DE19536312C1

DE19536312C1 - Verfahren zur Herstellung eines mehrlagig beschichteten Bauteils mit Bohrungen

Info

Publication number: DE19536312C1
Application number: DE19536312A
Authority: DE
Inventors: Albin Platz
Original assignee: MTU Motoren und Turbinen Union Muenchen GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines AG
Priority date: 1995-09-29
Filing date: 1995-09-29
Publication date: 1996-05-09
Anticipated expiration: 2015-09-30

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines mehrlagig beschichteten Bauteils mit Bohrungen, wobei die mehrlagige Beschichtung mindestens eine erste metallische Schicht lage und mindestens eine letzte keramische Deckschicht aufweist.

Aus DE-PS 42 26 272 ist bekannt, daß Bauteile, wie Schaufelblätter, im Triebwerksbau mit metallischen Haftschichten und oxidkeramischen Deckschichten zur Wärmedämmung be schichtet werden.

Aus US-PS 4 402 992 ist ein Verfahren bekannt, bei dem die Herstellung eines Bauteils, wie Turbinenflügel mit Kühlluftbohrungen, bei dem mindestens eine Haftgrundierung aus z. B. MCrAlY durch Vakuumplasmaspritzen und dann mindestens eine keramische Wärmedämm schicht aus yttriumstabilisiertem Zirkonimdioxid durch Plasmaspritzen aufgebracht wird, wobei die Bohrungen durch simultanes Gasblasen freigehalten werden. Bei diesem Verfahren wird vorausgesetzt, daß die Bohrungen vor einer metallischen Haftbeschichtung aus z. B. MCrAlY im metallischen Bauteil bereits vorhanden sind.

Metallische Beschichtungen lassen sich jedoch auf metallischen Bauteilen am günstigsten auf ungestörten bohrlochfreien Oberflächen abscheiden.

Aus DE-PS 32 11 139 sind Schaufelkühlungsbohrungen bekannt, die teilweise mittels elek trolytischem Feinbohren gemäß DE-PS 33 27 220 oder durch Laserbohren, wie es aus EP 0 364 914 bekannt ist, eingebracht werden.

Bei Bauteilen mit keramischen Deckschichten versagt das elektrolytische Feinbohren, da die keramischen Deckschichten elektrisch isolierend wirken.

Das bekannte Laserbohren liefert zwar Bohrungslöcher bei mehrlagig beschichteten Bauteilen mit einer keramischen Deckschicht, jedoch ist dieses Verfahren mit gravierenden Nachteilen verbunden. Es bilden sich rund um jedes Laserbohrloch Ablagerungen der verdampften Mate rialien aus dem Bohrloch, und es treten bei keramischen Schichten hohe Thermospannungen rund um das Bohrloch auf, die Rißbildungen im Beschichtungswerkstoff verursachen. Als Folge treten Mikrorisse auf, die sich teilweise strahlenförmig vom Bohrlochrand ausbreiten und teilweise konzentrisch um das Bohrloch herum gruppiert sind.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren anzugeben, das es ermöglicht, mehrlagig be schichtete Bauteile mit defektfreien Bohrungen in Bauteil und Beschichtungslagen auszustat ten. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung Ablagerungen am Rand des Bohrlochs zu beseitigen, ohne die Oberflächenstruktur und Rauhigkeit einzuschränken. Darüber hinaus ist es Aufgabe der Erfindung ein Verfahren anzugeben, bei dem mit Kühlluftbohrungen zu versehende Bau teile bei einem weiterführenden Beschichten nach Einbringung der Bohrungen eine Quer schnittsverringerung der Bohrungen von weniger als 25% auftritt, wenn das Verhältnis zwi schen Bohrungsdurchmesser und Beschichtungsdicke 1 : 1 ist.

Gelöst werden diese Aufgaben durch ein Verfahren mit folgenden Verfahrensschritten:

a) Auftragen mindestens der ersten metallischen Schichtlage auf die Oberfläche des Bau teils,
b) Auftragen einer Schutzschicht aus Lack nach dem Auftragen sämtlicher metallischer Schichtlagen,
b) Laserbohren des Bauteils,
c) Entfernen der Schutzschicht aus Lack, und
d) Auftragen keramischer Schichtlagen, mindestens der letzten keramischen Deckschicht, auf die mit Bohrungen versehene metallisch beschichtete Oberfläche unter gleichzeiti gem Durchströmen der Laserbohrungen mittels Druckluft oder Inertgas.

