DE19848888C2 - Anordnung für das Pulverpackbeschichten - Google Patents
Anordnung für das PulverpackbeschichtenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Anordnung für das Pulverpackbeschichten von Metallbau
teilen, insbesondere für das Pulverpack-Aluminisieren von Schaufeln und Gas
kanalelementen von Gasturbinentriebwerken, gemäß dem Oberbegriff des Patentan
spruches 1.
Das Pulverpack-Aluminisieren von heißgasbeaufschlagten Triebwerksbauteilen als
Schutzmaßnahme gegen Korrosion/Erosion wird von allen namhaften Triebwerks
herstellern angewendet. Die Beschichtung erfolgt in einer gasgespülten, glockenarti
gen, von außen beheizten Retorte, wobei kastenartige Metallbehälter mit aufgelegten
Deckeln das Beschichtungspulver und die Bauteile enthalten. Die von der über die
Retorte gestülpten Heizhaube erzeugte Wärme wird durch die Wand der Retorten
haube in das Retorteninnere geleitet und erhitzt dort das Spülgas sowie die Behälter
samt Inhalt. Im Hinblick auf ein schnelles, zeit- und kostensparendes Temperieren
des Behälterinhalts werden Behälterformen bevorzugt, welche eine in Relation zum
umschlossenen Volumen eher große, wärmeaufnehmende Oberfläche besitzen. Zu
dem sollen die Behälter einfach und preiswert herstellbar sein, insbesondere aus
Blechelementen in Schweißkonstruktion. Im Hinblick auf eine leichte Handhabung
sollten die Behälter auch nicht zu groß sein.
Die genannten Kriterien haben fast zwangsläufig zu den derzeit überall im Einsatz
befindlichen "Schuhschachtel"-Behältern geführt, d. h. zu Rechteckkästen, welche
von oben mit formschlüssigen Deckeln geschlossen werden. Die Behälter werden in
mehreren Lagen übereinander in der Retorte positioniert, wobei jede Lage die glei
che Behälteranzahl umfaßt. In jeder Lage sind mehrere Behälter, beispielsweise vier,
in identischer Weise so um die Retortenmitte herum angeordnet, dass jeder Behälter
mit der Mitte einer Längsseite einen gedachten, zur Retortenachse konzentrischen
Zylinder berührt/tangiert. Mit vier Behältern ergibt sich somit eine quadratische An
ordnung mit einem quadratischen Hohlraum in der Mitte. Unabhängig von der Anzahl
der Behälter erinnert die Anordnung an eine sogenannte "Wagenburg" mit den Behäl
tern als "Wagen". Die aufeinandergeschichteten Behälterlagen sind gegeneinander in
einem Winkel α um die Retortenachse herum verdreht, dessen Größe sich wie folgt
ergibt: α = 360°:2 × Behälterzahl.
Für vier Behälter gilt: α = 45°.
Die Behälter stehen unmittelbar aufeinander, wobei sie sich infolge der Lagenverdre
hung nur mit einem Teil ihrer Boden- und Deckelflächen berühren. Auf diese Weise
kommen die verbleibenden freien Boden- und Deckelflächenanteile direkt mit dem
Spülgas/Heißgas in Berührung, so dass ein relativ zügiges Temperieren möglich ist.
Abgesehen von den unbestrittenen, genannten Vorteilen führen die Rechteckkästen
jedoch auch zu Nachteilen:
Die Anordnung einer Vielzahl von Rechteckkörpern in einer i. w. kreiszylindrischen Retortenglocke führt zu einer unbefriedigenden Raumausnutzung. Dadurch reduziert sich unmittelbar die Anzahl der Teile, welche in einer Charge beschichtet werden können. Diese reduzierte Beschichtungskapazität führt zwangsläufig zu erhöhten Beschichtungskosten je Teil sowie zu einer erhöhten Prozessgesamtdauer bei großen Stückzahlen, d. h. bei mehrfachem Kühlen, Öffnen, Ent- und Beladen, Schließen und Aufheizen der Retorte. Die Aufheizung des Kasteninhalts erfolgt nicht ganz gleich mäßig, sondern - oberflächenverteilungsbedingt - tendenziell in den Kastenenden schneller als in Kastenmitte, was letztlich zu einer je nach Bauteilposition unter schiedlichen Beschichtungsdicke sowie ggf. zur Erfordernis einer Nachbeschichtung führt.
