DE4015208C1 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Bauteilen oder Bauteilbeschichtungen aus pulver-, kugel- oder stabförmigen Par­ tikeln.

Die Herstellung von Bauteilen oder Bauteilbeschichtungen aus pulver­ förmigen Partikeln unter Gravitationseinfluß sind aus der Pulverme­ tallurgie und Beschichtungstechnik bekannt. Dabei muß nachteilig beim Aufbringen der Partikel zu einer Beschichtung oder beim Einformen der Partikel zu einem Bauteil die Schwerkraft überwunden werden. Das kann durch hohe Beschleunigung der Partikel wie beispielsweise beim Flamm­ spritzverfahren erfolgen, wobei nachteilig die Partikel beim Auf­ treffen deformiert werden. Die Schwerkraft kann durch Schweben in einem flüssigen Medium wie beim Schlickerguß oder beim galvanischen Aufbringen von Dispersionsbeschichtungen wie NiCrAlY-Schichten über­ wunden werden. Ein Nachteil dieser Verfahren ist, daß die schwebenden Partikel nicht auf Sintertemperaturen aufgeheizt werden können. Eine ausgerichtete Aneinanderlagerung von beispielsweise stabförmigen, stengeligen oder kurzfaserartigen Partikeln senkrecht zu einer zu be­ schichtenden Oberfläche ist mit den bekannten Schwebeverfahren nicht realisierbar. Eine allseitig gleichmäßige Anlagerung an beispielsweise ein Substrat, eine Matrize oder ein Bauteil wird durch die Schwer­ kraft nachteilig behindert.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein gattungsgemäßes Verfahren anzugeben, das ein deformationsfreies Aneinanderlagern von pulver-, kugel- oder stabförmigen Partikeln zu einem Bauteil oder zu einer Bauteilbe­ schichtung ermöglicht und allseitig gleichmäßig oder einseitig gleich­ mäßig gegenüber einem Bauteil einer Matrize oder einem Substrat wirkt.

Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, daß Partikel in einem begrenzten Volumen als Partikelwolke gehalten werden, die Partikelwolke aufge­ heizt wird und die aufgeheizten Partikel der Partikelwolke aneinander oder an einer Matrize zu einem Bauteil bzw. einer Bauteilbeschichtung angelagert werden.

Ein Vorteil des Verfahrens ist, daß die Partikel vor der Aneinander- oder Anlagerung im Gegensatz zu den bekannten Schwebeverfahren auf beliebig hohe Temperaturen gleichmäßig und mit minimaler Temperatur­ streuung untereinander aufgeheizt werden können. Ein weiterer Vor­ teil besteht darin, daß pulverförmige Partikel in der Partikelwolke durch Aufschmelzen der Partikel in eine globulare Form umsetzbar sind. Durch steuerbare Abkühlprozesse nach einem Aufschmelzen von pulver­ förmigen Materialien, können vorteilhaft auch stabförmige, stengelige, kurzfaserartige oder dendritische Partikel aus den globularen Tropfen auskristallisieren, die beim anschließenden gerichteten Aneinander- oder Anlagern laminar oder kolumnar stukturierte Bauteile oder Bau­ teilbeschichtungen bilden können.

Eine bevorzugte Durchführung des Verfahrens sieht vor, daß die Parti­ kel der Partikelwolke mittels CVD oder PVD schwerelos vor einer Anein­ ander- oder Anlagerung beschichtet werden. Das hat den Vorteil, daß weiches Kernmaterial wie beispielsweise Graphit mit einer Metall­ beschichtung von einer Aneinander- oder Anlagerung umhüllt werden kann. Ferner kann elektrisch nichtleitendes Wärmedämmaterial als Kern beispielsweise aus Zirkoniumoxid mit einer elektrischleitenden Be­ schichtung umgeben werden.

