DE10208868A1

DE10208868A1 - Verfahren zur Herstellung eines Bauteils und/oder einer Schicht aus einer schwingungsdämpfenden Legierung oder intermetallischen Verbindung sowie Bauteil, das durch dieses Verfahren hergestellt wurde

Info

Publication number: DE10208868A1
Application number: DE10208868A
Authority: DE
Inventors: Albin Platz; Joachim Bamberg; Ulrike Huber
Original assignee: MTU Aero Engines GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines AG
Priority date: 2002-03-01
Filing date: 2002-03-01
Publication date: 2003-09-18
Anticipated expiration: 2022-03-02
Also published as: DE10208868B4; US20030217791A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteiles und/oder einer Schicht aus einer schwingungsdämpfenden Legierung oder intermetallischen Verbindung. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass das Bauteil bzw. die Schicht durch thermisches Spritzen hergestellt wird.

Description

Die Erfindung betriff ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils und/oder einer Schicht gemäß der im Oberbegriff des Anspruches 1 angegebenen Art sowie ein Bauteil, das nach dem Verfahren hergestellt wurde, gemäß dem Anspruch 12.
Zur Schwingungsdämpfung eignen sich z. B. Formgedächtnislegierungen, wenn ihr Gefüge entsprechend ausgebildet wurde.
Formgedächtnislegierungen sind schon seit langem bekannt. Beispielsweise ist der DE 40 06 076 C1 eine NiTi-Formgedächtnislegierung zu entnehmen, die bei nahezu stöchiometrischer Zusammensetzung durch einen besonders hohen Betrag an reversibler Verformung im Einweg- und Zweiwegeffekt, durch eine hohe Zugfestigkeit und Duktilität sowie durch eine sehr gute Korrosionsbeständigkeit sich auszeichnet. Außerdem besitzt diese Formgedächtnislegierung eine hervorragende Stabilität der Größe des Formgedächtniseffektes gegenüber thermischen Zyklen. Zudem kann sie verhältnismäßig weit über die Temperatur A_f (Temperatur des Abschlusses der Austenitbildung) erhitzt werden, ohne dass schädliche irreversible Gefügeänderungen eintreten, welche die Größe des Formgedächtniseffektes vermindern oder die Umwandlungstemperatur ungewollt verschieben.
Eine Eisen-Nickel-Kobalt-Titan-Formgedächtnislegierung sowie ein Verfahren zu ihrer Herstellung ist aus der DE 41 20 346 A1 bekannt. Die Formgedächtnislegierung wird gemäß dieser Druckschrift im Gießverfahren hergestellt, anschließend bei Temperaturen zwischen 1050°C bis 1052°C verformt, danach abgeschreckt, anschließend über einen Zeitraum zwischen 10 bis 30 Stunden bei Temperaturen zwischen 1150°C bis 1250°C unter Inertgasatmosphäre einer Lösungsbehandlung unterworfen und schließlich erneut abgeschreckt. Zur Erzeugung des Formgedächtniseffektes wird die Formgedächtnislegierung über einen Zeitraum zwischen 10 Minuten und 150 Stunden und Temperaturen zwischen 500°C und 650°C ausgesetzt, danach ein drittes Mal abgeschreckt und anschließend einer ein- bis fünfzigmaligen Trainingsverformung unterzogen.
Aus der WO 81/02587 ist bekannt, Formgedächtnislegierungen des Typs Cu/Zn/Al pulvermetallurgisch herzustellen. Dabei wird das fertige Pulver eingekapselt, kaltverdichtet, warm verdichtet und stranggepresst. Diese Methode wird jedoch nicht allen Forderungen der Praxis gerecht und die Formkörper lassen in ihren mechanischen Eigenschaften oft zu wünschen übrig.
Des Weiteren ist aus dieser Druckschrift bekannt, die Formgedächtnislegierung ebenfalls pulvermetallurgisch herzustellen und zwar als β-Hochtemperaturphase vorliegende feinkörnige Gedächtnislegierung des Cu/Zn/Al-Typs mit in der Matrix eingelagerten, kornwachstumshemmenden Dispersoiden in Form von Y₂O₃- und/oder TiO₂-Partikeln. Die Herstellung erfolgt unter Zuhilfenahme des mechanischen Legierens.
