DE2630507B2 - Verfahren zur Herstellung von Schutzschichten auf Werkstücken und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Verfahren zur Herstellung von Schutzschichten auf Werkstücken und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens

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Description

Legierung Beliebiges Cr Al Ni Y C Sonstige
Metall Bestandteile
A Rest 23 13 0,7 0,02 0,5 Metalloxid
B Rest 23 13 — — 0,02 0,5Hf
Ci] „ — 2 33 Rest — — —
C2J) Rest 23 13 — 0.7 0,02 —
D — 2 33 Rest — — —
E.]« — 20 4 Rest — _
E2}> Rest 23 13 — 0,7 0,02 —
F Rest 25 3 10 0,5 — 5Ta
G Rest 25 10 10 0,5 — 10Ta
H Rest 22 13 0.7 0.014
Unter »Rest« sind die fehlenden Gew.-% zu 100 Gew.-% zu verstehen.
*) Die Legierungen C1/C2 bzw. E1/E2 sind im Verhältnis 1 :1 mechanisch gemischt
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Beschichtungspulver für Verschleißschutzschichten eine Wolframcarbid-Kobalt-Legierung mit der Zusammensetzung 4,1 Gew.-% C, 11 Gew.-% Co, 2 Gew.-% Fe, Rest W verwendet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2 oder Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Beschichtungspulver der Körnung im Bereich von 15—30 μΐη verwendet wird.
5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Vakuum von 50 bis 100 Torr und ein Druck des Plasmagases sowie des Beschichtungspulvers von etwa 18 atü eingestellt werden.
6. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß während des Beschichtungsvorganges das Werkstück zusätzlich aufgeheizt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufheizung durch Zündung eines Lichtbogens zwischen einer Plasmaspritzpistole und dem Werkstück vorgenommen wird.
8. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Aufspritzen des Beschichtungspulvers auf das Werkstück dieses einer Diffusionsglühung bei einer Temperatur im Bereich von 1000° C unterzogen wird.
9. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Aufspritzen des Beschichtungspulvers die beschichtete Oberfläche durch Scheuern und/oder Polieren auf eine Rauhigkeit mit einem *>5 Mittenrauhwert Ra < 1,2 μπι gebracht wird.
10. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet daß das Werkstück als Verdichter- oder Turbinenschaufel einer Gasturbine verwendet wird. 11. Plasmaspritzanlage zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
a) eine Vakuumkammer zur Aufnahme des Werkstücks und einer Plasmaspritzpistole ist als doppelwandiges zylindrisches Bauteil mit abnehmbarem stirnseitigen ebenen Deckel ausgeführt,
b) die Plasmaspritzpistole ist am abnehmbaren Deckel der Vakuumkammer horizontal entlang einer Achse χ verschiebbar und um die Achse χ schwenkbar angeordnet,
c) ein Werkstückhalter ist horizontal durch eine Schleuse im Zylindermantel in die Kammer einbringbar und um eine Horizontalachse drehbar,
d) die Zuleitungen für die elektrische Versorgung, die Plasmagasversorgung sowie die Kühlmittelversorgung sind in einem kaminartigen Aufsatz auf dem Deckel der Vakuumkammer zusammengefaßt.
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von Schutzschichten auf Werkstücken gegen Heißgaskorrosion und/oder mechanischen Verschleiß, wonach mittels Plasmaspritzen im Vakuum ein aus Legierungen bestehendes Beschichtungspulver auf das Werkstück aufgetragen wird und auf eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Ein solches Verfahren ist z. B. aus der US-PS
3839 618 bekanntgeworden. Das dort offenbarte Verfahren dient der Erzeugung hochdichter Oberflächenschichten auf Werkstücken, die im praktischen Betrieb gleichzeitig mechanischer, thermischer und chemischer Beanspruchung ausgesetzt sind. Für solche Werkstücke ist es nämlich häufig nicht möglich, Werkstoffe zu finden, die gleichzeitig den Anforderungen an ihre mechanische Festigkeit als auch den Anforderungen an Korrosionsbeständigkeit und Verschleißfestigkeit entsprechen.
