DE19959378B4

DE19959378B4 - Coating process for magnesium alloy components

Info

Publication number: DE19959378B4
Application number: DE1999159378
Authority: DE
Inventors: Reinhold Meier; Katja Dr. Tangermann; Steffen Dr. Nowotny
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; MTU Aero Engines GmbH
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1999-12-09
Filing date: 1999-12-09
Publication date: 2005-03-03
Anticipated expiration: 2019-12-10
Also published as: DE19959378A1

Abstract

Beschichtungsverfahren für Bauteile aus Magnesiumlegierungen zur Erzeugung von fest haftenden Metallschichten aus einem Werkstoff auf Basis eines von Magnesium verschiedenen, metallischen Elements, dadurch gekennzeichnet, dass
A) als Werkstoff für die jeweils zu erzeugende Metallschicht (2) eine Nickel-Basislegierung verwendet wird, und dass
B) der Werkstoff in Pulverform (5) auf das Bauteil (1) aufgetragen sowie mittels Laser-Pulver-Auftragschweissen aufgeschmolzen und ohne tiefreichendes Anschmelzen der Bauteiloberfläche mit dem Bauteilwerkstoff metallurgisch verbunden wird, wobei das Laser-Pulver-Auftragschweissen als einstufiges Verfahren mit kontinuierlicher Zufuhr des Werkstoffs für die Metallschicht (2) in Pulverform (5) mittels eines Gasstroms durchgeführt wird.Coating process for magnesium alloy components for producing firmly adhering metal layers of a material based on a metallic element other than magnesium, characterized in that
A) is used as a material for the respective metal layer to be produced (2), a nickel-based alloy, and that
B) the material in powder form (5) applied to the component (1) and melted by laser powder deposition welding and metallurgically bonded without deep melting of the component surface with the component material, wherein the laser powder deposition welding as a one-step process with continuous feed of the material for the metal layer (2) in powder form (5) is carried out by means of a gas flow.

Description

Die Erfindung betrifft ein Beschichtungsverfahren für Bauteile aus Magnesiumlegierungen zur Erzeugung von fest haftenden Metallschichten, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The The invention relates to a coating method for magnesium alloy components for the production of firmly adhering metal layers, according to the preamble of claim 1

Magnesiumlegierungen eignen sich aufgrund ihres sehr geringen spezifischen Gewichts und ihres niedrigen E-Moduls für Leichtbauteile, welche bei mäßigen mechanischen Belastungen sowie bei mäßigen Einsatztemperaturen ein hohes Arbeitsaufnahmevermögen besitzen und somit unempfindlich gegenüber kurzzeitigen, schlagartigen Belastungen sowie gegenüber größeren Verformungen sind. Als Anwendungsbeispiele seien Gehäuseelemente von Getrieben und Verbrennungsmotoren sowie Felgen von Flugzeugen und Sportfahrzeugen genannt. Da Magnesium (Mg) elektrochemisch ein besonders „unedles" Metall darstellt, können sich bei seiner konstruktiven Anwendung erhebliche Korrosionsprobleme ergeben, vor allem in Kontakt mit „edleren" Metallen in Anwesenheit eines Elektrolyten, wie beispielsweise Salzwasser. Hier erhebt sich die Forderung nach fest haftenden, dichten Beschichtungen zum Zweck eines effektiven Korrosionsschutzes. Die Oberflächen von Magnesiumbauteilen sind relativ weich und wenig verschleißfest. Somit ergibt sich das Bedürfnis, Bauteiloberflächen zumindest bereichsweise mit erheblich härteren bzw. verschleißfesteren Oberflächenschichten zu versehen, d.h. mit „Panzerungen" im weitesten Sinne. Weitere, durch Beschichtungen lösbare Problemstellungen sind das Ausgleichen geringer Maßabweichungen (Untermaß) durch Materialauftrag sowie die Beseitigung/Reparatur lokaler Fehlstellen, d.h. von Dellen, Kerben, Riefen, Ausbrüchen, Lunkern etc., ebenfalls durch Materialauftrag.magnesium alloys are suitable because of their very low specific gravity and their low modulus for Lightweight components, which in moderate mechanical Loads as well as at moderate temperatures a high work capacity own and thus insensitive to short-term, sudden Loads as well as opposite larger deformations are. As application examples are housing elements of gears and Combustion engines and rims of aircraft and sports vehicles called. Since magnesium (Mg) electrochemically represents a particularly "base" metal, can in its constructive application significant corrosion problems especially in contact with "nobler" metals in the presence of an electrolyte, such as salt water. Here the demand rises firmly adhering, dense coatings for the purpose of effective Corrosion protection. The surfaces of magnesium components are relatively soft and less resistant to wear. Consequently there is a need component surfaces at least in some areas with considerably harder or more wear-resistant surface layers to be provided, i. with "armor" in the broadest sense. Further, soluble by coatings Problems are the balancing of small deviations (Undersize) by material application as well as the removal / repair of local defects, i.e. of dents, notches, grooves, eruptions, voids, etc., also by Material application.