Des Weiteren sind Formgedächtnislegierungen bekannt, die pulvermetallurgisch mit nachfolgender heissisotatischer Pressbehandlung, Strangpressbehandlung oder Schmiedebehandlung hergestellt werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Verfahren zur Herstellung eines Bauteils und/oder einer Schicht aus einer schwingungsdämpfenden Legierung oder intermetallischen Verbindung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 sowie ein Bauteil, das durch dieses Verfahren hergestellt wurde, derart weiterzubilden, dass die Eigenschaften verbessert werden, der Einsatzbereich erweitert und das Herstellungsverfahren vereinfacht wird.
Diese Aufgabe wird für das Verfahren durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 in Verbindung mit seinen Oberbegriffsmerkmalen gelöst.
Für das Bauteil wird die Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 12 gelöst.
Weitere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung bilden die Gegenstände der Unteransprüche.
Nach der Erfindung wird das Bauteil bzw. die Schicht durch thermisches Spritzen hergestellt. Dabei wird der metallische Beschichtungswerkstoff in Form von erwärmten und beschleunigten Spritzpartikeln auf der Oberfläche eines Trägermaterials oder Bauteils abgeschieden. Eine exakte Temperaturführung, verbunden mit einer hohen Partikelgeschwindigkeit führ zur Ausbildung der schwingungsdämpfenden Eigenschaften. Beispielsweise wird beim thermischen Spritzen ein Festkörper mit einem erhitzten und beschleunigten metallischen Werkstoff, der z. B. in Form von Pulver oder Draht einer thermischen Spritzpistole zugeführt wird, beschichtet. Die Oberflächen des Festkörpers werden während des Spritzprozesses nicht aufgeschmolzen. Während des Spritzens erfolgt bei Temperaturen > 850°C eine Interdiffusion zwischen dem Bauteil und der aufgebrachten Schicht. Bei niedrigen Beschichtungstemperaturen ist die Haftung daher bevorzugt auf physikalische Wechselwirkung zurückzuführen. Eine metallurgischen Anbindung erfolgt dann im Anschluss an den Beschichtungsvorgang durch eine Diffusionsglühung bei Temperaturen > 800°C. Wesentlich für die Ausbildung eines definierten Gefügezustandes ist die genaue Temperaturführung während des Beschichtungsvorganges. Mit dem Spritzen können auch solche Werkstoffe verspritzt werden, die mit dem Grundwerkstoff nicht mischbar sind und/oder spröde, intermetallische Verbindungen bilden.
Gemäß einer Ausführungsform wird als Spritzverfahren Plasmaspritzen im Vakuum verwendet. Beim Plasmaspritzen im Vakuum wird zur Erwärmung und Beschleunigung des zu verwendenden Werkstoffes als Wärmequelle ein Gasplasma verwendet. Die Anwendung im Vakuum verhindert die Ausbildung von Oxydschlieren durch Oxidation des Spritzwerkstoffes während des Beschichtungsvorganges und beeinflusst die Gefügeausbildung positiv.
Vorzugsweise kann stattdessen aber auch ein RSPD-Verfahren (rapid solidification processing deposition, Legierungen werden durch Zerstäuben aus der Schmelze mit extrem schneller Erstarrung auf einem Träger abgeschieden) als Spritzverfahren zur Herstellung einer Schicht oder eines Bauteils verwendet werden.
Alternativ hierzu kann als Spritzverfahren auch ein Hochgeschwindigkeitsflamm- oder -plasmaspritzverfahren verwendet werden. Beim Hochgeschwindigkeitsflammspritzen erfolgt die Verbrennung eines Brenngas-Sauerstoff-Gemisches in einer Brennkammer. Der dort aufgebaute Druck führt in einer nachgeschalteten Expansionsdüse zu hohen Partikelgeschwindigkeiten. Haftung und Dichtheit der Beschichtung werden durch beide Verfahren verbessert.