Eine weitere bevorzugte Durchführung des Verfahrens sieht vor, daß eine Matrize oder ein zu beschichtendes Bauteil in der aufgeheizten Partikelwolke positioniert werden und die Partikel durch elek­ trostatische Aufladung allseitig gleichmäßig an der Matrize oder dem Bauteil angelagert werden. Das hat den Vorteil, daß mit Hilfe der elektrostatisch aufgeladenen Matrize Hohlbauteile mit gleichmäßiger Wandstärke und komplizierter Außenkontur wie beispielsweise Tur­ binen oder Verdichterschaufeln für den Triebwerksbau herstellbar wer­ den. Bei Anlagerung der Partikelwolke an ein Bauteil bilden sich von allen Seiten gleichmäßig Beschichtungen mit hoher Schichtdickenkon­ stanz.

Durch einen nachfolgenden Sinterschritt können vorzugsweise die anein­ andergelagerten Partikel zu einem Bauteil oder die angelagerten Parti­ kel zu einer Beschichtung verdichtet werden. Ein derartiger Sinter­ schritt erhöht vorteilhaft die Festigkeit der erzeugten Produkte.

Werden die aneinander- oder angelagerten Partikel vorzugsweise bis zum Einschmelzen erhitzt, so bilden sich kompaktverdichtete Bauteile oder Bauteilbeschichtungen mit dem Vorteil einer hohen Dickengenauigkeit.

In einer bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens wird das Volumen der Partikelwolke durch einen Behälter begrenzt und die aufgeheizten Par­ tikel werden mittels Gasstrom auf der Oberfläche oder im Innern einer vorgeformten Matrize angelagert. Dazu wird die Matrize vorteilhaft aus einem gasdurchlässigen Material gebildet, so daß sich die Partikel auf ihrer Oberfläche anlagern, wenn der Gasstrom von Außen durch die Ma­ trize geführt wird. Wenn der Gasstrom durch eine hohlförmige Matrize von Innen nach Außen geführt wird, lagern sich die Partikel an der Innenfläche an. Nach einem Verdichten der angelagerten Partikel zur Bildung eines selbsttragenden kompakten Bauteils, kann vorzugsweise die Matrize entfernt werden. Wird noch vor einem Verdichten der angel­ agerten Partikel die Matrize entfernt, so steht ein Leichtbauteil zur Verfügung, das auch als Filter einsetzbar ist. Die Poren können mit einer weiteren Materialphase zu einem kompakten Körper mittels bei­ spielsweise CVD. PVD oder Schmelztauchverfahren aufgefüllt werden.

Ist die Matrize vorzugsweise als Substrat ausgebildet, so können mit­ tels des Gasstroms durch die aufgeheizte Pulverwolke die Partikel auf dem Substrat angelagert werden und mit dem Substrat zu einem be­ schichteten Bauteil verbunden werden. Ein derartiges Verbundbauteil kann als Halbzeug vorteilhaft eingesetzt werden.

Die Partikelwolke kann sich vorzugsweise aus Hohlkugeln, Vollkugeln oder ummantelten Vollkugeln mit einem Durchmesser zwischen 50µm und 100 µm zusammensetzen. Dadurch wird vorteilhaft eine globulare Struk­ tur im Gefüge des sich bildenden Bauteils oder der Bauteilbeschichtung erreicht.

Als Hohlkugelwerkstoff wird Metall, vorzugsweise eine Titan-, Nickel- oder Kobaltbasislegierung eingesetzt. Werden Hohlkugeln mit annähernd gleichem Durchmesser verwendet, so lassen sich Leichtbaumaterialien aus diesen Legierungen mit hohem spezifischem Gewicht in dichtester Kugelpackung realisieren, die in Vorzugsrichtungen besonders hohe Festigkeitswerte aufweisen und ein günstiges Festigkeits/Dichte-Ver­ hältnis besitzen. Derartige Materialien lassen sich auch vorteilhaft als Füll- oder Stützmatrix in hochbeanspruchten Gasturbinenbauteilen einsetzen.