Die Anordnung einer Vielzahl von Rechteckkörpern in einer i. w. kreiszylindrischen Retortenglocke führt zu einer unbefriedigenden Raumausnutzung. Dadurch reduziert sich unmittelbar die Anzahl der Teile, welche in einer Charge beschichtet werden können. Diese reduzierte Beschichtungskapazität führt zwangsläufig zu erhöhten Beschichtungskosten je Teil sowie zu einer erhöhten Prozessgesamtdauer bei großen Stückzahlen, d. h. bei mehrfachem Kühlen, Öffnen, Ent- und Beladen, Schließen und Aufheizen der Retorte. Die Aufheizung des Kasteninhalts erfolgt nicht ganz gleich mäßig, sondern - oberflächenverteilungsbedingt - tendenziell in den Kastenenden schneller als in Kastenmitte, was letztlich zu einer je nach Bauteilposition unter schiedlichen Beschichtungsdicke sowie ggf. zur Erfordernis einer Nachbeschichtung führt.
Die Rechteckkästen sind für manuelles Handling ausgelegt, was durch das beachtli
che Gewicht (25 ÷ 35 kg je gefülltem Kasten) sehr erschwert wird.
Der Artikel "Die Chromdiffusion in Stahl" von W. Katz, WERKSTOFFE UND KORROSI
ON, 4. Jahrgang 1953, Februar 1953, Heft 2, Seiten 49 bis 57, behandelt u. a. das
Pulverpackbeschichten von Stahlbauteilen mit Chrom. Zu beachten ist besonders die
Abb. 9 auf Seite 54, welche zwei torusförmige, koaxial übereinander in einer
Retorte angeordnete Glühgefäße für das Pulverpackbeschichten zeigt. Die Glühgefä
ße sind ohne Deckel ausgeführt und unmittelbar aufeinander gestapelt.
Die DE-AS 20 25 686 betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Diffusionsbe
schichtung von Werkstücken aus Superlegierungen auf Kobalt- oder Nickelbasis.
Dabei werden die Werkstücke in eine Pulvermischung eingebettet, welche bevorzugt
aus Chrom und Aluminium besteht. Die Behälter für die Werkstücke und die Pulver
mischung sind nach Art von oben offenen Kannen ausgeführt und können lose angepasste
Abdeckungen aufweisen. Gemäß Fig. 8 und 9 sind mehrere Behälter neben
einander in einem Ofen angeordnet.
Die EP 0 453 154 A2 beschreibt ein Pulverpackbeschichtungsverfahren, insbesonde
re für Gasturbinenbauteile. In den Fig. 4 und 5 sind torusförmige Ringkästen mit
haubenförmigen Deckeln dargestellt. Die Ringkästen weisen im Boden Öffnungen für
eine vertikale Gasbewegung mit Bodenaustritt auf.
Die DE-AS 16 21 303 betrifft ein Verfahren zur gleichzeitigen Eindiffusion von Cr, Al
und ggf. Si in die Oberfläche hitzebeständiger Metalle. Die Werkstücke und das Be
schichtungspulver sind in topfförmigen Gefäßen (Gehäusen) untergebracht, wobei
mehrere solcher Gefäße in einem Ofen angeordnet und durch - nicht dargestellte -
Kreuzstücke getrennt sein können.
Angesichts dieser Lösungen besteht die Aufgabe der Erfindung darin, eine Anord
nung für das Pulverpackbeschichten von Metallbauteilen anzugeben, welche eine
gleichmäßigere Beschichtung je Behälter und Charge, somit eine niedrigere Nachbe
schichtungsquote, sowie eine reduzierte Prozessgesamtdauer bei den üblichen ho
hen Stückzahlen, d. h. bei mehrfachem Chargieren und Entladen der Retorte ermög
licht, wobei die Anordnung für maschinelles Handling vorgesehen ist.
Diese Aufgabe wird durch die im Hauptanspruch gekennzeichneten Merkmale gelöst,
in Verbindung mit den gattungsbildenden Merkmalen in dessen Oberbegriff.
Das Wesen der Erfindung liegt darin, dass die allseitig geschlossenen Behälter unter
Einschub gasdurchlässiger Abstandshalter konzentrisch übereinander sowie mittig in
der Retorte angeordnet sind, so dass das aufgeheizte Spülgas durch einen äußeren
Ringraum - zwischen Behälteraußenwand und Retortenhaube- sowie durch einen
inneren Kernraum - gemeint ist der Behälterkernquerschnitt - nach oben strömen
kann und dank der Abstandshalter auch an die Behälterböden und -deckel gelangt.