Gemäß einer Ausführungsform kann als Spritzverfahren auch ein kaltkinetisches Kompaktierverfahren verwendet werden.
Um insbesondere eine gute Korrosionsbeständigkeit zu gewährleisten wird eine Nickel-Titan-Legierung - gemäß der DE 197 41 019 - verwendet. Diese Legierung wird entsprechend dem oben dargelegten Verfahren zu einem Bauteil geformt oder als Schicht auf ein Bauteil aufgebracht. Die Offenbarung der DE 197 41 019 gilt auch im Zusammenhang mit dieser Anmeldung.
Vorzugsweise liegt die Temperatur während des Spritzens zwischen 100°C und 1000°C.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird die schwingungsdämpfende Legierung als Schicht auf ein Bauteil aufgetragen. Dies hat den Vorteil, dass der Werkstoff mittels dem angegebenen Verfahren in Form einer Schicht beliebiger Dicke aufgebracht werden kann. Auf einfache Weise kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren nicht nur die Herstellung von Bauteilen und Halbzeugen erfolgen, sondern eben auch die Beschichtung von Bauteilen und Maschinenelementen. Die Schwingungsdämpfung mittels dem Aufbringen einer Schicht kann örtlich an definierten Stellen eines Bauteils festgelegt werden. Hierdurch wird eine hohe Bauteilfestigkeit und Steifigkeit mit guten Dämpfungseigenschaften kombiniert. Beispielsweise haben Bauteile, insbesondere Triebwerksbauteile und Bauelemente von Werkzeugsmaschinen, die mit einer schwingungsdämpfenden Beschichtung nach der Erfindung versehen sind, ein deutlich verbessertes Schwingungsverhalten und somit Bearbeitungsergebnis.
Im Gegensatz zu heutigen Dämpfungselementen aus Kautschuk oder Kunststoffen ist eine höhere Temperaturbelastung der beschichteten Bauteile und Maschinenelemente möglich. Zudem hat die Schicht eine hohe Haftfestigkeit am Bauteil.
Grundsätzlich können Schichten beliebiger Dicke und beliebiger Geometrie hergestellt werden. Vorzugsweise wird die schwingungsdämpfende Legierung als Schicht in einer Schichtdicke von 0,1 bis 25 mm auf das Bauteil aufgetragen.
Um die Haftfestigkeit zwischen der Schicht und dem Bauteil zu erhöhen, wird die zu beschichtende Oberfläche des Bauteils vor dem Beschichten aufbereitet, beispielsweise erfolgt die Aufbereitung der Oberfläche durch ein Abtragverfahren, wie ein Bestrahlungsverfahren, z. B. Laser- oder Lichtbogenbestrahlung, oder Plasmaätzen.
Vorzugsweise wird nach dem Auftragen der Beschichtung eine Diffusions- Wärmebehandlung durchgeführt, um die Anbindung der Schicht am Bauteil zu erhöhen.
Die auf das Bauteil aufgebrachte Schicht besitzt nach dem Beschichten schwingungsdämpfende Eigenschaften.
Zur Herstellung von Bauteilen, insbesondere Maschinenelementen wurden Versuche mit Titan- und Stahlblechen durchgeführt, die mit einer Schicht aus Nickel-Titan- Formgedächtnislegierung versehen wurden. Diese Beschichtung wurde durch Plasmaspritzen im Vakuum in einer Dicke bis 0,5 mm aufgebracht. Um eine metallurgisch einwandfreie Verbindung zum Werkstoff des Bauteils herzustellen, wurden die Proben vor dem Beschichten aufgeheizt und durch einen Lichtbogen gereinigt.
Die metallographische Auswertung zeigt eine dichte Schicht mit sehr guter metallurgisch fehlerfreier Anbindung zum Trägerwerkstoff und einer Porosität < 1%.
Die Dämpfungseigenschaften wurden im ersten Schritt mit Hilfe einer Klangprobe und Dämpfungsmessungen nachgewiesen.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können sowohl Halbzeuge, als auch Bauteile aus einer schwingungsdämpfenden Legierung, z. B. einer Formgedächtnislegierung, oder einer schwingungsdämpfenden intermetallischen Verbindung hergestellt und damit beschichtet werden. Eine weitere Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens sind Bauteile aus dem Triebwerksbereich, wie Gehäuse, Scheiben, Schaufeln, die durch eine Beschichtung schwingungsgedämpft und dadurch niedriger belastet werden, wodurch eine höhere Lebensdauer erzielt werden kann.