Es ist üblich, Magnesiumbauteile zu lackieren bzw. mit Kunstharzsystemen, ggf. mit Füllstoffen, zu überziehen. Damit läßt sich ein akzeptabler Korrosionsschutz erzielen, die mechanische und thermische Belastbarkeit solcher Schichten ist aber sehr begrenzt. Eine gute Haftung wird nur durch eine aufwendige Oberflächenvorbehandlung unter Entfernung von Oxidschichten, Verunreinigungen, Korrosionsansätzen, Vorbeschichtungen usw. erzielt. Es ist weiter bekannt, Magnesiumbauteile durch Chromatieren bzw. Anodisieren oberflächlich zu passivieren. Die so erzeugten Schutzschich ten sind sehr dünn und i.w. nur als Korrosionsschutz geeignet. Eine galvanische Beschichtung von Teilen aus Magnesiumlegierungen ist sehr problematisch, u.a. deshalb, weil Magnesium als „unedles" Metall sehr leicht angegriffen wird und häufig Verunreinigungen enthält, welche, falls sie an der Bauteiloberfläche liegen, örtlich eine geschlossene, fest haftende Beschichtung erschweren bzw. verhindern. Ein im Triebwerksbau häufig verwendetes Beschichtungsverfahren ist das thermische Spritzen einschließlich des Metallspritzens. Im Falle von Magnesiumlegierungen ist es schwierig, eine gute Haftung der Spritzschicht ohne nachteilige Beeinflussung der Bauteiloberfläche zu erzielen. Dabei ist besonders der niedrige Schmelzpunkt von Magnesiumlegierungen zu beachten sowie ggf. das lokale Vorhandensein von Magnesiumoxid mit einem deutlich höheren Schmelzpunkt.It is common, To paint magnesium components or with synthetic resin systems, if necessary with fillers, to coat. This can be achieve an acceptable corrosion protection, the mechanical and thermal Loading capacity of such layers is very limited. A good Adhesion is only possible through a complex surface preparation under removal of oxide layers, impurities, corrosion, precoat etc. achieved. It is also known that magnesium components by chromating or anodizing superficially to passivate. The protective layers thus produced are very thin and i.w. only suitable as corrosion protection. A galvanic coating of magnesium alloy parts is very problematic, i.a. because magnesium is very light as a "base" metal is attacked and often Contains impurities, which, if they lie on the component surface, locally a closed or firmly adhering coating complicate or prevent. A common in engine construction used coating method is the thermal spraying including the Metal spraying. In the case of magnesium alloys, it is difficult a good adhesion of the sprayed layer without adversely affecting the component surface to achieve. In particular, the low melting point of magnesium alloys is to pay attention and possibly the local presence of magnesium oxide with a much higher one Melting point.

Es ist weiterhin bekannt, einen schichtartigen Metallauftrag auf einem metallischen Bauteil durch Auftragschweissen zu fertigen. So schützt die DE 195 47 903 C1 ein Verfahren zur Herstellung oder Instandsetzung von Schaufeln für Turbomaschinen mittels Laser-Pulver-Auftragschweissen unter Verwendung einer Stützform.It is also known to manufacture a layered metal coating on a metallic component by deposition welding. That's how it protects you DE 195 47 903 C1 a method for making or repairing blades for turbomachinery by laser powder deposition welding using a support mold.

Dabei wird eine Schaufelspitze mit radialem Untermaß mit einer radial vorstehenden Stützform aus Blech umgeben, wobei letztere mit einer Kunststoffumspritzung fixiert wird. In die Vertiefung innerhalb der Stützform mit der Schaufelspitze als „Boden" wird ein Metallpulverstrahl geleitet, dort mittels Laserenergie aufgeschmolzen und mit der Schaufelspitze metallurgisch verbunden. Alternativ kann das mit einem Binder vermischte Metallpulver vorab auf die Schaufelspitze aufgetragen und danach unter Verdampfen des Binders mittels Laser aufgeschmolzen werden. Im Sinne einer Panzerung können zusätzliche Hartstoffpartikel in die aufgetragene Metallschicht eingebettet werden. Im Hinblick auf eine optimale Schweissverbindung besteht das aufzutragende Metallpulver bevorzugt aus der selben oder zumindest einer basisgleichen Legierung wie die Schaufel selbst. Häufig kommen temperaturbeständige Werkstoffe auf Nickel- (Ni) oder Kobaltbasis (Co) zur Anwendung. Es gibt keine Hinweise auf eine Anwendung dieses Beschichtungsverfahrens bei niedrigschmelzenden Leichtmetallen.there is a blade tip with radial undersize with a radially projecting Support form off Sheet metal surrounded, the latter fixed with a plastic extrusion becomes. Into the depression inside the support form with the blade tip as "soil" is a metal powder jet passed there, melted there by means of laser energy and metallurgical with the blade tip connected. Alternatively, the mixed with a binder metal powder applied in advance on the blade tip and then with evaporation of the binder are melted by laser. In the sense of Armor can additional Hard material particles embedded in the applied metal layer become. With regard to an optimal welding connection exists the metal powder to be applied preferably from the same or at least a base-like alloy like the blade itself. Often come temperature resistant Materials based on nickel (Ni) or cobalt (Co) are used. There is no evidence for an application of this coating method for low-melting light metals.