Aus d?r Zeitschrift »Metalloberfläche«, 23. Jahrgang, 1969, Seiten 175 bis 179, ist eine Schutzgaskammer für das Plasmaspritzen offenbart, die hermetisch gegenüber der Atmosphäre abschließbar ist Mittels dieser Kammer wird ein Beschichtungsverfahren durch Plasmaspritzen in einer Schutzgasatmosphäre durchgeführt
Aus der Zeitschrift »Draht«, 20. Jahrgang, 1969, Nr. 1, Seiten 16 und 19 bis 21, ist ein Lichtbogen-Spritzverfahren offenbart, bei dem Stahlwerkstoffe in einer Schutzgasatmosphäre verspritzt werden
Schließlich sind aus der GB-PS 14 39 947 verschiedene Spritzwerkstoffe, insbesondere Nickelbasislegierungen für das Plasmaspritzen bekanntgeworden.
Mit den aus dem vorgenannten Stand der Technik
bekannten Verfahren können bisher zwar weitgehend oxidfreie Schutzschichten hoher Dichte erzielt werden, die Haftung der Schutzschichten auf dem zu beschichtendfcn Werkstück ist jedoch noch nicht optimal.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es demnach,
bisher bekannte Plasmaspritzverfahren in der Weise zu verbessern, daß Schutzschichten erzeugbar sind, die sowohl hohe Dichte als auch besonders gute Haftung
ίο auf dem zu beschichtenden Werkstück aufweisen.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß
vorgeschlagen, daS das Werkstück vor dem Beschichten durch Scheuern, Polieren und/oder Naßstrahlen so weit geglättet wird, daß die Oberflächenrauhigkeit einen
Mittenrauh wert R,=0,8 μτη nicht überschreitet
Es hat sich gezeigt, daß diese erfindungsgemäße Vorbehandlung der Werkstückoberfläche die Erzielung besonders hoher Haftfähigkeit erlaubt
In Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß als Beschichtungspulver für Heißgaskorrosionsschutzschichten Legierungen der nachfolgend aufgeführten Zusammensetzung A — H (in Gew.-%) verwendet wird:
Legierung Beliebiges Metall Cr AI Ni Y C Sonstige
Bestandteile
A Rest 23 13 0,7 0,02 0,5 Metalloxid
B Rest 23 13 — — 0,02 0,5Hf
CiU — 2 33 Rest — — —
C2J Rest 23 13 — 0,7 0,02 —
D — 2 33 Rest — — —
E1I — 20 4 Rest — — —
E2J Rest 23 13 — 0,7 0,02 —
F Rest 25 3 10 03 — 5Ta
G Rest 25 10 10 0,5 — 10Ta
H Rest 22 13 0,7 0,014
Unter »Rest« sind die fehlenden Gew.-% zu 100 Gew.-°/o zu verstehen.
·) Die Legierungen CVC2 bzw. Ei/E2 sind im Verhältnis 1 :1 mechanisch gemischt
Versuche haben gezeigt, daß die vorstehend genannten Legierungen mit den durchwegs hohen Anteilen an Chrom und Aluminium und einem geringen Anteil von Yttrium besonders hohe Beständigkeit im Hochtemperaturbereich aufweisen. so
Obwohl mit verschiedenen Metallen sehr gute Eigenschaften der Schutzschichten erzielt werden konnten, soll Kobalt als bevorzugtes Restmetall für die Beschichtungspulver hervorgehoben werden.
Bei einer besonderen Ausführungsforrr des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei der speziell Verschleißschutzschichten hergestellt werden sollen, wird vorgeschlagen, als Beschichtungspulver eine Wolframcarbid-Kobalt-Legierung zu verwenden, mit der Zusammensetzung 4,1% C, 11% Co, 2% Fe, und den Rest W eo (Zusammensetzung in Gew.-%). Es hat sich gezeigt, daß das erfindungsgemäße Verfahren mit diesem Beschichtungspulver einen Überzug von besonders hoher Härte ergibt, wobei die Härtewerte über die gesamte Schicht höchste Gleichmäßigkeit aufweisen.
