DE3419674A1

DE3419674A1 - Verfahren zum aufbringen eines ueberzugs auf ein bauteil

Info

Publication number: DE3419674A1
Application number: DE19843419674
Authority: DE
Inventors: Ralph Ivor Long Ashton Bristol Conolly
Original assignee: Rolls Royce PLC
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 1983-05-26
Filing date: 1984-05-25
Publication date: 1984-11-29
Also published as: FR2550978B1; FR2550978A1; US4623087A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufbringen eines Überzugs auf ein Bauteil nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Die Erfindung eignet sich insbesondere zum Aufbringen eines Überzugs auf Bauteile mit unebener Form, zur Beschichtung von Bohrungswandflächen und zum überziehen reaktionsfähiger Werkstoffe.

Zu den bekannten Verfahren zum Aufbringen von Überzügen, insbesondere von metallischen und keramischen Überzügen, gehören das Aufspritzen der Überzüge unter Anwendung verschiedener Energieformen, beispielsweise Plasma- und Laserenergie zum Schmelzen der auf das Bauteil aufgespritzten Überzugsteilchen, das Aufdampfen der Überzüge, Einsetzverfahren und elektrochemische Verfahren zum Aufbringen der Überzüge. Einige dieser bekannten Verfahren arbeiten mit unwirtschaftlichem Werkstoffverbrauch und können trotzdem kein homogenes Fertigprodukt garantieren. Außerdem ist die Aufrechterhaltung einer

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gleichmäßigen Schichtdichte über einem gegebenen Oberflächenbereich fast unmöglich. Darüberhinaus ist, wenn das Bauteil aus einem reaktionsfähigen Werkstoff wie beispielsweise Titan hergestellt ist, die Anwendung einiger Beschichtungsverfahren ohnehin ausgeschlossen.

Es ist außerdem bekannt, eine vorgeformte Überzugsfolie auf ein Bauteil aufzubringen und sie durch isostatisches Pressen an ihrem Auftragsort aufzupressen (siehe GB-A-20 63 747), jedoch ist es in der Praxis schwierig, die Folie an das Bauteil anzupassen, es sei denn, das Bauteil hat eine sehr einfache Form. Andere Verfahren des direkten Aufbringens eines -Überzugs unter Anwendung des isostatischen Heißpressens sind in der GB-A-20 24 und GB-A-20 6 6 113 dargestellt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren zum Aufbringen eines Überzugs auf eine Oberfläche eines im wesentlichen starren Bauteils zu schaffen.

Im Sinne der Lösung dieser Aufgabe ist ein Verfahren der eingangs angegebenen Gattung durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Verfahrensschritte gekennzeichnet.

Zwei oder mehr Überzüge können in bezüglich ihrer gewünschten Reihenfolge auf dem Bauteil umgekehrter Reihenfolge auf dem Trägerkörper aufgebracht werden, 30

Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch das Aufbringen des Überzugs auf den Trägerkörper in Form von mit Zwischenräumen angeordneten Abschnitten und das isostatische Heißpressen des Trägerkörpers in die Zwischenräume auf das Bauteil und anschließend das Entfernen von der die Überzugsabschnitte bedeckenden Bereiche des Trägerkörpers umfassen.

Zwischen dem Trägerkörper.und dem Bauteil kann eine Trennmittelschicht vorgesehen sein.

Die Erfindung wird nachstehend anhand einiger Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen näher beschrieben, in welchen zeigen:

Die Fig. 1 bis 1c Verfahrensschritte eines Ausführungsbeispiels der Erfindung, 10

Die Fig. 2 bis 2c Verfahrensschritte eines zweiten

Ausführungsbeispiels der Erfindung,

ein noch weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Verfahrensschritte eines noch weiteren Ausführungsbeispiels der Erfindung,

Verfahrensschritte beim Herstellen eines Bauteils mit Kühlkanälen, und

eine Turbinenschaufel mit solchen Kühlkanälen.