Die DE 27 40 569 B2 betrifft ein Verfahren zum Legieren von ausgewählten Teilbereichen der Oberflächen von Gegenständen.The DE 27 40 569 B2 relates to a method of alloying selected portions of the surfaces of objects.

Dabei wird die jeweilige Oberfläche mit einem Hochenergiestrahl aufgeschmolzen, und ein Legierungsmetall, das intermetallische Verbindungen mit dem Werkstoff des Gegenstandes bildet, in die Schmelzzone eingeführt. In der geschmolzenen Zone beträgt das Verhältnis Legierungsmetall zu aufgeschmolzenem Werkstoff des Gegenstandes vorzugsweise zwischen 1:1 und 1:20. Somit liegt der Anteil des Bauteilwerkstoffes in der Oberfläche bei 50% oder auch weit darüber. Dabei handelt es sich um Gegenstände auf Basis von Aluminium, Magnesium, Kupfer und Zink, als Legierungsmetalle für Aluminiumgegenstände werden Kupfer, Mangan, Chrom, Zink, Kobalt, Magnesium, Molybdän, Titan, Vanadium, Wolfram, Zirkonium, Eisen, Nickel und Silizium genannt. Dem Verfahren liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Legierungsweise zur Erzielung einer Einsatzhärtung von Metallgegenständen zu erreichen. Als Legierungsmetalle für Magnesium werden konkret Zink, Seltene Erden, Zirkonium, Mangan und Aluminium genannt, nicht jedoch Nickel. Die Herstellung einer Oberfläche, die frei vom Werkstoff des Bauteils ist, ermöglicht dieses Verfahren nicht. Das Legierungsmetall soll in Pulverform vorab auf den Gegenstand aufgebracht werden, z.B. durch Plasmaspritzen oder mit einem Klebeharz, und wird anschließend mittels Laserstrahl aufgeschmolzen (zweistufiges Verfahren). Alternativ soll das Legierungsmetall als Draht oder Folie zugeführt und gleichzeitig mittels Laserstrahl aufgeschmolzen werden (einstufiges Verfahren).In this case, the respective surface is melted with a high energy beam, and an alloying metal, which forms intermetallic compounds with the material of the article, introduced into the molten zone. In the molten zone, the ratio of alloying metal to molten material of the article is preferably between 1: 1 and 1:20. Thus, the proportion of the component material in the surface is 50% or even far above. These are objects based on aluminum, magnesium, copper and zinc, as alloying metals for aluminum objects are copper, manganese, chromium, zinc, cobalt, magnesium, molybdenum, titanium, vanadium tungsten, zirconium, iron, nickel and silicon. The method has the object of achieving an improved alloying method for achieving case hardening of metal objects. As alloying metals for magnesium are specifically zinc, rare earths, zirconium, manganese and aluminum, but not nickel. The production of a surface which is free of the material of the component does not allow this method. The alloying metal should be applied in powder form in advance on the object, for example by plasma spraying or with an adhesive resin, and is then melted by means of a laser beam (two-stage process). Alternatively, the alloy metal should be supplied as a wire or foil and simultaneously melted by means of a laser beam (single-stage method).

Die DE 28 13 707 A1 betrifft ebenfalls ein Verfahren zur Herstellung einer Oberflächenmantelschicht aus einer Legierung, bei dem auf ein Metallsubstrat eine Schicht aufgebracht, mit einem Laserstrahl die Beschichtung und das Substrat bis zu einer gewissen Tiefe aufgeschmolzen und eine eutektische Legierung aus dem Beschichtungsmaterial und dem Substratmetall erzeugt wird, die an das Substrat diffusionsgebunden ist. Die Konzentration des Beschichtungsmaterials ist in der Legierung zur Oberfläche hin höher, jedoch ist auch hier Substratmetall an der Oberfläche vorhanden. Bei dem Substrat soll es sich um Aluminium oder Magnesium oder eine Legierung beider Elemente handeln. Bei dem Beschichtungsmaterial kann es sich u.a. um Nickel, Chrom, Silizium und Bor handeln, neben einer Reihe weiterer genannter Elemente. Hinsichtlich der Legierungsbildung wird wörtlich gesagt: „Die Schmelzbedingungen werden kontrolliert, um eine Zwangsdurchmischung und eine konvektive Strömung des geschmolzenen Beschichtungsmaterials und des geschmolzenen Substratmaterials zu erreichen." Die konkreten Beispiele beziehen sich auf das oberflächliche Legieren von Aluminiumbauteilen mit Silizium. Das Beschichtungspulver wird z.B. durch Flamm- oder Plasmaspritzen bzw. mit einem Binder vorab aufgebracht und anschließend mittels Laser aufgeschmolzen, so dass es sich um ein zweistufiges Verfahren handelt. Die Oberflächenbehandlung von Magnesium wird nicht im Detail erläutert.The DE 28 13 707 A1 also relates to a method for producing an alloy surface-cladding layer, in which a layer is applied to a metal substrate, the coating and the substrate are melted to a certain depth with a laser beam, and a eutectic alloy of the coating material and the substrate metal is produced the substrate is diffusion bonded. The concentration of the coating material is higher in the alloy toward the surface, but substrate metal is also present on the surface. The substrate should be aluminum or magnesium or an alloy of both elements. The coating material may include nickel, chromium, silicon and boron, among a number of other named elements. Regarding alloy formation, it is literally said: "Melting conditions are controlled to achieve forced mixing and convective flow of the molten coating material and the molten substrate material." The concrete examples relate to superficial alloying of aluminum components with silicon Flame or plasma spraying or pre-applied with a binder and then melted by laser, so that it is a two-stage process The surface treatment of magnesium is not explained in detail.