In weiterer Ausbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß die Körnung der Beschichtungspulver im Bereich von 15 — 30 um liegt.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung soll das Vakuum, in dem die Beschichtung stattfindet 50 bis 100 Torr betragen, während der Druck des Plasmagases und des Beschichtungspulvers etwa 18 atü sein soll. Es hat sich gezeigt, daß diese Kombination von Unterdruck einerseits und Überdruck des Plasmaspritzstrahles andererseits ein Optimum zwischen der erzielbaren Schichtdichte und dem notwendigen Aufwand für die Aufrechterhaltung dieser Prozeßparameter darstellt
In weiterer Ausbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß während des Beschichtungsvorganges das Werkstück zusätzlich aufgeheizt wird, wodurch sich in vielen Fällen eine nochmalige Erhöhung der Haftfestigkeit der Schutzschicht auf dem Werkstück erzielen läßt
Als besonders vorteilhaft hat sich die Aufheizung des Werkstücks durch Zündung eines Lichtbogens zwischen der Plasmaspritzpistole und dem Werkstück erwiesen, da ein solcher Lichtbogen ohne großen zusätzlichen Aufwand erzeugt werden kann und eine hohe Heizleistung erbringt
Eine weitere Ausbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß nach dem Aufspritzen des Beschichtungspulvers auf das Werkstück dieses einer
Diffusionsglühung bei einer Temperatur im Bereich von 1000° C unterzogen wird, eine Maßnahme, die eine vollständige Integration zwischen der aufgespritzten Schutzschicht und dem Grundwerkstoff des Werkstükkes bewirkt
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß nach dem Aufspritzen des Beschichtungspulvers die beschichtete Oberfläche durch Scheuern und/oder Polieren auf eine Rauhigkeit mit einem Mittenrauhwert Ra<\2 μπι gebracht wird, eine Maßnahme, die vor allem eine Erhöhung der Korrosionsbeständigkeit der Schutzschicht bewirkt
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß das bisher beschriebene Beschichtungsverfahren zur Beschichtung von Verdichter- oder Turbinenschaufeln einer Gasturbine speziell Anwendung findet Dieser Anwendungsfall ist insofern besonders hervorzuheben, als an Verdichter- und Turbinenschaufeln von Gasturbinen sowohl festigkeitsmäßig als auch, was die Heißgaskorrosion anlangt, ganz besonders hohe Anforderungen gestellt werden und als darüber hinaus gerade diese Werkstücke hohe Maßhaltigkeit und geringste Rauhigkeit haben sollen um die Strömungsverhiiltnisse und damit den Wirkungsgrad der Gasturbine nicht nachteilig zu beeinflussen.
Schließlich bezieht sich die Erfindung weiterhin auf eine Plasmaspritzanlage zur Durchführung des beschriebenen Verfahrens, die durch folgende Merkmale gekennzeichnet sein soll:
a) eine Vakuumkammer zur Aufnahme des Werk-Stücks und einer Plasmaspritzpistole ist als doppelwandiges zylindrisches Bauteil mit abnehmbarem stirnseitigen ebenen Deckel ausgeführt;
b) die Plasmaspritzpistole ist am abnehmbaren Dekkel der Vakuumkammer horizontal entlang einer Achse χ verschiebbar und um die Achse χ schwenkbar angeordnet;
c) ein Werkstückhalter ist horizontal durch eine Schleuse im Zylindermantel in die Kammer einbringbar und um eine Horizontalachse drehbar;
d) die Zuleitungen für die elektrische Versorgung, die Piasmagasversorgung sowie die Kühimittelversorgung sind in einem kaminartigen Aufsatz auf dem Deckel der Vakuumkammer zusammengefaßt
Diese Ausbildung der Vakuumkammer als doppelwandiges zylindrisches Bauteil ermöglicht gute Kühlung, indem im Zwischenraum zwischen den Wandungen ein Wassermantel gehalten werden kann; andererseits wird der bauliche Aufwand für die Evakuierung vergleichsweise gering gehalten, da durch die Anordnung der Plasmaspritzpistole im abnehmbaren Deckel der Kammer sämtliche Anschlüsse in diesem Deckel vereinigt werden können und somit die Ausbildung des Deckels als stirnseitiger ebener Deckel für eine zylindrische Kammer die Abdichtungsprobleme so gering wie möglich gehalten werden. Durch die Translations- und Rotationsbewegungsmöglichkeit der Plasmaspritzpistole und die gleichzeitige Rotationsmöglichkeit des Werkstückhalters wird ein gleichmäßi- ger Auftrag des Beschichtungswerkstoffes in einem einzigen Arbeitsgang ermöglicht Hierdurch kann auch ein hoher Durchsatz von Beschichtungswerkstoff durch die Plasmaspritzpistole gewählt werden und damit die Gesamtzeit für die Beschichtung entsprechend niedrig gehalten werden.