Dieses Verfahren hat den Vorteil, daß es einerseits die Rauhigkeit der ersten metallischen Schicht, die vorzugsweise als Haftschicht fungiert nicht vermindert, sondern beibehält, da lediglich eine chemisch leicht entfernbare Schutzschicht aus Lack aufgebracht wird, die die Oberflächenrauhigkeit konserviert. Andererseits stellt die Schutzschicht aus Lack einen Träger dar, auf dem sich der Auswurf von verdampftem und/oder schmelzflüssigem Material aus dem Laserbohrloch rund um jedes Bohrloch anhäuft. Wird beim Entfernen der Schutzschicht der Lack aufgequollen, aufgelöst und fortgespült, so wird gleichzeitig damit die Oberfläche rund um das Bohrloch von dem Auswurf befreit und die Rauhigkeit der zuletzt aufgetragenen me tallischen Schichtlage beibehalten.

Ein metallisches Beschichten der unbeschichteten Bauteiloberfläche nach einem Einbringen von Laserlöchern in die Bauteiloberfläche zeigt bei einem Verhältnis des Laserbohrlochdurch messers zur metallischen Beschichtungsdicke von 1 : 1, den Nachteil, daß die schmelzflüssigen metallischen Partikel beim Sprühbeschichten oder Vakuum-Plasmaspritzen die Bohrlöcher stellenweise vollständig zusetzen. Deshalb hat das erfindungsgemaße Verfahren den Vorteil, daß durch alle Metallschichtlagen hindurch das Bauteil mit lasergebohrten maßgenauen Lö chern versehen werden kann.

Ein Laserbohren der Bauteile, die bereits eine keramische Deckschicht tragen, würde zwar auch maßgenaue Bohrungsquerschnitte erzeugen, aber zu den oben erwähnten Rißbildungen im Bereich der Bohrlöcher fuhren, so daß Schädigungen der keramischen Schicht bis hin zu einem Abplatzen der Schutzschicht von den Laserbohrlöchern ausgehen, was mit dem erfin dungsgemaßen Verfahren vorteilhaft überwunden wird.

Beim Laserbohren eines Bauteils mit rauher metallischer Haftschicht ohne die erfindungs gemäße Lackschutzschicht, wird auf die Oberfläche der rauhen metallischen Haftschicht der Bohrlochauswurf als metallische Verunreinigung der Schichtoberfläche der Haftschicht aufge tragen. Diese Verunreinigung kann zwar mechanisch durch Schleifen oder Kugelstrahlen abgetragen werden, jedoch wird dabei die Oberfläche derart geglättet, daß die ursprüngliche Haftwirkung, die im wesentlichen auf der Beibehaltung der Rauhigkeit basiert, als Bindekraft zwischen Bauteiloberfläche und keramischer Deckschicht beeinträchtigt ist. Durch die erfin dungsgemaße Abfolge der Verfahrensschritte mit der Einfügung einer vorübergehenden Lack schutzschicht wird dieser Nachteil der bisherigen Technik vorteilhaft überwunden.

Die keramischen Schichtlagen, insbesondere die keramische Deckschicht setzen beim Auf sprühen oder beim Plasmaspritzen die Laserlöcher in hohem Maße zu. Bei herkömmlicher Beschichtung von beispielsweise gebohrten Triebwerksschaufeln wird der Boh rungsdurchmesser von 0,8 mm bei einer Schichtdicke von 0,4 mm bereits auf einen Durch messer gegen Null verengt. Erst das erfindungsgemaße Freihalten der Löcher durch Druckluft und die erfindungsgemäße Abfolge der Verfahrensschritte löst sowohl das Problem des Zu setzens als auch das Problem der Rißbildungen.

Die Rißbildungen werden dadurch vermieden, daß das Laserbohren vor dem Auftragen der Keramikschicht erfolgt und ein Zusetzen der gebohrten Löcher wird durch den Luftstrom oder den Inertgasstrom verhindert.

Somit löst die erfindungsgemäße Abfolge der Verfahrensschritte alle bisher beim Laserbohren von mehrlagig beschichteten Bauteilen aufgetretenen Probleme.

Vorzugsweise wird beim Aufbringen keramischer Schichtlagen die Druckluft oder das Inert gas den Laserbohrungen mit einem Überdruck von 1,5 × 10⁵ bis 30 × 10⁵ Pa zugeführt. Das hat den Vorteil, daß ein gleichbleibend hoher Durchsatz an Druckluft oder Inertgas durch die Bohrlöcher während der keramischen Beschichtung gewährleistet ist und ein Zusetzen der Löcher unterbunden wird.