Die DE 35 17 077 C1 schützt ein Verfahren zum Panzern der Ventilsitzfläche eines Gaswechselventils für eine Brennkraftmaschine. Als Panzermaterial wird eine Nickel- bzw. Kobaltbasis-Superlegierung verwendet. Auf die Übergangsstellen zum Ventilgrundmaterial werden Schutzschichten aufgebracht, z.B. durch Flammspritzen oder als Pulver mit Binder, und anschließend aufgeschmolzen, vorzugsweise mit einem Laserstrahl. Das Ventilgrundmaterial muss ebenfalls thermisch hoch belastbar sein, wofür weder Aluminium noch Magnesium in Frage kommen. Auch hier erfolgt eine Legierungsbildung mit dem Ventilgrundmaterial. Hierzu heißt es: „Diese Schutzschichten 12 und 13 bestehen aus einem umgeschmolzenen Material, das sich aus dem Material der Schichten 10 und 11 sowie dem den Ventilsitz bildenden Panzermaterial 3 und dem Ventilgrundmaterial zusammensetzt.". Bezüglich der Schutzschichten handelt es sich auch hier um ein zweistufiges Verfahren mit entsprechendem Aufwand und Zeitbedarf.The DE 35 17 077 C1 protects a method for arming the valve seat surface of a gas exchange valve for an internal combustion engine. As armor material, a nickel or cobalt base superalloy is used. On the transition points to the valve base material protective layers are applied, for example by flame spraying or as a powder with binder, and then melted, preferably with a laser beam. The valve base material must also be highly thermally stable, for which neither aluminum nor magnesium come into question. Here, too, alloy formation takes place with the valve base material. It says: "These protective layers 12 and 13 consist of a remelted material, made up of the material of the layers 10 and 11 as well as the valve seat forming tank material 3 and the valve base material. "With regard to the protective layers, this is also a two-stage process with corresponding expenditure and time required.

Die Patentschrift DE 195 08 687 C2 schützt ein Verfahren zur Herstellung einer verschleißfesten Beschichtung auf einer Zylinderinnenwand einschließlich einer Anwendung des Verfahrens zur Herstellung eines Motorblocks aus Aluminiumlegierung. Dabei kommt ein thermisches Spritzverfahren in Form eines Plasmaspritzens zur Anwendung, bei dem die Spitze einer rotierenden Stange aus Beschichtungsmetall abgeschmolzen, und die entstehenden Tröpfchen durch Zentrifugalwirkung und Plasmaenergie auf die Zylinderbohrung aufgespritzt werden und sich mit dieser metallurgisch verbinden. Dabei erfolgt ein wirkliches Beschichten ohne relevante Durchmischung des Beschichtungsmetalles mit dem Zylindermetall. Die Anwendung des Verfahrens ist jedoch i.w. auf rotationssymmetrische Innenkonturen beschränkt. Gemäß dem auf Anspruch 1 rückbezogenen Unteranspruch 10 wird – zusätzlich zum Plasmabrenner – ein Laser im Zylinder angeordnet und ein Laserstrahl zum Schmelzen des Stangenendes auf die Stange gerichtet. Der Laser ist somit nur eine zusätzliche Heizquelle für die Tröpfchenbildung und wirkt nicht auf die zu beschichtende Oberfläche ein. Bevorzugte Beschichtungsmetalle sind Stahl und Gusseisen, die Zylinderwand besteht in der Regel aus Aluminiumlegierung. Die Patentschrift nennt als Stand der Technik u.a. den NIKASIL-Prozess, bei dem galvanisch Siliziumcarbidpartikel in einer Nickelmatrix abgeschieden werden. Die Schrift gibt weiter den allgemeinen Hinweis, die abzuschmelzende Stange aus anderen Metallen oder leitfähigen Verbundmaterialien herzustellen, ohne jedoch konkrete Beispiele zu nennen.The patent DE 195 08 687 C2 discloses a method for producing a wear resistant coating on a cylinder inner wall including an application of the method of manufacturing an aluminum alloy engine block. In this case, a thermal spraying method in the form of a plasma spraying is used, in which the tip of a rotating rod of coating metal is melted, and the resulting droplets are sprayed by centrifugal action and plasma energy to the cylinder bore and connect to this metallurgically. This is a real coating without relevant mixing of the coating metal with the cylinder metal. However, the application of the method is iw limited to rotationally symmetrical inner contours. According to the dependent claim on claim 1 10 In addition to the plasma torch, a laser is placed in the cylinder and a laser beam is directed at the rod to melt the rod end. The laser is thus only an additional source of heat for droplet formation and does not affect the surface to be coated. Preferred coating metals are steel and cast iron, the cylinder wall is usually made of aluminum alloy. Among other things, the patent mentions, among other things, the NIKASIL process, in which silicon carbide particles are deposited in a nickel matrix. The document further provides the general advice to produce the rod to be milled from other metals or conductive composite materials, without, however, giving concrete examples.