Mit Partikelwolken aus vorzugsweise keramischen Voll- oder Hohlkugeln wie Zirkoniumoxid- oder Aluminiumoxidkugeln lassen sich wärmedämmende Beschichtungen darstellen. Werden diese Kugeln mit Metallen vorzugs­ weise aus einer Titan-, Nickel- oder Kobaltbasislegierung ummantelt, so können verschleißfeste, wärmedämmende Beschichtungen gefertigt werden, die im Falle von globularen Graphitkernen gleichzeitig hohe Notlaufeigenschaften besitzen.

Eine weitere bevorzugte Ausbildung der Erfindung sieht vor, als Parti­ kel Rohre, Stäbchen oder ummantelte Stäbchen mit einem Durchmesser von 10 µm bis 1000 µm und einer Länge von 50 µm bis 2000 µm einzusetzen, wobei als Rohre metallische Rohre vorzugsweise aus einer Titan-, Nickel- oder Kobaltbasislegierung und als Stäbchen Keramikstäbchen aus vorzugsweise Zirkonium- oder Aluminiumoxid eingesetzt werden. Werden ummantelte Stäbchen aus Graphit- oder Keramik verwendet, so besteht der Mantel vorzugsweise aus einer Titan-, Nickel- oder Ko­ baltbasislegierung.

Mit derartigen Partikelwolken können bei geeigneter Polarisierung der stabartigen Partikel stengelige, faserige oder bürstenartige Zell- oder Kolumarstrukturen als Beschichtungen auf Bauteilen hergestellt werden, die besonders als Anstreifschichten im Triebwerksbau Verwen­ dung finden.

Fig. 1 zeigt ein deformationsfreies Aneinanderlagern von kugel­ förmigen Partikeln auf einer porösen Matrize,

Fig. 2 zeigt ein bürstenartiges Ausrichten von stabförmigen Parti­ keln auf einer elektrisch aufgeladenen Abscheidefläche,

Fig. 3 zeigt ein zellartiges Aneinanderlagern von röhrchenförmigen Partikeln.

Fig. 4 zeigt eine Vorrichtung zur Bildung einer aufgeheizten Parti­ kelwolke und zur Abscheidung eines Bauteils oder einer Bau­ teilbeschichtung,

Fig. 5 zeigt eine Vorrichtung zur Bildung einer aufgeheizten Partikelwolke und zur Bildung eines Hohlbauteils oder einer Hohlbauteilbeschichtung,

Fig. 6 zeigt eine Vorrichtung zur Bildung einer aufgeheizten Parti­ kelwolke und zur partiellen, räumlichen Beschichtung eines Bauteils.

Fig. 1 zeigt ein deformationsfreies Aneinanderlagern von kugelförmigen Partikeln 1 auf einer porösen Matrize 2. Diese Partikel werden in einer Partikelwolke 11 beispielsweise schwerelos schwebend auf Sinter­ temperatur aufgeheizt. Anschließend driften sie in Pfeilrichtung 32 mittels eines zugeschalteten Gasstroms auf die Matrize 2 zu und werden mit niedriger Auftreffgeschwindigkeit aneinandergelagert. Bei an­ nähernd gleichem Durchmesser aller kugelförmigen Partikel 1 bildet sich in dichtester Kugelpackung eine Schicht 3 oder ein Bauteil ent­ sprechend der Form der Matrize 2 aus.

Bestehen die kugelförmigen Partikel 1 aus metallisch-ummantelten Gra­ phitkugeln, so bildet sich beim nachfolgenden Sintern und Verdichten ein Leichtbauteil oder eine Schicht 3 mit hoher mechanischer Festig­ keit und niedrigem spezifischem Gewicht aus.

Reine kugelförmige Graphitpartikel können auch in der schwerelos­ schwebenden Partikelwolke 11 zunächst mittels eines CVD- oder PVD- Verfahrens mit einem Metall umhüllt werden oder Graphitpartikel mit einer Umhüllung können eine Verdickung der Umhüllung mittels eines Metallabscheideverfahrens in der Partikelwolke 11 erfahren, bevor ein in Pfeilrichtung 32 transportierender Gasstrom zugeschaltet wird.