Zunächst wird auf die Fig. 1 bis 1c Bezug genommen.

Ein Bauteil 10, bei welchem es sich beispielsweise um eine Turbinenschaufel handeln kann, ist mit einem überzug zu versehen. Der Überzug ist normalerweise metallisch und kann beispielsweise aus einer der folgenden Werkstoffe bestehen: harte Oberflächenlegierungen, Wärmesperrmaterialien, Werkstoffe mit gewünschten elektrischen Eigenschaften und Werkstoffe mit Widerstandsfähigkeit gegen chemischen Angriff.

15	Fig.	3	4	bis	4b
	Die	Fig.
20			5	und	6
	Die	Fig.
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	Fig.	7

Ein Trägerkörper 12, der aus Stahl, Eisen oder einem anderen billigen Werkstoff bestehen kann, wird so geformt, daß seine Kontur 13 der Oberflächenform des Bauteils 10 entspricht, das zu überziehen ist.

Wie aus Fig. 1a hervorgeht, wird der gewünschte überzug 14 auf die geformte Oberfläche 13 des Trägerkörpers 12 aufgebracht. Das Aufbringen kann in irgendeiner geeigneten, an sich, bekannten Weise erfolgen, beispielsweise durch Plasmaspritzen, Aufbringen einer Packung, elektrische Ablagerung, oder durch Aufbringen eines Klebstoffes auf die Oberfläche 13"und anschließendes Aufsprühen des Überzugs in Form eines trockenen Pulvers auf die klebrige Oberfläche. Diese letztere Methode ist in der GB-PS 1 343 683 mehr im einzelnen beschrieben.

Der Trägerkörper 12 wird sodann an das Bauteil 10 angesetzt, wie in Fig. 1b gezeigt ist, wobei sich der Überzug 14 nun zwischen dem Trägerkörper und dem Bauteil 10 befindet. Die so erhaltene Anordnung wird in einen nicht dargestellten Metallbeutel eingebracht, der sodann evakuiert wird und folglich sich eng an diese Anordnung anschmiegt und sie zusammenklemmt. Der Beutel mit der Anordnung wird in einen nicht dargestellten Ofen eingebrauht, der dann unter Druck gesetzt und beheizt wird, um die Anordnung durch isostatisches Heißpressen zu einer festen Konstruktion zu verbinden.

Nach Beendigung dieses Vorgangs wird der Beutel zusammen mit dem Trägerkörper 12 mit Hilfe geeigneter Mittel von der übrigen Anordnung entfernt, so daß das Bauteil 10 mit dem darauf festhaftendem, homogenen Überzug 14 zurückbleibt,¹ wie in Fig. 1c dargestellt ist.

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Sollte eine vollständige Beschichtung des Bauteils 10 notwendig sein, werden zwei Trägerkörper 12 gebildet, diese jeweils mit einem überzug beschichtet und sodann die beschichteten Trägerkörper 12 um das Bauteil 10 herumgelegt und entlang ihrer Kanten miteinander verschweißt, so daß sie den genannten Beutel bilden. Jedoch läßt man eine kleine öffnung bestehen, um das Evakuieren des Inneren des so entstandenen Behälters zu ermöglichen, wonach der isostatische Heißpreßvorgang in der oben beschriebenen Weise ausgeführt wird.

Alternativ dazu kann der Schweißvorgang im Vakuum ausgeführt werden, beispielsweise mittels eines Elektronenstrahls, so daß die Notwendigkeit einer gesonderten Evakuierung entfällt.

Fig. 2 zeigt ein Bauteil 16 mit einer Bohrung 18, deren Wandfläche 20 mit einem überzug zu versehen ist.