Die Patentschrift US 4 401 726 betrifft die Erzeugung von Oberflächenschichten mit z.B. höherer Verschleißfestigkeit und Härte auf niedrigschmelzenden Metallen und Legierungen, insbesondere auf Aluminium- und Magnesiumbasis. Als Beschichtungsmetall wird, unter vielen anderen, Nickel genannt. Mittels Laserstrahl wird das oberflächlich aufgetragene Metall vollständig, das Grundmetall teilweise aufgeschmolzen. Der Prozess wird so gesteuert, dass die Metalle vermischt und legiert werden. Siehe beispielsweise den letzten Absatz von Anspruch 1: „... the process being controlled to induce a substantial mixing of the entirely melted coating and melted substrate layer...", siehe Spalte 1, Zeilen 44 bis 48: „... blending high melting point surface coating with a lower melting substrate to produce a modified surface in a high volume percentage, i.e. including above 50 % of high melting coating material." oder siehe Spalte 2, Zeilen 34 bis 36: „The conditions of melting are controlled to induce forced mixing and convective flow of the melted coating material and melted substrate material." Hier handelt es sich also um ein Oberflächenlegieren und nicht um einen Schichtauftrag mit relativ klaren Werkstoffgrenzen.The patent U.S. 4,401,726 relates to the production of surface layers with, for example, higher wear resistance and hardness on low-melting metals and alloys, in particular aluminum and magnesium-based. The coating metal is, among many others, called nickel. By means of a laser beam, the superficially applied metal is completely melted, the base metal is partially melted. The process is controlled so that the metals are mixed and alloyed. See for example the last paragraph of claim 1: "... the process being controlled to induce a substantial mixing of the totally melted coating and melted substrate layer ...", see column 1, lines 44 to 48: "... blending High melting point surface coating or in column 2, lines 34 to 36: "The conditions of melting are controlled to induce mixing and convective flow of the melted coating material and melted substrate material. " So here it is a surface alloying and not a layer application with relatively clear material boundaries.

Die Patentschrift DE 26 39 325 C3 schützt die Verwendung einer definierten Nickel-Basislegierung. Die Legierung soll als Verschleißschutz auf die Sitzflächen von Ventilen in Kraftwerken, auf Extruderschnecken etc. aufgeschweißt werden. Zu den Schweißverfahren heißt es in Spalte 4, Zeilen 63 bis 67: „Die erfindungsgemäß zu verwendende Legierung eignet sich in Pulverform insbesondere für das Plasmaschweißen und – spritzen sowie für das Flamm- und Schockspritzen, für das Gas-Pulver-Auftragschweißen und für das Spritzschweißen".The patent DE 26 39 325 C3 protects the use of a defined nickel base alloy. The alloy is to be welded on the seating surfaces of valves in power plants, on extruder screws etc. as wear protection. The welding process states in column 4, lines 63 to 67: "The alloy to be used according to the invention is suitable in powder form, in particular for plasma welding and injection as well as for flame and shock spraying, for gas-powder build-up welding and for spray welding ".

Es gibt somit keine Hinweise auf das Laserbeschichten bzw. auf das Beschichten von Leichtmetallen wie Magnesium.It Thus, there are no indications of the laser coating or on the Coating of light metals such as magnesium.

Die Offenlegungsschrift DE 38 00 902 A1 betrifft eine korrosionsbeständige Legierung auf Nickelbasis für das Auftragschweißen, insbesondere auf Zylinderbohrungen von Dieselmotoren, bei denen es auch auf Korrosionsbeständigkeit ankommt. Als Grundwerkstoffe werden konkret Gusseisen, Stahl und Aluminium bzw. Aluminiumlegierungen genannt.The publication DE 38 00 902 A1 relates to a corrosion-resistant nickel-based alloy for build-up welding, in particular cylinder bores of diesel engines, which also depends on corrosion resistance. The basic materials are cast iron, steel and aluminum or aluminum alloys.

Das in der Schrift genannte Beispiel 1 sieht das Auftragschweißen mit einem Laserstrahl auf einen Grundwerkstoff aus Grauguss vor. Es ist davon auszugehen, dass es auch hier zu einer Legierungsbildung kommt. In dieser Schrift gibt es keine Hinweise auf Magnesium als Grundmaterial.The Example 1 mentioned in the specification provides for buildup welding a laser beam on a base material made of gray cast iron. It It can be assumed that this is also an alloy formation comes. There is no evidence of magnesium in this document Base material.