Fig. 2 zeigt ein bürstenartiges Ausrichten 4 von stabförmigen Parti­ keln 6 auf einer elektrisch aufgeladenen Abscheidefläche 6. Dazu wer­ den zunächst die stabförmigen Partikel 5 in einer Partikelwolke elek­ trisch aufgeladen und anschließend die Abscheidefläche 6 einem elektrischen Potential ausgesetzt, so daß eine bürstenartig-struktu­ rierte Schicht entsteht, die als Bürstendichtung oder Anstreiffläche einsetzbar ist.

Bestehen die stabförmigen Partikel 5 aus einkristallinen Kurzfasern, so läßt sich eine äußerst gleichförmige, kolumnarstrukturierte Schicht 7 aufbauen.

Fig. 3 zeigt ein zellartiges Aneinanderlagern 8 von röhrchenförmigen Partikeln 9 auf einer Abscheidefläche 6. Derartige Partikel 9 werden zunächst in einer Partikelwolke aus Graphitstäbchen gebildet, indem mittels CVD- oder PVD-Verfahren die Stäbchen ummantelt werden und an­ schließend der Kohlenstoffkern herausoxydiert wird. Die zurück­ bleibenden, röhrchenförmigen Mäntel werden anschließend in der Parti­ kelwolke aufgeladen und nach elektrischer Aufladung der Abscheide­ fläche 6 als zellartig strukturierte, stengelige Schicht 35 abge­ schieden, die sich als Wärmedämmschicht eignet, wenn die röhrchen­ förmigen Partikel 9 aus keramischem Material, beispielsweise aus Zirkoniumdioxid bestehen und als Anstreifschicht eingesetzt wird, wenn die röhrchenförmigen Partikel 9 aus verschleißfesten Metallen be­ stehen.

Fig. 4 zeigt eine Vorrichtung 10 zur Bildung einer aufgeheizten Parti­ kelwolke 11 und zur Abscheidung eines Bauteils 12 oder einer Bauteil­ beschichtung. Die Vorrichtung 10 weist einen Behälter 13 mit einer verschließbaren Einlaßöffnung 14 für beispielsweise Gas und/oder Pul­ verpartikel auf. Eine Abscheidefläche 6 steht mit einer Spannungs­ quelle 15 über einen Schalter 16 in Wirkverbindung. Die Partikelwolke 11 kann, nachdem sie in Pfeilrichtung 32 über die Einlaßöffnung 14 in den Behälter 13 transportiert wurde, entweder induktiv oder mittels Wärmestrahlung aufgeheizt werden. Zur Aufheizung mittels Wärmestrah­ lung werden beispielsweise die Behälterwände oder Bereiche derselben auf die Aufheiztemperaur erhitzt. Nach Erreichen der vorgegebenen Temperatur wird durch Zuschalten des Potentials über den Schalter 16 die Abscheidefläche 6 elektrisch aufgeladen und die Partikel der Partikelwolke 11 lagern sich darauf an.

Fig. 6 zeigt eine Vorrichtung 18 zur Bildung einer aufgeheizten Parti­ kelwolke 11 und zur Bildung eines Hohlbauteils 17 oder einer Hohlbau­ teilbeschichtung. Dazu weist die Vorrichtung 18 eine Einlaßöffnung 14 und eine Auslaßöffnung 19 für ein Trägergas und für Pulverpartikel an einem Behälter 20 auf. Einlaß- 14 und Auslaßöffnung 19 sind mittels Schieber 21 und 22 verschließbar. An die Auslaßöffnung 19 ist zur Ab­ scheidung des Hohlbauteils 17 eine in Pfeilrichtung 33 gasdurchlässige Matrize 34 angeflanscht, auf deren Innenseite sich beim Öffnen des Auslaßschiebers 21 die Partikel der zwischenzeitlich aufgeheizten Partikelwolke 11 ablagern.

