Hf), Zirkonium (Zr) oder auch Mangan (Mn) und/oder Germanium (Ge) zum Einsatz.
  • Die Teilchen 1 sind sowohl vollkommen in der Schicht 22 vorhanden als auch ragen sie aus der Oberfläche 25 der Schicht 22 hinaus.
  • Die Schicht 22 weist also drei verschiedene Materialien auf, die des abrasiven Partikels 4, die der Schicht 7 um das Partikel 4 und das Lotmaterial 19.
  • Die Schicht 16 ist in einem solchen Dichtungssystem dann vorzugsweise nur auf der Schaufelspitze einer Turbinenlaufschaufel aufgebracht.
    Die Turbinenlaufschaufel kann und wird in der Regel bei Gasturbinen auf dem Schaufelblatt und/oder der Schaufelplattform ebenfalls metallische und/oder keramische Beschichtungen aufweisen, die aber nicht die Teilchen 1 aufweisen.
  • Der Stator oder das Gehäuses einer Turbine, insbesondere einer Gasturbine, weist auch eine Schutzbeschichtung auf, in die sich diese abrasive Schicht 16 einreibt. Die Beschichtung auf dem Gehäuse oder Stator kann nur metallisch, nur keramisch sein oder ein Schichtsystem aus metallischer Haftvermittlerschicht und äußerer keramischer Schicht oder mehrlagigen keramischen Schichten aufweisen.
  • Die Schichten oder das Schichtsystem des Gehäuses sind so ausgebildet, dass sie mechanisch weicher sind als die abrasive Schicht 16, so dass ein Einschleifen möglich ist. Dies kann durch die Zusammensetzung der metallischen oder keramischen Beschichtung erzielt werden und/oder auch durch Einstellung der Porositäten der Schicht oder der Schichten, sowie vorzugsweise mittels Laser oder Wasserstrahl eingebrachter Längsrillen.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • US 2013004938 A1 [0004]
    • US 8308830 B2 [0007]
    • US 4399167 [0008]
    • US 10183312 B2 [0009]

Claims (8)

  1. Teilchen (1), das ein mit einem Metall ummanteltes, abrasives Partikel (4), insbesondere kubisches Bornitrid, aufweist.
  2. Teilchen nach Anspruch 1, ummantelt mit einer Schicht (7) aus einem Metall, insbesondere aus Titan (Ti) und/oder Nickel (Ni).
  3. Teilchen nach Anspruch 1 oder 2, bei dem nur eine Schicht oder nur eine Ummantelung (7), insbesondere aus nur einem Metall um das abrasive Partikel (4), insbesondere um das kubische Bornitrid-Partikel (4), vorhanden ist.
  4. Verfahren zur Herstellung einer Schicht (16), bei dem Teilchen (1) gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2 oder 3 verwendet werden.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem die Teilchen (1) mit einem metallischen Matrixmaterial (15) vermengt werden oder sind und aufgebracht werden.
  6. Verfahren zur Herstellung einer Schicht (22) auf einem Substrat (13), bei dem ein Lotmaterial als metallisches Matrixmaterial mit Teilchen (1) gemäß Anspruch 1, 2 oder 3, insbesondere Lotmaterial in Form einer Lötpaste, eines Löttapes, eines Lotpulvers durch ein Auftragungsverfahren, insbesondere durch ein Schweißverfahren oder ein thermisches Spritzverfahren aufgetragen wird, wobei Lotmaterial bedeutet, dass die Schmelztemperatur des Lotmaterials um mindestens 10 K, insbesondere um 20K niedriger ist als das des Substrats (13) .
  7. Schichtsystem (10), zumindest aufweisend ein Substrat (13), insbesondere ein metallisches Substrat (13), das eine Schicht (22) aufweist, die (22) ein Lotmaterial (19) und Teilchen (1) gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2 oder 3 aufweist, wobei das Lotmaterial (19) eine um 10K, insbesondere um mindestens 20K niedrigere Schmelztemperatur als das Material des Substrats (13) aufweist.
  8. Dichtungssystem, das einen Stator und rotierende Teile mit einem Schichtsystem (10) nach Anspruch 7 aufweist, insbesondere auf dem rotierenden Teil, ganz insbesondere auf einer Laufschaufel.
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