DE10354648A1

DE10354648A1 - Verfahren zur Herstellung von beschichteten turbulent umströmten Leichtmetall-Bauteilen

Info

Publication number: DE10354648A1
Application number: DE2003154648
Authority: DE
Inventors: Peter Dipl.-Ing. Fledersbacher; Erwin Dipl.-Ing. Schmidt; Siegfried Dipl.-Ing. Sumser
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2003-11-22
Filing date: 2003-11-22
Publication date: 2005-06-16
Also published as: EP1541717A2

Abstract

Die Erfindung betrifft die Beschichtung eines Rohlings aus einem Leichtmetall-Basiswerkstoff und die Herstellung von turbulent umströmten Leichtmetall-Bauteilen aus diesem Rohling. Die Beschichtung wird mittels anodischer Oxidation durchgeführt. Es wird eine Oxidkeramik-Schicht auf dem Rohling abgeschieden, wobei der Rohling über die Beschichtung auf Druck vorgespannt wird. Zur Herstellung von turbulent umströmten Leichtmetall-Bauteilen, insbesondere ATL-Verdichterrädern, wird der Rohling, bestehend aus Basiskörper und Beschaufelung, aus einem Leichtmetall-Basiswerkstoff gefertigt, vorbearbeitet und/oder Teilbereiche endbearbeitet. Anschließend wird der bearbeitete Rohling mit einer oxidkeramischen Schicht beschichtet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beschichtung von Leichtmetall-Rohlingen und die Herstellung von turbulent umströmten Leichtmetall-Bauteilen aus diesem Rohling nach dem Oberbegriff der Hauptansprüche 1 und 6.
Turbulent umströmte Leichtmetall-Bauteile finden Verwendung als verschleißfeste und hochtemperaturfeste Komponenten im Maschinen-, Apparate-, Motoren- und Turbinenbau, insbesondere bei PKW- und Nutzfahrzeug- Motoren mit Abgasturboladern (ATL). Beispielsweise werden Verdichterräder von Abgasturboladern derzeit aus Aluminium-Standardlegierungen mittels Feinguss-Fertigungsverfahren hergestellt. Der Hauptentwicklungstrend der Turbomotoren geht zu einer weiteren Steigerung der Aufladegrade bzw. zu wachsenden Umlaufgeschwindigkeiten der ATL-Verdichterräder. Dies führt jedoch dazu, dass die Festigkeitsgrenzwerte betreffend Fliehkraft- und Schwingungsbeanspruchungen bei ATL (Abgasturbolader)-Verdichtungsrädern mit kostengünstigen Aluminium-Standardlegierungen mittlererweile erreicht werden. Um die erhöhten Beanspruchungen der ATL-Verdicherräder zu bewältigen, ist z.B. ein Werkstoffwechsel zu Titan möglich. Jedoch führt die Herstellung von ATL-Verdichterrädern aus Titan mittels NC-Fräsung zu einer Kostenverdopplung des Abgasturboladers. Es ist deshalb kostengünstiger das Feinguss-Fertigungsverfahren für die Rohlinge des Verdichterrades aus Aluminium-Standardlegierungen beizubehalten und geeignete Beschichtungswerkstoffe für die Rohlinge der ATL-Verdichterräder zu suchen.

Ein Verfahren zur Herstellung von Metallkeramik-Verbundwerkstoffen bei dem ein oxidhaltiger Vorkörper mit flüssigem Aluminium oder einer Aluminiumlegierung derart umgesetzt wird, dass ein Al₂O₃ und Aluminid (z.B. TiAl) enthaltender Werkstoff hergestellt wird, ist in der DE 196 05 858 A1 beschrieben. Der Vorkörper ist ein Grünkörper oder ein vorgesinterter bzw. plasmagespritzter Precursor. Der Grünkörper oder Precursor ist beispielsweise schichtförmig auf einem Grundkörper aufgebaut. Anschließend wird der Grünkörper oder Precursor so lange in flüssiges Aluminium oder in eine flüssige Aluminiumlegierung eingetaucht bis er entweder vollständig oder nur im Oberflächenbereich zumindest teilweise in Al₂O₃ und Aluminide umgewandelt ist. Dabei wird der Vorkörper unter Vakuum, Normaldruck oder Gasdruck mit flüssigem Aluminium oder einer flüssigen Aluminiumlegierung infiltriert. Durch eine Nachbehandlung in z.B. einer erhitzten, sauerstoffhaltigen Atmosphäre wird eine reichere Al₂O₃ -Deckschicht gebildet. Der Formkörper wird als verschleißfeste und hochtemperaturfeste Komponente u.a. im Turbinen- und Motorenbau verwendet.