Ein dornförmiger Trägerkörper 22 wird mit entsprechendem Durchmesser hergestellt und gemäß Fig. 2a nach einem zweckmäßigen Verfahren mit dem gewünschten überzug 24 versehen. Die Dicke des Überzugs 24 ist so bemessen, daß sich ein Schiebesitz zwischen dem beschichteten Trägerdorn 22 und der Bohrung 18 ergibt (Fig. 2b). Die so erhaltene Anordnung wird dann wiederum in einen nicht dargestellten metallischen Beutel eingelegt, der dann evakuiert wird, wonach die Anordnung in einen Ofen eingebracht und isostatisch heißgepreßt wird. Dananch wird der Beutel durch Abarbeiten oder auf andere geeignete Weise entfernt, ebenso der Trägerdorn 22, so daß das Bauteil 16 mit der beschichteten Bohrungswandfläche 20 zurückbleibt (Fig. 2b).

Nunmehr wird auf Fig. 3 Bezug genommen. Ist der Trägerkörper 28 ein einfaches Blech, kann seine Ent-

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fernung nach dem isostatischen Heißpressen durch Verwendung einer Trennmittelschicht 2 6, beispielsweise aus Yttrium, in Pulverform, zwischen dem Trägerkörper 28 und dem überzug 30 erleichtert werden. Bekanntermaßen verhindert die Trennmittelschicht 2 6 eine zwischen dem Trägerkörper 28 und dem überzug 30 auftretende Diffusions bindung, so daß dazwischen eine verhältnismäßig weiche Trennschicht entsteht.

Nunmehr wird auf Fig. 4 Bezug genommen. Ein überzug soll auf ein Bauteil 40 in Form abwechselnder Streifen 36 und 38 aus unterschiedlichen Werkstoffen aufgebracht werden.

Dies wird dadurch bewerkstelligt, daß ein Trägerkörper aus einem der gewünschten Werkstoffe hergestellt wird, beispielsweise aus dem Material 36, wobei der Trägerkörper als Blech ausgebildet ist, wie in Fig. 4a dargestellt ist. Streifen aus dem anderen Material 38 werden auf den Trägerkörper 36 aufgebracht und die so erhaltene Anordnung dann auf das Bauteil 40 aufgelegt, wobei die Streifen 38 zwischen dem Trägerkörper und dem Bauteil zu liegen kommen. Sämtliche Schritte zur Ausführung des isostatischen Heißpressens werden, wie schon oben beschrieben, ausgeführt und danach werden diejenigen Bereiche des Trägerkörpers 36, die über die Streifen 38 vorstehen, wie in Fig. 4b sichtbar ist, abgearbeitet, so daß die in Fig. 4 dargestellte glatte Oberfläche 42 zurückbleibt.

Ein wichtiger Vorteil, der sich daraus ergibt, daß der Überzug vor dem Aufbringen auf das Bauteil auf einen Trägerkörper aufgebracht wird, liegt darin, daß der Trägerkörper aus im wesentlichen jedem billigen, verhältnismäßig nichtreaktiven Metall hergestellt werden kann. Daraus folgt, daß jede beliebige Möglichkeit des Aufbringens des Überzugs auf den Trägerkörper

anwendbar ist einschließlich solcher Verfahren, welche für den Werkstoff des zu überziehenden Bauteils schädlich wären, beispielsweise Eintauchen in chemische Beschichtungslösungen.

Ein zusätzlicher weiterer Vorteil liegt darin, daß zumindest geradlinige Bohrungen nicht mehr im Spritzverfahren beschichtet werden müssen, was stets schwierig war, insbesondere im Hinblick auf das Erreichen einer gleichmäßigen Schichtdicke, da die zu beschichtende Bohrungswandflache nur sehr beschränkt zugänglich ist.