Angesichts dieser bekannten Lösungen und ihrer Nachteile bzw. Beschränkungen besteht die Aufgabe der Erfindung darin, ein Beschichtungsverfahren für Bauteile aus Magnesiumlegierungen bereitzustellen, mit dem sowohl örtliche als auch flächige Beschichtungen in variabler Dicke als Korrosionsschutz, zur Steigerung der Oberflächenhärte und Verschleißfestigkeit sowie für Reparatur- und Nacharbeitsschritte einschließlich der Beseitigung von Untermaß möglich sind, wobei als Beschichtungsbasis ein von Magnesium verschiedenes, metallisches Element verwendet werden soll.in view of these known solutions and their disadvantages or limitations the object of the invention is a coating process for components magnesium alloys, with which both local and as well as areal Coatings of variable thickness as corrosion protection, to increase the surface hardness and wear resistance also for Repair and rework steps including the removal of undersize are possible, wherein as coating base a non-magnesium, metallic Element should be used.

Diese Aufgabe wird durch die in Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale A und B gelöst, in Verbindung mit den gattungsbildenden Merkmalen in dessen Oberbegriff. Das Wesen der Erfindung liegt also darin, dass eine Nickel-Basislegierung mittels Laser-Pulver-Auftragschweissen in einem einstufigen Verfahren auf ein Magnesiumbauteil aufgebracht wird. Dies ist für den Fachmann zunächst insofern überraschend, als dabei zwei Legierungen mit stark unterschiedlichen Schmelzpunkten verschweißt werden. Die Schmelztemperatur von Magnesium liegt bei etwa 650°C, diejenige von Nickel bei etwa 1450°C. Die Schmelztemperaturen von zur Beschichtung geeigneten Nickel-Basislegierungen reichen von über 900°C bis etwa 1400°C.These The object is achieved by the features A characterized in claim 1 and B solved, in conjunction with the generic features in its generic term. The essence of the invention is therefore that a nickel-based alloy by laser powder deposition welding in a one-step process is applied to a magnesium component. This is for the expert first insofar surprising, as doing two alloys with very different melting points welded become. The melting temperature of magnesium is about 650 ° C, the one of nickel at about 1450 ° C. The melting temperatures of nickel-base alloys suitable for coating range from about 900 ° C to about 1400 ° C.

Im Vorfeld der vorliegenden Erfindung wurden tatsächlich erst Beschichtungsmetalle untersucht, deren Schmelzpunkte sehr nahe oder zumindest näher am Schmelzpunkt von Magnesium liegen, als die besagter Ni-Basislegierungen. Im Detail handelte es sich um Reinaluminium und eine Al-Basislegierung sowie um zwei Kupfer-Basislegierungen, wovon eine mit Zink legiert war (Messing), die andere mit Zinn (Bronze). Die Schmelzpunkte dieser Metalle lagen in einem Bereich von etwa 580°C bis 1080°C. Aufgrund diverser metallurgischer Effekte war das Laser-Pulver-Auftragschweissen dieser Werkstoffe nicht erfolgreich. Bei den Al-Werkstoffen gab es Probleme mit hoher Porosität und teilweise schlechter Benetzung der Mg-Legierung, Messing ließ sich praktisch überhaupt nicht auftragen, bei Bronze war entweder die Anbindung schlecht, oder der Mg-Grundwerkstoff wurde sehr stark angeschmolzen, wobei die Schichten durch hohe Porosität und Rißempfindlichkeit gekennzeichnet waren.in the The apron of the present invention actually became coating metals whose melting points are very close or at least closer to the melting point of magnesium, as the said Ni-base alloys. In detail it was pure aluminum and an Al-based alloy as well two copper-based alloys, one of which was alloyed with zinc (brass), the other with tin (bronze). The melting points of these metals were in a range of about 580 ° C to 1,080 ° C. by virtue of various metallurgical effects was laser powder deposition welding these materials unsuccessful. For the Al materials gave there are problems with high porosity and sometimes poor wetting of the Mg alloy, brass was virtually eliminated at all not apply, in bronze either the connection was bad, or the Mg-base material was very strongly fused, wherein the layers by high porosity and crack sensitivity were marked.

Trotz dieser entmutigenden Ergebnisse wurden ergänzende Versuche mit zwei Ni-Basislegierungen gefahren, welche überraschenderweise zum Erfolg führten. Konkret handelte es sich um die Legierungen NiBSi-20 und NiCrBSi-22 mit Schmelztemperaturen zwischen 940°C und 1370°C. Trotz dieser hohen Schmelztemperaturen konnten dichte, fest haftende Schichten auf der Magnesiumlegierung erzeugt werden. Kleine anfängliche Fehler und Inhomogenitäten ließen sich durch Anpassung bzw. Variation der Prozeßparameter beheben. Ein weiteres, unerwartetes Ergebnis bestand darin, daß die erzeugten Ni-Schichten eine erheblich höhere Härte aufwiesen, als die selben Ni-Basislegierungen in Pulverform. Dies wird auf die hohe Abkühlgeschwindigkeit beim Laserbeschichten zurückgeführt. Somit wird in der Erfindung ein erfolgversprechender Ansatz zur Lösung der Beschichtungsprobleme bei Magnesiumlegierungen gesehen.In spite of These discouraging results were complementary experiments with two Ni-base alloys drove, which surprisingly led to success. Specifically, these were the alloys NiBSi-20 and NiCrBSi-22 with melting temperatures between 940 ° C and 1370 ° C. Despite these high melting temperatures could dense, firmly adhering layers on the magnesium alloy be generated. Small initial Errors and inhomogeneities could Remedy by adapting or varying the process parameters. Another, unexpected Result was that the produced Ni layers had a considerably higher hardness than the same Ni-based alloys in powder form. This is due to the high cooling rate returned during laser coating. Thus, will in the invention, a promising approach to solve the Coating problems seen with magnesium alloys.