Ein Verfahren zur Herstellung von Oxidkeramik-Fluorpolymer-Schichten auf Leichtmetall-Bauteilen aus z.B. Aluminium ist in der DE 42 39 391 A1 angegeben. Die Leichtmetall-Bauteile sind u.a. Rotoren von Pumpen mit hohen Drehzahlen z.B. für Turbolader. Mittels der anodischen Oxidation unter Funkentladung wird eine Oxidkeramik-Polymerschicht auf die Leichtmetall-Bauteile aus z.B. Aluminium aufgebracht. Die Oxidkeramik Schichten besitzen Schichtdicken zwischen 40 bis 150 μm.

Aus der DE 41 39 006 C2 ist ein Verfahren zur Erzeugung von Oxidkeramikschichten auf Sperrschicht bildenden Metallen oder deren Legierungen durch anodische Oxidation unter Funkentladung beschrieben. Mit dem Verfahren werden Gegenstände aus Aluminium, Magnesium, Titan oder deren Legierungen mit einer Oxidkeramikschicht bis zu 100 μm Dicke hergestellt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Beschichtung von einem Leichtmetall-Rohling und ein Verfahren zur Herstellung von turbulent umströmten Leichtmetall-Bauteilen aus diesem Rohling anzugeben, mit dem verschleißfeste und hochtemperaturfeste Komponenten für turbulent umströmte Leichtmetall-Bauteile kostengünstig herstellbar sind.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der Hauptansprüche gelöst. Die Beschichtung eines Rohlings aus einem Leichtmetall-Basiswerkstoff wird mittels anodischer Oxidation durchgeführt und es wird eine Oxidkeramik Schicht auf dem Rohling abgeschieden, wobei der Rohling über die Beschichtung auf Druck vorgespannt wird. Zur Herstellung von turbulent umströmten Leichtmetall-Bauteilen, insbesondere ATL-Verdichterräder wird der Rohling bestehend aus Basiskörper und Beschaufelung aus einem Leichtmetall-Basiswerkstoff gefertigt, vorbearbeitet und/oder Teilbereiche endbearbeitet. Anschließend wird auf dem bearbeiteten Rohling eine Oxidkermanische Schicht erzeugt.

Günstige Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung sind der Beschreibung sowie den weiteren Ansprüchen zu entnehmen.

Durch die Beschichtung des Rohlings mit einer oxidkeramischen Schicht wird die Beständigkeit des Materials gegenüber Fliehkraft- und Schwingungsbelastung erhöht.

Des Weiteren ist von Vorteil, dass das kostengünstige Feinguss-Fertigungsverfahren für die Rohlinge aus Aluminium-Standardlegierungen beibehalten werden kann.

Durch die Vorspannung von Basiskörper und Beschaufelung mittels der Beschichtung erfahren die spannungskritischen Bereiche, z.B. die Bohrungen, im Bereich des Verdichterradrückens bei hohen Drehzahlen des Turboladers geringere Zugspannungen.

Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass der duktile Aluminium-Radkörper des Verdichters durch den stark gesteigerten Wärmedurchgangswiderstand der Oxidkeramik Schicht vor starken Temperaturschwankungen geschützt wird. Dadurch werden die spannungskritischen Stellen im Bohrungsbereich des Rohlings bei nicht stationären Vorgängen geringeren Werkstofftemperaturen ausgesetzt.

Für die Beschichtung werden die Chargen der bearbeiteten Rohlinge anodenseitig in symmetrischer Anordnung zusammengestellt und im Säurebad mit einer geeigneten Kathode dem Oxidationsprozess unterzogen. Dabei wird über die gewählten Prozessparameter das zeitliche Schichtwachstum derart geregelt, dass unterschiedliche Schichtdicken für bestimmte Teile der jeweiligen Rohlinge erzeugt werden. Die Schichtdicken der einzelnen Rohlinge werden während der Beschichtung simultan gemessen, um die zu realisierenden unterschiedlichen Schichtdicken der Beschichtung des Rohlings herzustellen.