Eine Mehrzahl von überzügen kann auf ein Bauteil mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens entweder unter Verwendung einer entsprechenden Anzahl von Trägerkörpern nacheinander aufgebracht werden, oder indem die einzelnen Uberzugsschichten in umgekehrter Reihenfolge, wie sie auf dem fertigen Bauteil gewünscht sind, auf einem einzigen Trägerkörper aufgebracht werden.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 ist die Wand 110 einer Brennkammer für ein Gasturbinentriebwerk an ihrer Außenseite mit einer Haut in Form einer Schicht zu verkleiden. Die Wand 110 ist in flachem Zustand dargestellt d.h. vor dem Biegen in eine rohrartige Form.

Bei diesem Ausführungsbeispiel wird die Schicht 112 auf einem Trägerblech 114 gebildet, indem Teilchen eines hitzebeständigen Materials zur Bildung einer Kompositstruktur auf das Trägerblech 1 14 aufgebracht werden. Das Aufbringen der Teilchen erfolgt durch Plasmaspritzen dieser Teilchen auf das Trägerblech 114. Geeignete Eigenschaften der Werkstoffe der Schicht 112 und des Trägerblechs 114 vorausgesetzt, kann das Aufbringen auch auf andere Weise erfolgen, beispielsweise durch

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elektrochemische Ablagerung, Aufwalzen oder nach einem anderen bekannten Verfahren.

Nach dem Aufbringen der Schicht 112 auf das Trägerblech 114 werden Nuten 116 in der freiliegenden Oberfläche der Schicht 112 hergestellt, wozu herkömmliche Schneidverfahren oder chemische Ätzverfahren Anwendung finden können. Diese Nuten 116 werden dann mit einem herauslösbaren Material 118 gefüllt, beispielsweise mit einem Keramikwerkstoff, Stahl oder Eisen.

Die aus der Schicht 112 und dem Trägerblech 114 gebildete Anordnung wird derart an die Brennkammerwand 110 angelegt, daß die freiliegende Oberfläche der Schicht 112 an der Oberfläche der Brennkammerwand 110 anliegt, und die so erhaltene gesamte Anordnung wird in eine metallische Hülle (nicht dargestellt) eingeschlossen, die dann evakuiert und in einen Ofen (nicht dargestellt) eingebracht wird. Der Ofen wird ausgespült, mit einem Inertgas gefüllt und beheizt, wobei Temperatur und Druck ausreichend hoch gewählt werden, um durch isostatisches Heißpressen die Wand 110 und die Schicht 112 fest miteinander zu verbinden.

Nunmehr wird auf Fig. 6 Bezug genommen. Nach dem Abkühlen des Bauteils wird das Trägerblech 114 auf geeignete Weise entfernt. Wenn beispielsweise ein Trennmittel zwischen dem Trägerblech 1 14 und der Schicht vor der Ausführung des isostatischen Heißpreßvorgangs vorgesehen wurde, wird eine feste Verbindung zwischen dem Trägerblech und der Schicht 112 verhindert. In die Trennebene können Bohrungen 112 gebohrt und Gaszuführröhren 122 eingesetzt werden.

Sodann wird ein Gas wie beispielsweise Argon durch die Röhren hindurchgepurapt und durchdringt die Trenn-

ebene derart, daß die Schicht 112 und das Trägerblech auseinandergedrückt werden.

Anschließend wird das Füllmaterial 118 herausgelöst und die Wand 110 zur Bildung eines freie Kanäle enthaltenden Rohrkörpers gerollt und stumpf geschweißt» Radialbohrungen 114 können bis in die Kanäle gebohrt werden, um im späteren Betrieb der Brennkammer in einem Gasturbinentriebwerk eine Transpirationskühlung zu ermöglichen.

Fig. 7 zeigt eine Turbinenschaufel 126, deren Schaufelblatt 128 von einer Haut 130 umschlossen ist, die in der oben mit Bezug auf die Fig. 5 und 6 beschriebenen Weise auf das Schaufelblatt 128 aufgebracht worden ist.