Somit wird ein ausreichendes Verhältnis der freien Behälteroberfläche zum Behälter
volumen, d. h. eine genügend schnelle Aufheizung erreicht. Da die Prozessbedingun
gen an jeder Stelle eines Ringkastens gleich sind, wird eine besonders gleichmäßige,
hochwertige Beschichtung erzielt. Die gegenüber den bekannten - noch schneller
aufheizbaren - Rechteckkästen mäßig höhere Verweilzeit je Charge wird mehr als
ausgeglichen durch die erheblich höhere Teilekapazität sowie die weiteren, genann
ten Vorteile.
In den Unteransprüchen sind bevorzugte Ausgestaltungen der Anordnung gekenn
zeichnet.
Die Erfindung wird anschließend anhand der Zeichnung noch näher erläutert. Diese
zeigt in vereinfachter, mehr schematischer Darstellung einen - vertikalen - Längsmit
telschnitt durch eine Anordnung zum Pulverpackbeschichten mit beladener, ge
schlossener Retorte, wobei die Heizhaube im Halbschnitt dargestellt ist.
Der Prozeß "Pulverpackbeschichten" wird in einer geschlossenen Retorte 2 durchge
führt, welche mit einem Gasspülsystem ausgestattet ist. Das Spülgas nimmt an der
Beschichtungsreaktion nicht teil sondern dient als Wärmeträger und -verteiler. Für
Temperaturen von Raumtemperatur bis etwa 700°C wird vorzugsweise Argon (Ar),
darüber Wasserstoff (H2) verwendet. Beim Aufheizen und anschließenden Abkühlen
erfolgt die Gaszufuhr somit in der Reihenfolge Ar → H2 → Ar. Das Retortenabgas
enthält neben dem eigentlichen Spülgas auch flüchtige Verunreinigungen aus dem
Beschichtungsprozess, da die Beschichtungsbehälter zwar mit Deckeln versehen
aber nicht gasdicht sind. Das verunreinigte Retortenabgas wird daher meist abgefa
ckelt. Die Retorte 2 umfasst zwei Hauptelemente, nämlich eine glockenartige, über
einen Großteil ihrer Höhe kreiszylindrische Retortenhaube 3 und einen die Haube 3
sowie den gesamten Retorteninhalt tragenden Retortensockel 4. Die Retorte 2 ist
bezüglich ihrer vertikalen Längsmittelachse Z zumindest weitgehend rotationssym
metrisch aufgebaut. Die Wärmeübertragung auf die Retortenhaube 3 erfolgt mittels
einer elektrischen Heizhaube 10 durch Strahlung und freie Konvektion. Die Heizhau
be 10 ist innenseitig mit Heizspiralen 12 belegt, wobei der elektrische Anschluß mit
11 angedeutet ist. Außenseitig ist sie mit einer effektiven Wärmedämmung versehen,
um Energieverluste zu minimieren und ihre Umgebung nicht unnötig aufzuheizen. Die
Heizhaube 10 wird üblicherweise mittels Kran über die Retorte 2 gestülpt und von
dieser abgehoben. Der Wärmetransport durch die Wand der Retortenhaube 3 erfolgt
mittels Wärmeleitung, die Wärmeverteilung im Retorteninneren geschieht i. w. mittels
Strahlung und erzwungener Konvektion (Spülgas). Aus Gründen der Temperaturver
teilung/-schichtung bleibt der untere Retortenbereich beschichtungstechnisch un
genutzt und wird - abgesehen von dem hohen Retortensockel 4 - mit Abstandsrohren
8 überbrückt und freigehalten. Die eigentliche Basis für die Beschichtungsbehälter
bildet der Rost 9, welcher etwa in mittlerer Retortenhöhe angeordnet ist. Im Sinne
der gewünschten Spülgasströmung (schwarze Pfeile) münden beide Gaszuführungen
5, 6 austrittsseitig im Sockelbereich, die Gasabführung 7 eintrittsseitig im obersten
Retortenbereich (siehe weiße Pfeile).