Durch die unterschiedlichen Schichtdicken für bestimmte Teile des Rohlings werden die Schwingungsbeanspruchung und die Belastung durch den so genannten Low Cycle Fatigue im Außenkonturbereich der Schaufel vermindert.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung beschriebenen Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Dabei zeigen:
1 die Beschichtung der Chargen der vorbereiteten Rohlinge im Säurebad,
2 ein beschichtetes Verdichterrad, und
3 den Verfahrensablauf zur Herstellung der Verdichterräder
In 1 ist ein Gleichstrom Kathoden Säurebad dargestellt. Die Kathode 1 besteht z.B. aus Graphit. Um die Rohlinge der Verdichterräder, bestehend aus einem Basiskörper und der Beschaufelung, durch anodische Oxidation mit einer Al₂O₃-Schicht zu beschichten, werden die Rohlinge der Verdichterräder 2 als Anode 3 in ein Säurebad 4 eingetaucht. Es erfolgt eine symmetrische Oberflächenbeschichtung der zu beschichtenden Charge der Verdichterräder. Die über den Stromfluss entstehenden Aluminium-Ionen verbinden sich dabei mit den aus dem Säurebad angezogenen Sauerstoff (O)-Ionen zu der gewünschten oxidkeramischen Al₂O₃-Schicht. Die Schichtdicke der Al₂O₃-Schicht wird teilweise etwa zur Hälfte durch Eindiffusion der Sauerstoff-Ionen in den Rohling und zur anderen Hälfte als Auftragsschicht auf der Oberfläche des Rohlings erzeugt. Es wird eine Gesamtschichtdicke aus Al₂O₃ von beispielsweise mehr als 0,2 mm abgeschieden.
Durch die Beschichtung werden der Basiskörper und die Beschaufelung auf Druck derart vorgespannt, dass die spannungskritischen Bereiche des Verdichters bei hohen Drehzahlen geringeren Zugspannungen ausgesetzt werden. Gemäß 2 wird die Schichtdicke der Al₂O₃-Schicht bezogen auf die Gesamtdicke der Schaufel 8 dabei im Außenkonturbereich 7, insbesondere im Austrittsbereich 5 der Schaufel mit über 30% der Gesamtschaufeldicke und im eintrittsseitigen Nabenkonturbereich 6 der Schaufel mit über 10% der Gesamtschaufeldicke abgeschieden.
In 3 ist der Verfahrensablauf zur Herstellung der Verdichterräder dargestellt. In einem ersten Verfahrens-Schritt werden der Basiskörper und die Beschaufelung des Rohlings beispielsweise aus einer Standard-Aluminiumlegierung mit einem Feinguss-Fertigungsverfahren hergestellt. Anschließend werden z.B. folgende Bearbeitungsschritte an den gegossenen Rädern des Rohlings durchgeführt:

– Herstellung der Bohrungen im Radrücken
– Vorwuchten der Räder
– Drehbearbeitung der Radrückwand
– Schleifen der Schaufelkonturen.

Dabei können beispielsweise entweder Teilbereiche oder auch das gesamte Verdichterrad bereits einer Endbearbeitung mit einer Wuchtung der Einzelteile unterzogen werden. In den meisten Fällen wird jedoch die Vorbearbeitung der Rohling auf eine Teilbearbeitung und Vorwuchtung beschränkt.
Bei der Bearbeitung des Rohlings des Verdichterrades wird der Oberflächenauftrag der nachfolgenden Beschichtung durch Geometrieanpassung berücksichtigt. Beispielsweise werden dünnere Schaufel- und Nabenkörperkonturen hergestellt.
Für die Beschichtung werden in einem weiteren Verfahrensschritt die Chargen der bearbeiteten Rohlinge anodenseitig in symmetrischer Anordnung zusammengestellt und im Säurebad mit einer z.B. einer Graphit – Kathode dem Oxidationsprozess unterzogen. Über die gewählten Prozessparameter wird das zeitliche Schichtwachstum derart geregelt, dass unterschiedliche Schichtdicken für bestimmte Teile der jeweiligen Rohlinge erzeugt werden. Die Schichtdicken der einzelnen Rohlinge werden während der Beschichtung simultan gemessen, um die zu realisierenden unterschiedlichen Schichtdicken der Beschichtung des Rohlings herzustellen.
Nach der Beschichtung wird eine Geometriekontrolle durchgeführt.
Anschließend wird für die Verfahrensabläufe, bei denen lediglich eine Teilbearbeitung und Vorwuchtung vor der Beschichtung erfolgte, eine Endbearbeitung des Rohlings und die End-Einzelteilwuchtung durchgeführt.
Das gefertigte Verdichterrad wird dann z.B. im Rotorbau des Turboladers und für die Gesamtwuchtung des Verdichter- und Turbinenrades im Verband verwendet.
Die Erfindung ist nicht auf das angegebene Ausführungsbeispiel beschränkt. Insbesondere sind die beschichteten Leichtmetall-Bauteile als verschleißfeste und hochtemperaturfeste Komponenten im Maschinen-, Apparate- und sonstigem Turbinenbau verwendbar.