Vor ihrem Aufbringen auf das Schaufelblatt 128 sind in der Haut 130 Nuten 132 gebildet und mit einem herauslösbarem Material (nicht dargestellt) gefüllt worden, wie oben beschrieben, und nach dem Aufbringen der Haut wurde das herauslösbare Material aus den Nuten herausgelöst, so daß nunmehr ein Schaufelblatt 128 ohne Diskontinuitäten in seiner Oberfläche erhalten wurde, das von einer Haut 130 umschlossen ist, die zusammen mit dem eigentlichen Schaufelblatt 128 freie Durchtrittskanäle für die Zirkulation eines Kühlmittels im späteren Betrieb der Turbinenschaufel 126 in einem Gasturbinentriebwerk bildet.

Bei den beiden eben zuletzt beschriebenenen Ausführungsformen kann die Haut jeweils aus einer Materialschicht mit der gleichen Zusammensetzung wie das Substratmaterial hergestellt sein, oder alternativ dazu kann die Haut aus einem Werkstoff mit anderer Zusammensetzung als der Substratwerkstoff bestehen, beispielsweise aus einem Material mit besserer Oxidations- bzw. Korrosionsbeständigkeit an der Außenoberfläche des fertigen Bauteils. ;

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Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zum Aufbringen eines Überzugs auf einen Oberflächenbereich eines im wesentlichen starren Bauteils zur Bildung einer Kompositkonstruktion mit vorgegebener Form, gekennzeichnet durch folgende .Schritte:

a) Formen eines Trägerkörpers, der einen entsprechend

einer vorgegebenen Konfiguration geformten Oberflächenbereich aufweist,

b) Aufbringen eines Überzugs auf den genannten Oberflächenbereich des Trägerkörpers, wobei die Kombination aus dem Trägerkörper und dem Überzug im wesentlichen starr ist und der vom Trägerkörper abgewandte Oberflächenbereich des Überzugs komplementär zu dem genannten Oberflächenbereich des starren Bauteils geformt ist,

c) Zusammensetzen des Bauteils und des Trägerkörpers derart, daß der Überzug mit seinem komplementären Oberflächenbereich an dem betreffenden Oberflächenbereich des Bauteils anliegend zwischen Bauteil und Trägerkörper zu liegen kommt, und

d) isostatisches Heißpressen der so erhaltenen Anordnung bei ausreichenden Temperatur- und Druckwerten zur Verbindung des Bauteils mit dem Überzug.

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2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Trägerkörper mindestens teilweise von der aus

dem Bauteil und dem Überzug gebildeten Kompositkonstruktion wieder entfernt wird. 5

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zueinander komplementären Oberflächenbereiche des starren Bauteils und des Überzugs uneben sind.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwei oder mehr Überzüge in bezüglich ihrer gewünschten Reihenfolge auf dem Bauteil umgekehrter Reihenfolge nacheinander auf den Trägerkörper aufgebracht werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Überzug in Porm von mit Zwischenräumen auseinanderliegenden Abschnitten auf den Trägerkörper aufgebracht und der Trägerkörper auf dem Bauteil durch isostatisches Heißpressen in die Zwischenräume zwischen den Überzugsabschnitten eingepreßt wird, wonach die, die Überzugsabschnitte bedeckenden Teile des Trägerkörpers entfernt werden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Trägerkörper und dem darauf aufgebrachten Überzug ein Trennmittel verwendet wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in der freiliegenden Oberfläche des auf den Trägerkörper aufgebrachten Überzugs Nuten eingeformt und mit einem herauslösbaren Material

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gefüllt werden, bevor der Trägerkörper mit dem überzug und das Bauteil zusammengefügt werden, und daß nach dem isostatischen Heißpressen zur Verbindung des Bauteils mit dem Überzug das herauslösbare Material herausgelöst wird, um Kanäle in der Kompositkonstruktion herzustellen.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Überzug aus einem Teilchengemisch besteht.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilchen metallisch sind.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9,

dadurch gekennzeichnet, daß der Überzug eine Wärmesperre bildet.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der überzug eine verschleißfeste Haut bildet.