Die chemischen Zusammensetzungen einer der beiden Nickelbasislegierungen sowie der untersuchten Magnesiumbasislegierung in Gewichts-% sind wie folgt: NiCrBSi-22: Cr 1,2 Si 2,5 B 1,3 Ni Rest Magnesiumlegierung ZRE 1: Cu 0,03 Fe 0,01 Mn 0,15 Ni 0,005 Si 0,01 Zn 2,0 ÷ 3,0 Zr 0,1 ÷ 1,0 seltene Erden 2,5 ÷ 4,0 Mg Rest The chemical compositions of one of the two nickel-base alloys and the examined magnesium-based alloy in% by weight are as follows: NiCrBSi 22: Cr 1.2 Si 2.5 B 1.3 Ni rest Magnesium alloy ZRE 1: Cu 0.03 Fe 0.01 Mn 0.15 Ni 0.005 Si 0.01 Zn 2.0 ÷ 3.0 Zr 0.1 ÷ 1.0 rare earth 2.5 ÷ 4.0 mg rest

In den Unteransprüchen sind bevorzugte Ausgestaltungen des Beschichtungsverfahrens nach dem Hauptanspruch gekennzeichnet.In the dependent claims are preferred embodiments of the coating method according to Main claim.

Die Erfindung wird anschließend anhand der Zeichnungen noch näher erläutert. Dabei zeigen:The Invention will follow closer to the drawings explained. Showing:

1 in stark vereinfachter, nicht maßstäblicher Darstellung die im Beschichtungsbereich zusammenwirkenden Elemente, 1 in a greatly simplified, not to scale representation, the elements cooperating in the coating area,

2 in stark vergrößerter Darstellung einen realen Schnitt durch ein beschichtetes Probebauteil im Oberflächenbereich. 2 in a greatly enlarged view a real section through a coated sample component in the surface area.

Das zu beschichtende Bauteil 1 besteht aus einer Magnesiumlegierung, beispielsweise aus der auch im Triebwerksbau verwendeten Legierung ZRE 1 (MSRR 8013).The component to be coated 1 consists of a magnesium alloy, for example of the alloy ZRE 1 (MSRR 8013), which is also used in engine construction.

Die zu bearbeitende Oberfläche des Bauteils 1 sollte weitestgehend metallisch „blank" sein, was durch übliche Vorbehandlungsschritte, wie Schleifen, Strahlen, Entfetten mit Lösungsmittel usw. erreicht wird. Häufig ist zuerst ein korrosionsinhibierender Schutzlack zu entfernen.The surface of the component to be machined 1 should be largely metallic "bright", which is achieved by conventional pre-treatment steps, such as grinding, blasting, degreasing with solvents, etc. Often, a corrosion-inhibiting protective lacquer must first be removed.

Im dargestellten Beispiel wird eine flächige Metallschicht 2 auf eine intakte Oberfläche aufgetragen, beispielsweise als Korrosionsschutz, als Verschleißschutz/Panzerung oder als Maßkorrekturschicht zur Beseitigung von Untermaß. Die Metallschicht 2 besteht zumindest großteils aus einer Nickel-Basislegierung, welche mittels einer Düse 4 als trockenes Pulver 5 in den Schweissbereich eingebracht wird. Trägermedium für das Pulver 5 ist vorzugsweise ein inerter, kontinuierlicher Gasstrom, z.B. ein Argonstrom. Die für das Schweissen erforderliche, lokal konzentrierte Wärmezufuhr ermöglicht eine Laserquelle 3, z.B. ein CO₂-Laser mit einer Wellenlänge von 10,6 μm.In the example shown, a flat metal layer 2 applied to an intact surface, for example as corrosion protection, as wear protection / armor or as a Maßkorrekturschicht to eliminate undersize. The metal layer 2 consists at least in large part of a nickel-based alloy, which by means of a nozzle 4 as a dry powder 5 is introduced into the welding area. Carrier medium for the powder 5 is preferably an inert, continuous gas stream, eg an argon stream. The locally concentrated heat input required for welding enables a laser source 3 , For example, a CO ₂ laser with a wavelength of 10.6 microns.