Die Behälter sind als torusartige Ringkästen 13 bis 15 ausgeführt, wobei hier drei
Stück konzentrisch mit Abstand übereinander sowie mittig in der Retorte 2 positio
niert sind. Ein direktes Aufeinanderstellen der Ringkästen 13 bis 15 wäre insofern
ungünstig, als dadurch die gasbespülte Oberfläche reduziert würde, was lange Auf
heiz- und Abkühlvorgänge zur Folge hätte. Deshalb sind Abstandshalter 21 und 22
eingelegt, welche sowohl vertikal als auch horizontal, insbesondere radial, gas
durchlässig sind, damit das Spülgas auch von oben und unten an die Ringkästen 13,
14, 15 gelangt sowie von dort wieder abströmen kann. Vergleichbares gilt für den
untersten Rost 9. Dieser und die Abstandshalter 21, 22 sind bevorzugt aus hochkant
stehenden und waben-, blüten-, spiralförmig o. ä. geformten/angeordneten Stahl
bändern zusammengeschweißt, wobei der zentrale Bereich - rund um die Retorten
achse Z - vorteilhaft als freie Durchtrittsöffnung ausgespart und von einem Ringband
umgrenzt ist. Der vertikale Strömungswiderstand solcher Roste/Abstandshalter ist
minimal. Für eine geringe horizontale/radiale Durchströmung genügen u. U. die Spal
te im Kontaktbereich zu den Ringkästen, welche aus Maß- und Formabweichungen
resultieren. Die Roste/Abstandshalter können aber auch gezielt mit Kerben, Ausspa
rungen, Durchbrüchen etc. versehen werden, um definierte Horizontalströmungswe
ge zu schaffen. Solche Maßnahmen liegen im üblichen Ermessen des Fachmannes.
Die rotationssymmetrischen Ringkästen 13 bis 15 weisen, wie zu erkennen ist, im
Axial-Radialschnitt einen rechteckigen Querschnitt auf, so dass sie in einfacher Wei
se aus ebenen und einachsig gekrümmten Blechzuschnitten durch Schweißen her
stellbar sind. Gleiches gilt für die Deckel 16, 17, 18, welche mit nach unten abge
winkelten Innen- und Außenrändern formschlüssig - mit Radialspiel - auf den Ring
kästen 13 bis 15 aufliegen. Der oberste, nur unter seinem geringen Eigengewicht
aufliegende Deckel 16 ist zur besseren Abdichtung/Fixierung mit einem ringförmi
gen Gewicht 23 beschwert. Im Hinblick auf ein maschinelles Handling mittels Kran
sind die Ringkästen mit Ösen 19 oder vergleichbaren Anschlagmitteln versehen, wel
che hier der Einfachheit halber nur am oberen Ringkasten 13 dargestellt sind. Eben
falls nur hier sind das Beschichtungspulver 24 und ein zu beschichtendes Metallbau
teil 25 in Gestalt einer Turbinenschaufel wiedergegeben. Falls ein Ringkasten nur mit
identischen Bauteilen bestückt wird, werden diese in ebenfalls identischer Anord
nung mit möglichst kleinen Abständen gleichmäßig im Kasten verteilt und allseitig
mit Pulver umgeben. Das Beschichtungspulver 24 kann maschinell/halbautomatisch
eingebracht und zusätzlich nachverdichtet werden. Es können aber auch verschie
denartige Teile mit gleichen Beschichtungsparametern in einem Kasten behandelt
werden, wobei symmetrische Verteilungen günstig sein können. Im Hinblick auf eine
präzise Prozesssteuerung ist der Deckel 16 des obersten Ringkastens 13 mit einem
in das Kasteninnere ragenden Führungsrohr 20 für ein Thermoelement 26 ausgestat
tet, um den Temperaturverlauf in unmittelbarer Bauteilnähe zu erfassen. Es kann
sinnvoll sein, alle Deckel 16 bis 18 mit jeweils mindestens einer solchen Messein
richtung auszustatten.
Die Verwendung der erfindungsgemäßen Anordnung für das Pulverpack-
Aluminisieren von Triebwerksbauteilen für Gasturbinen hat real beispielsweise fol
gende Vorteile ergeben, in Relation zur Ausführung mit Rechteckkästen:
- 1. Qualitätsverbesserung:
- a) Die Toleranzbreite der Schichtdickenverteilung innerhalb der Charge wurde um 12 ÷ 19 µm verringert.
- b) die Streuung der Alugehaltswerte wurde um 2 ÷ 3% innerhalb der Charge verringert.