Die Anwendung der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren aufgebrachten Schicht auf Maschinenelemente zur passiven Schwingungsdämpfung ist insbesondere bei spanenden Werkzeugmaschinen vorteilhaft, weil dadurch deutlich bessere Bearbeitungsergebnisse in der Oberflächengüte, aber auch höhere Bearbeitungsgeschwindigkeiten bei schwer zerspanbaren Werkstoffen erzielt werden können.
Ferner ist jeder Einsatz zur Schwingungsdämpfung mit den nach dem genannten Verfahren aufgebrachten Schichten auf Maschinenelementen vorteilhaft, bei denen hohe Haftfestigkeit, hohe Temperatur- und Korrosionsbeständigkeit gefordert werden.
Die Erfindung wird anschließend anhand der Zeichnungen noch weiter erläutert. Dabei zeigen:
Fig. 1 ein Leitschaufelsegment einer Gasturbine in perspektivischer Darstellung,
Fig. 2 eine Werkzeugaufnahme mit Werkzeug.
Fig. 1 zeigt ein gemäß der Erfindung beschichtetes Leitschaufelsegment 1 einer Gasturbine. Die vier vom Arbeitsgas beaufschlagten Leitschaufeln des Segments 1 sind zumindest auf einem Großteil ihrer Oberflächen mit einer schwingungsdämpfenden Beschichtung 2 aus einer geeigneten Legierung oder intermetallischen Verbindung versehen.
Fig. 2 zeigt ein Bauteil in Gestalt einer Werkzeugaufnahme 3 für einen Fräser 4 oder ein vergleichbares Werkzeug, wobei die Werkzeugaufnahme 3 insgesamt aus einer schwingungsdämpfenden Legierung oder einer schwingungsdämpfenden, intermetallischen Verbindung gefertigt ist.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines Bauteiles und/oder einer Schicht aus einer schwingungsdämpfenden Legierung oder intermetallischen Verbindung, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil bzw. die Schicht durch thermisches Spritzen hergestellt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Plasmaspritzen im Vakuum als Spritzverfahren verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Spritzverfahren zur Herstellung des Bauteils bzw. der Schicht ein RSPD-Verfahren (rapid solidification processing deposition) verwendet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Hochgeschwindigkeitsflamm- oder -plasmaspritzverfahren als Spritzverfahren verwendet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein kaltkinetisches Kompaktierverfahren als Spritzverfahren verwendet wird.

6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die schwingungsdämpfende Legierung eine Nickel-Titan- Legierung ist.

7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur während des Spritzens zwischen 100°C und 1.000°C liegt.

8. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die schwingungsdämpfende Legierung als Schicht in einer Schichtdicke von 0,1 bis 25 mm auf das Bauteil aufgetragen wird.

9. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zu beschichtende Oberfläche des Bauteils vor dem Beschichten zur Erhöhung der Haftfestigkeit zwischen der Schicht und dem Bauteil aufbereitet wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufbereitung der Oberfläche durch ein Abtragverfahren, wie ein Bestrahlungsverfahren, z. B. Laser- oder Lichtbogenbestrahlung, oder Plasmaätzen, erfolgt.

11. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Auftragen der Beschichtung auf das Bauteil zumindest die Beschichtung einer Wärmebehandlung unterzogen wird.

12. Bauteil, das nach einem der vorangehenden Verfahren hergestellt wurde.