Der Laserstrahl ist als strichpunktierte Linie angedeutet, was nichts über dessen räumliche Erstreckung, Fokussierung etc. aussagt. Es kann günstig sein, mit einer ringförmigen Intensitätsverteilung im Strahlquerschnitt zu arbeiten, um eine gewisse Flächenwirkung zu erzielen. Das von der Laserquelle 3 erzeugte Schmelzbad 6 auf dem Bauteil 1 ist als schwarze Fläche angedeutet. Der Energieeintrag ist so einzustellen, dass das metallische Pulver 5 vollständig aufgeschmolzen und mit dem Bauteilwerkstoff metallurgisch verbunden wird, ohne die Bauteiloberfläche nachteilig zu beeinflussen, sei es durch tiefreichendes Anschmelzen, Bildung spröder, intermetallischer Phasen, Verbrennen usw..The laser beam is indicated as a dotted line, which says nothing about its spatial extent, focusing, etc. It may be favorable to work with an annular intensity distribution in the beam cross section in order to achieve a certain surface effect. That from the laser source 3 generated molten bath 6 on the component 1 is indicated as a black area. The energy input should be adjusted so that the metallic powder 5 completely melted and metallurgically bonded to the component material, without adversely affecting the component surface, either by deep melting, formation of brittle, intermetallic phases, burning, etc ..

2 zeigt eine derartige, gelungene Verbindung zwischen einem Probebauteil aus der Magnesiumlegierung ZRE 1 und der Nickel-Basislegierung NiCrBSi-22. Der untenliegende, hellere Bauteilwerkstoff und das obenliegende, dunklere Beschichtungsmetall sind metallurgisch einwandfrei miteinander verbunden, wobei der zerklüftete Verbindungsbereich einen festigkeitssteigernden „Verzahnungseffekt" zur Folge hat. 2 shows such a successful connection between a sample component of the magnesium alloy ZRE 1 and nickel base alloy NiCrBSi-22. The lower, lighter component material and the upper, darker coating metal are metallurgically perfectly connected to each other, wherein the fissured connection area has a strength-enhancing "gearing effect" result.

Die aufgetragene Metallschicht 2 kann vollständig aus einer Nickel-Basislegierung bestehen, es ist aber auch vorstellbar, die Schicht mit Zusatzpartikeln bzw. Verstär kungselementen zu modifizieren im Sinne größerer Härte, Verschleißfestigkeit, Steifigkeit, Zugfestigkeit etc..The applied metal layer 2 can consist entirely of a nickel-based alloy, but it is also conceivable to modify the layer with additional particles or ampli kungselementen in terms of greater hardness, wear resistance, stiffness, tensile strength, etc ..

Die Zusatzpartikel und Verstärkungselemente können metallisch und nichtmetallisch, z.B. keramisch, sein und sollten, neben ausreichender Temperaturbeständigkeit, eine gewisse Benetzbarkeit durch die schmelzflüssige Ni-Basislegierung aufweisen.The Additional particles and reinforcing elements can metallic and non-metallic, e.g. ceramic, and should, in addition to sufficient temperature resistance, a certain wettability by the molten one Have Ni-base alloy.

Die Zusatzpartikel bzw. die Verstärkungselemente können vorab mit Hilfe eines sich beim Autragschweissen verflüchtigenden Binders auf der Bauteiloberfläche fixiert werden, relativ kleine Zusatzpartikel können zusammen mit dem Metallpulver pneumatisch aufgebracht werden.The Additional particles or reinforcing elements can in advance with the help of a volatilizing during application welding Binders on the component surface be fixed, relatively small additive particles can be used together with the metal powder be applied pneumatically.

Im Falle von örtlichen Oberflächenfehlern mit größerer Tiefe wird es zweckmäßig sein, den Materialauftrag nacheinander in mehreren Schichten auszuführen. Ein ggf. entstehendes Übermaß kann anschließend wieder entfernt werden, wobei hartstoffarmierte Schichten eine gewisse Ausnahme bilden.in the Trap of local surface defects with greater depth it will be useful to execute the material order one after the other in several shifts. One possibly resulting oversize can then again be removed, with hardstoffarmierte layers a certain Form an exception.

Claims

Coating process for magnesium alloy components for the production of adhesives the metal layers of a material based on a different metallic magnesium, characterized in that A) as a material for the respective metal layer to be produced ( 2 ) a nickel-base alloy is used, and that B) the material is in powder form ( 5 ) on the component ( 1 ) and is melted by means of laser powder deposition welding and metallurgically bonded without deep melting of the component surface with the component material, wherein the laser powder deposition welding as a one-step process with continuous supply of the material for the metal layer ( 2 ) in powder form ( 5 ) is performed by means of a gas flow.

Coating method according to claim 1, characterized in that as material for the metal layer ( 2 ) one of the two nickel base alloys NiBSi-20, NiCrBSi-22 is used.

Coating method according to claim 1 or 2, characterized characterized in that as a component material, the magnesium-based alloy ZRE 1 (MSRR 8013) is used.

Coating method according to claim 3, characterized in that as a laser source ( 3 ) a CO ₂ laser is used, and that the material for the metal layer ( 2 ) by means of a pneumatic powder conveyor using argon as conveying gas via a nozzle ( 4 ) into the molten bath ( 6 ).

Coating method according to one or more of claims 1 to 4, characterized in that metallic and / or non-metallic additive particles, for example hard ceramic particles, and / or that metallic cal and / or non-metallic reinforcing elements, such as fibers, wires, fabrics or nets, in the metal layer ( 2 ) to get integrated.