- 2. Kostenersparnis:
Die Beschichtungskosten je Bauteil konnten beispielsweise in einem Fall etwa auf zwei Drittel, in einem anderen Fall sogar etwa auf die Hälfte redu ziert werden.
Claims (4)
1. Anordnung für das Pulverpackbeschichten von Metallbauteilen, insbesondere für
das Pulverpack-Aluminisieren von Schaufeln und Gaskanalelementen von Gas
turbinentriebwerken, mit einer Retorte, welche eine glockenartige Haube auf ei
nem diese tragenden und verschließenden Sockel sowie ein Gasspülsystem für
Ihren Innenraum umfasst, mit einer auf die Retortenhaube passenden Heizhaube
und mit kastenartigen Behältern, welche das Beschichtungspulver und die Me
tallbauteile enthalten, mit Deckeln versehen sind und in mehreren Lagen über
einander im mittleren bis oberen Retortenbereich positioniert sind, wobei jeder
Behälter als torusförmiger, rotationssymmetrischer Ringkasten mit einem - unter
Einbezug des Deckels - zumindest großteils einer Rechteckform entsprechenden
Axial-Radial-Querschnitt sowie mit einem in Relation zum Innendurchmesser der
Retortenhaube kleineren Außendurchmesser ausgeführt ist, und wobei die Ring
kästen fluchtend übereinander sowie mittig im Retorteninneren positioniert sind,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Ringkästen (13, 14, 15) mit ihren Deckeln (16, 17, 18) allseitig geschlos
sene Behälter bilden, welche mit jeweils dazwischen angeordneten, gasdurchläs
sigen Abstandshaltern (21, 22) im Retorteninneren positioniert sind.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß drei Ringkästen
(13, 14, 15) übereinander positioniert sind, daß die Abstandshalter (21, 22) zwi
schen den Ringkästen (13, 14, 15) als horizontal und vertikal gasdurchlässige, blü
tenartige Roste ausgeführt sind, daß der unterste Ringkasten (15) auf einem gas
durchlässigen, wabenartigen Rost (9) liegt, welcher von mindestens drei am Re
tortensockel (4) befestigten, vertikalen Abstandsrohren (8) in definierter Höhe ge
halten wird, und daß auf dem Deckel (16) des obersten Ringkastens (13) ein ring
förmiges Gewicht (23) liegt.
3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringkä
sten (13, 14, 15) einschließlich der Deckel (16, 17, 18) als Schweißkonstruktionen
aus Stahlblech ausgeführt sind, insbesondere aus Baustahl St 37, und mit Haken,
Ösen (19) o. ä. für eine maschinelle Handhabung, vorzugsweise mittels Kran, versehen
sind, und daß mindestens ein Deckel (16) mit wenigstens einem in das Ka
steninnere reichenden Führungsrohr (20) für ein Thermoelement (26) versehen
ist.
4. Anordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Retorte (2) je eine separate Gaszuführung (5, 6) für Argon (Ar)
und Wasserstoff (H2) durch den Retortensockel (4) mit Austritt im unteren Retor
tenbereich sowie eine Gasabführung (7) durch den Retortensockel (4) mit Eintritt
im oberen Retortenbereich aufweist.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE1998148888 DE19848888C2 (de) | 1998-10-23 | 1998-10-23 | Anordnung für das Pulverpackbeschichten |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE1998148888 DE19848888C2 (de) | 1998-10-23 | 1998-10-23 | Anordnung für das Pulverpackbeschichten |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE19848888A1 DE19848888A1 (de) | 2000-04-27 |
DE19848888C2 true DE19848888C2 (de) | 2003-08-21 |
Family
ID=7885392
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE1998148888 Expired - Lifetime DE19848888C2 (de) | 1998-10-23 | 1998-10-23 | Anordnung für das Pulverpackbeschichten |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE19848888C2 (de) |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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DE2025686B2 (de) * | 1970-05-21 | 1974-07-04 | Avco Corp., Cincinnati, Ohio (V.St.A.) | Verfahren und Vorrichtung zur Diffusionsbeschichtung von Werkstücken aus Superlegierungen |
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-
1998
- 1998-10-23 DE DE1998148888 patent/DE19848888C2/de not_active Expired - Lifetime
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Non-Patent Citations (1)
Title |
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KATZ, W.: "Die Chromdiffusion in Stahl", "Werkstoffe und Korrosion" 1953, Heft 2, S. 54 * |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
DE19848888A1 (de) | 2000-04-27 |
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