Bei einer bevorzugten Durchführung des Verfahrens werden als Laserbohrungen Kühlluftboh rungen in ein Schaufelblatt für ein Turbotriebwerk eingebracht. Diese Kühlluftbohrungen verbessern zusätzlich zur keramischen Deckschicht die Hitzebeständigkeit eines Schaufelblat tes im Strömungskanal einer Heißgasturbine. Beide Maßnahmen gleichzeitig auf ein und demselben Bauteil anzuwenden, nämlich eine keramische Schutzschicht mit Kühlluftbohrun gen für einen Kühlfilm am Schaufelblatt, scheiterten bisher an der nicht defektfreien Bearbeit barkeit keramischer Beschichtungen, was vorteilhaft durch das erfindungsgemäße Verfahren überwunden wird.

In einer anderen bevorzugten Durchführung des Verfahrens wird als erste metallische Schicht lage eine Haftschicht aufgebracht. Derartige Haftschichten sind aus Metallegierungen und dienen dazu einerseits eine metallische Grenzschicht aus metallischen Bindungen mit dem Me tallbauteil zu bilden und andererseits die Oberfläche derart aufzurauhen, daß intensive Ver zahnungen mit den nachfolgenden Schichtlagen und insbesondere mit den keramischen Schichtlagen entstehen. Außerdem baut die Haftschicht Thermospannungen zwischen dem Metallbauteil und den keramischen Schichtlagen ab, die aufgrund unterschiedlicher thermi scher Ausdehnungskoeffizienten auftreten. Derartig rauhe metallische Schichten stellen für das Laserbohren ein Problem dar, da der Bohrlochauswurf die rauhen Oberflächen verunrei nigt, die ihrerseits schwierig oder gar nicht zu reinigen sind, ohne daß die Rauhigkeit beein trächtigt wird. Dieses Teilproblem wird durch das vorübergehende Aufbringen einer Lack schutzschicht vorteilhaft gelöst.

Als erste metallische Schichtlage wird vorzugsweise eine Beschichtung aus MCrAlY mit M aus der Gruppe Ni, Co, Fe oder NiCo als Haftschicht aufgebracht. Diese Schichten sind in Rauhigkeit und Zusammensetzung besonders gut für eine Haftvermittlung zwischen einem Bauteil aus einer Superlegierung auf Fe-, Co- oder Ni-Basis und einer keramischen auch mehr lagigen Deckschicht geeignet und lassen sich relativ problemlos mit einer Lackschutzschicht für das Laserbohren überziehen.

Weitere metallische Schichtlagen, die auf die erste Schicht aufgebracht werden sind vorzugs weise Heißgaskorrosionsschutzschichten auf Aluminium- und/oder Chrombasis. Dieses sind im wesentlichen Aluminium- und/oder Chrombasisschichtlagen bzw. Aluminiumbasis schichten, die vorteilhafterweise mit Kühlluftlöchern nach Beschichten des Bauteils in einem gemeinsamen Verfahren mit dem Bauteil lasergebohrt werden können.

Nach dem Entfernen der Schutzschicht aus Lack werden vorzugsweise wärmedämmende kera mische Schichtlagen aufgebracht. Derartige Beschichtungen aus Oxidkeramik erhöhen vor teilhaft die Einsatztemperatur metallischer Schaufeln mit Kühlluftbohrungen.

Vorzugsweise werden nach dem Entfernen der Schutzschicht aus Lack keramische, verschleiß feste Schichtlagen aufgebracht. Diese Schichten aus Nitriden oder Karbiden sind beim La serbohren mit ähnlichen Problemen, wie oxidkeramische Schichten, verbunden, so daß auch hier das erfindungsgemäße Verfahren eine Lösung bietet.

In einer besonders bevorzugten Durchführung des Verfahrens wird als keramische Deck schicht Yttrium stabilisiertem Zirkoniumdioxid aufgebracht. Diese seit langem im Triebwerks bau eingesetzte Schutzschicht konnte bisher mittels Laserbohren nicht defektfrei mit Kühlluft bohrungen versehen werden und konnte deshalb bisher nur für Schaufelblättern ohne Kühlluft bohrung eingesetzt werden. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird deshalb das Einsatz gebiet dieser bekannten Beschichtung vorteilhaft erweitert.

Mit dem folgenden Ausführungsbeispiel wird die Erfindung näher erläutert.

Beispiel

Turbinenschaufeln sind hoher mechanischer und thermischer Beanspruchung im Betrieb unter worfen. Um die Temperatur an der Schaufelblattoberfläche im Strömungskanal zu senken, werden Filmkühlungsbohrungen in das Schaufelblatt an vorbestimmten Stellen eingebracht. Die Bohrungen müssen einen definierten Querschnitt aufweisen, um die erforderliche Kühl luftmenge für den Kühlfilm durchzusetzen.

Eine metallische Turbinenschaufel aus einer Ni/Co-Superlegierung wird mit Filmkühlungs bohrungen und einer mehrlagigen Beschichtung versehen. Dazu wird das Bauteil mit einer vorzugsweise im Vakuum plasmagespritzten Haftschicht des Typs MCrAlY mit M = Ni, Co, Fe oder Ni/Co versehen.