Anhand der Skizze wird eine Plasmaspritzanlage zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens kurz erläutert.
Eine als doppelwandiges zylindrisches Bauteil ausgeführte Vakuumkammer ist in der Zeichnung mit 1 bezeichnet Der Zwischenraum zwischen der Doppelwand dient beim Betrieb der Vakuumkammer als Kühlwassermantel. Das Vakuum in dieser Vakuumkammer 1 wird von einer Vakuumpumpe 2 erzeugt, die über eine Leitung 3 an die Vakuumkammer 1 angeschlossen ist In die Leitung 3 ist ein Absolutfilter 4 eingeschaltet da das Eindringen von Spritzwerkstoff in die Vakuumpumpe verhindern soll. Eine Plasmapistole ist an einen stirnseitig auf die Vakuumkammer 1 aufgesetzten ebenen kreisförmigen Deckel 6 angeordnet und zwar so, daß sie entlang einer geradlinigen horizontalen Führung 7 verfahren werden kann und gleichzeitig um diese horizontale Führung 7 geschwenkt werden kann. Für beide Bewegungen sind jeweils Antriebsmotoren 8 und 9 vorgesehen, wobei diese so geschaltet werden können, daß sich beide Bewegungen überlagern. Zuleitungen für die elektrische Versorgung 10 für die Kühlmittelversorgung 11, die Stromversorgung 12 und die Plasmagaszufuhr 13 sind in einem kaminartigen Aufsatz 14 zusammengefaßt der auf dem Deckel 6 befestigt ist In der zylindrischen Wand der Vakuumkammer 1 sind Schleusen 15 und 16 vorgesehen um von außen in der Vakuumkammer hantieren zu können. Durch die Schleuse 15 kann ein Werkstückhalter 17 in die Schleuse eingefahren werden. Der Werkstückhalter 17, der als langer Dorn ausgeführt ist soll mittels einer geeigneten Vorrichtung rotierbar sein, so daß das an seinem vorderen Ende sich befindende Werkstück 18 in seiner Endposition vor der Plasmapistole endlos gedreht werden kann. Im Deckel 6 der Vakuumkammer 1 sind zusätzlich noch zwei Zuführvorrichtungen 20 und 21 für das Beschichtungspulver vorgesehen, von denen aus Leitungen 22 und 23 zur Plasmapistole führen. Als Werkstück 18 ist bei dem gezeichneten Schema eine Turbinenlaufschaufel angedeutet, für deren Beschichtung nachfolgend alle wichtigen Prozeßparameter entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren als Ausführungsbeispiel angegeben werden:
Werkstoff der Turbinenlaufschaufel:
Inconel 100(In 100)
Probenvorbereitung:
Naßstrahlen mit Al2O3, Korngröße 177 |im
Beschichtungswerkstoff (Zusammensetzung in Gew.-%):
CoCrAlY der Zusammensetzung
22,77% Cr, 13,14% AL 0,7% Y,
0,014% C, Rest Co
Beschichtungstemperatur:
10500C
Nachbehandlung:
Diffusionsglühen bei 1040° C etwa 4 Stunden lang Nachbearbeitung:
Scheuern
Einstelldaten für die Plasmaanlage:
Stromstärke 800 A
Spannung 70 V
Plasmagas Argon Plasmagasdruck 17,6 atü Spritzabstand 37 cm Plasmagasdurchsatz 189 dmVmin Pulverdurchsatz 26,4 dmVmin Spritzzeit pro Schaufel etwa 20 s. <. Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:
1. Verfahren zur Herstellung von Schutzschichten auf Werkstücken gegen Heißgaskorrosion und/oder mechanischen Verschleiß, wonach mittels Plasma spritzen im Vakuum ein aus Legierungen bestehendes Beschichtungspulver auf das Werkstück aufgetragen wird, dadurch gekennzeichnet, dall das Werkstück vor dem Beschichten durch Scheuern, Polieren und/oder Naßstrahlen so weit geglättet wird, daß die Oberflächenrauhigkeit einen Mittenrauhwert R,=0,8 μπα nicht überschreitet
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn- - 5 zeichnet, daß als Beschichtungspulver für Heißgaskorrosionsschutzschichten eine Legierung bzw. ein Legierungsgemisch der nachfolgend aufgeführten Zusammensetzung A-H (in Gew.-%) verwendet wird:
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