Claims

Verfahren zur Beschichtung eines Rohlings aus einem Leichtmetall-Basiswerkstoff, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Rohling mittels anodischer Oxidation eine Oxidkeramik Schicht erzeugt wird, und dass der Rohling über die Beschichtung auf Druck vorgespannt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Rohling mittels Feinguss-Fertigungsverfahren aus Aluminiumlegierungen hergestellt wird, und dass mittels anodischer Oxidation eine Al₂O₃-Schicht auf dem Rohling erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtdicke der Al₂O₃-Schicht teilweise durch Eindiffusion von O-Ionen in den Rohling und teilweise als Auftrag von O-Ionen auf der Oberfläche des Rohlings erzeugt wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass über die gewählten Prozessparameter das zeitliche Schichtwachstum derart geregelt wird, dass unterschiedliche Schichtdicken für bestimmte Teile des Rohlings erzeugt werden.
Verfahren nach zumindest einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtdicken des Rohlings während der Beschichtung simultan gemessen werden, um die zu realisierenden unterschiedlichen Schichtdicken der Beschichtung des Rohlings herzustellen.
Verfahren zur Herstellung von turbulent umströmten Bauteilen aus einem Rohling aus einem Leichtmetall-Basiswerkstoff, dadurch gekennzeichnet, dass der Rohling mit einem herkömmlichen Fertigungsverfahren hergestellt wird, dass der Rohling vorbearbeitet und/oder Teilbereiche endbearbeitet werden, und dass anschließend auf dem bearbeiteten Rohling eine oxidkeramische Schicht erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verfahren gemäß den Ansprüchen 1 bis 5 zur Beschichtung des Rohlings verwendet wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für die Beschichtung die Chargen der bearbeiteten Rohlinge anodenseitig in symmetrischer Anordnung zusammengestellt und im Säurebad mit einer geeigneten Kathode dem Oxidationsprozess unterzogen werden, dass über die gewählten Prozessparameter das zeitliche Schichtwachstum derart geregelt wird, dass unterschiedliche Schichtdicken für bestimmte Teile der jeweiligen Rohlinge erzeugt werden, und dass die Schichtdicken der einzelnen Rohlinge während der Beschichtung simultan gemessen werden, um die zu realisierenden unterschiedlichen Schichtdicken der Beschichtung des Rohlings herzustellen.
Verfahren nach zumindest einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für den anodischen Oxidationsprozess eine Kathode aus Graphit eingesetzt wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Beschichtung eine Geometriekontrolle durchgeführt wird, und dass anschließend eine Endbearbeitung des Rohlings erfolgt.
Verfahren nach zumindest einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rohling aus einem Basiskörper mit Beschaufelung hergestellt wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Basiskörper mit Beschaufelung für den Rotorbau eines Turboladers als Verdichter verwendet wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Basiskörper und die Beschaufelung aus einer Standard-Aluminiumlegierung mit einem Feinguss-Fertigungsverfahren hergestellt werden.
Verfahren nach zumindest einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Basiskörper und die Beschaufelung des Verdichters durch anodische Oxidation mit einer Al₂O₃-Schicht beschichtet werden.
Verfahren nach zumindest einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Basiskörper und die Beschaufelung mittels der Beschichtung auf Druck derart vorgespannt werden, dass die spannungskritischen Bereiche des Verdichters bei hohen Drehzahlen geringeren Zugspannungen ausgesetzt werden.
Verfahren nach zumindest einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtdicke der Al₂O₃-Schicht bezogen auf die Schaufeldicke im Außenkonturbereich insbesondere im Austrittsbereich der Schaufel mit über 30% der Gesamtschaufeldicke abgeschieden wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtdicke der Al₂O₃-Schicht bezogen auf die Schaufeldicke im eintrittsseitigen Nabenkonturbereich der Schaufel mit über 10% der Gesamtschaufeldicke abgeschieden wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Bearbeitung des Rohlings des Verdichterrades der Oberflächenauftrag der nachfolgenden Beschichtung durch Geometrieanpassung berücksichtigt wird.
Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass dünnere Schaufel- und Nabenkörperkonturen bei der Bearbeitung des Rohlings hergestellt werden.
Verfahren nach zumindest einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Gesamtschichtdicke aus Al₂O₃ von mehr als 0,2 mm abgeschieden wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass folgende Bearbeitungsschritte an den gegossenen Rädern des Rohlings durchgeführt werden: – Herstellung der Bohrungen im Radrücken – Vorwuchten der Räder – Drehbearbeitung der Radrückwand – Schleifen der Schaufelkonturen.