Anschließend wird die beschichtete Bauteiloberfläche mit einer Lackierung überzogen, damit die rauhe Haftschicht (mittlere Rauhtiefe größer 10 µm) mit dem metallischen Auswurf, der beim Laserbohren auf die Oberfläche aufgetragen wird, keine Verbindung eingehen kann. Als Lackschicht dient ein Lack mit einer Dicke zwischen 20 bis 500 µm.

Danach werden Filmkühlungsbohrungen in das Schaufelblatt mit einer metallischen Schicht lage und einer Lackschichtlage mittels Laserbohren eingebracht. Der Auswurf wird auf der Lackschicht abgeschieden und hat keine metallische Verbindung zur Haftschicht. Ein Laser bohren nach dem Aufbringen metallischer Schichtlagen gewährleistet den vollen Bohrungs durchmesser auch in den Schichtlagen. Die Oberfläche ist durch die Lackierung in ihrer Struk tur, Zusammensetzung und Rauhigkeit während der Handhabung geschützt.

Die Lackierung wird einschließlich der beim Laserbohren auf dem Lack angehäuften Verun reinigungen, die durch den Materialauswurf beim Laserbohren entstehen, durch chemische oder thermische Behandlung entfernt. Es kann sich eine Diffusionswärmebehandlung zwi schen 850 bis 1150°C für 0,25 bis 24 Stunden vorzugsweise im Vakuum zur Bildung einer Diffusionsgrenzschicht zwischen Bauteiloberfläche und metallischer Haftschicht anschließen, wodurch eine metallurgische Anbindung der Haftschicht an den Schaufelwerkstoff erreicht wird. Gleichzeitig wird mit einer Wärmebehandlung im Vakuum die Oberfläche der metalli schen Schichtlagen gereinigt und aktiviert, so daß optimale Bedingungen für das Aufbringen keramischer Schichten vorliegt.

Abschließend wird eine oxidkeramische Wärmedämmschicht durch thermisches Spritzen bei gleichzeitiger Beaufschlagung und Durchströmung des Bauteils und der Bohrungen mit Druckluft aufgebracht. Dabei strömt die Luft vorzugsweise von innen nach außen. Der Druck der zum Freihalten der Bohrungen verwendeten Druckluft kann zwischen 1,5 × 10⁵ bis 30 × 10⁵ Pa liegen und wurde in diesem Beispiel auf 5 × 10⁵ Pa eingestellt.

Die Schichtlagen sind in diesem Beispiel insbesondere im Bereich der Bohrungen defektfrei und die Verringerung des Querschnitts der senkrechten Filmkühlungsbohrungen ist trotz ei nem Verhältnis zwischen Wärmedämmschichtdicke zu Bohrungsdurchmesser von 1 : 1 weniger als 25%.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines mehrlagig beschichteten Bauteils mit Laserbohrungen, wobei die mehrlagige Beschichtung mindestens eine erste metallische Schichtlage und mindestens eine letzte keramische Deckschicht aufweist, gekennzeichnet durch folgen de Verfahrensschritte

a) Auftragen mindestens der ersten metallischen Schichtlage auf die Oberfläche des Bauteils,
b) Auftragen einer Schutzschicht aus Lack nach dem Auftragen sämtlicher metal lischer Schichtlagen,
b) Laserbohren des Bauteils,
c) Entfernen der Schutzschicht aus Lack, und
d) Auftragen keramischer Schichtlagen, mindestens der letzten keramischen Deckschicht, auf die mit Bohrungen versehene metallisch beschichtete Oberflä che unter gleichzeitigem Durchströmen der Laserbohrungen mittels Druckluft oder Inertgas.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckluft oder das Inert gas den Laserbohrungen mit einem Überdruck von 1,5 × 10⁵ bis 30 × 10⁵ Pa zugeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Laserbohrungen Kühlluftbohrungen in ein Schaufelblatt für ein Turbotriebwerk eingebracht werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als erste metallische Schichtlage eine Haftschicht aufgebracht wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als erste metallische Schichtlage eine Beschichtung aus MCrAlY mit M aus der Gruppe Ni, Co, Fe oder NiCo als Haftschicht aufgebracht wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, das als weitere metallische Schichtlagen metallische Heißgaskorrosionsschutzschichten aufgebracht werden.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Entfernen der Schutzschicht aus Lack wärmedämmende keramische Schichtlagen auf gebracht werden.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Entfernen der Schutzschicht aus Lack keramische verschleißfeste Schichtlagen aufge bracht werden.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß als kerami sche Deckschicht Yttrium stabilisiertem Zirkoniumdioxid aufgebracht wird.