Fig. 6 zeigt eine Vorrichtung 23 zur Bildung einer aufgeheizten Parti­ kelwolke 11 und zur partiellen, räumlichen Beschichtung eines Bauteils 24. Die Vorrichtung 23 weist einen Behälter 25 mit einer Bauteil­ schleuse 31 und einer Einlaßöffnung 14 für den Einlaß in Pfeilrichtung 32 eines Trägergases sowie für Pulverpartikel auf. Ein Bauteil­ manipulator 26 trägt das Bauteil 24, das in diesem Beispiel eine Gas­ turbinenschaufel 27 ist. Sowohl der Schaufelfuß 28 als auch die Schau­ felspitze 29 sind in einen schützenden Werkstoff eingebettet. Das Bau­ teil 24 kann über den Bauteilmanipulator 26 und den Schalter 30 an eine Spannungsquelle 15 angeschlossen werden. Beim Aufheizen der Partikelwolke 11 befindet sich das Bauteil 24 außerhalb des Behälters 25 und wird beim Erreichen einer vorgegebenen Temperatur der Partikel­ wolke 11 durch die Bauteilschleuse 31 in den Behälter 25 mit Hilfe des Bauteilmanipulators 26 gefahren. Durch Zuschalten der Spannungsquelle 16 über den Schalter 30 lagern sich die Partikel der Partikelwolke 11 an der Gasturbinenschaufel 27 allseitig gleichmäßig als Beschichtung an.

Claims (26)

1. Verfahren zur schwerelosen Herstellung von Bauteilen oder Bau­ teilbeschichtungen, dadurch gekennzeichnet, daß Partikel (1, 5, 9) in einem begrenzten Volumen als Partikelwolke (11) gehalten werden, die Partikelwolke (11) aufgeheizt wird und die aufgeheizten Partikel der Partikelwolke (11) aneinander oder an einer Matrize (2, 34) zu einem Bauteil (12, 17) bzw. einer Bauteilbeschichtung (3, 7, 35) angelagert werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Partikel (1, 5, 9) der Partikelwolke (11) mittels eines CVD- oder PVD-Ver­ fahrens schwerelos vor einer Aneinander- oder Anlagerung be­ schichtet werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Matrize (2) in der Partikelwolke (11) positioniert wird und die Partikel durch elektrostatisches Aufladen allseitig gleich­ mäßig an der Matrize (2) angelagert werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die angelagerten Partikel (1, 5, 9) zu einem kom­ pakten Bauteil (12, 17) oder einer kompakten Beschichtung (3, 7, 35) durch Sintern komprimiert werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die angelagerten Partikel (1, 5, 9) durch Ein­ schmelzen zu einem kompakten Bauteil (12, 17) oder einer kompakten Beschichtung (3, 7, 35) komprimiert werden.

6. Verfahren nach einen der Ansprüche 1 bis 5 dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Volumen der Partikelwolke (11) durch einen Behälter (13, 20, 25) begrenzt wird und die aufgeheizten Partikel (1, 5, 9) mittels eines Gasstroms auf der Oberfläche oder im Innern einer vorgeformten Matrize (2, 3, 4) angelagert werden.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Matrize (2, 3, 4) vor oder nach einer Komprimie­ rung der angelagerten Partikel zu einem Bauteil (12, 17, 24) oder einer Beschichtung (3, 7, 35) entfernt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Matrize (2) als Substrat gestaltet wird, aufgeheizte Partikel (1, 5, 9) auf dem Substrat angelagert werden und mit dem Substrat zu einem beschichteten Bauteil verbunden werden.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1, 2, 3, 6 oder 7 dadurch ge­ kennzeichnet, daß die angelagerten Partikel (1, 5, 9) zu einem porö­ sen Leichtbauteil verbunden werden.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß als Partikel (1) Hohlkugeln oder ummantelte Vollkugeln mit einem Durchmesser zwischen 50µm und 100 µm eingesetzt werden.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch ge­ kennzeichnet, daß als Hohlkugeln metallische Hohlkugeln eingesetzt werden.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß als Hohl­ kugelmaterial Titan-, Nickel- oder Kobaltbasislegierungen einge­ setzt werden.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch ge­ kennzeichnet, daß als Voll- oder Hohlkugeln keramische Kugeln eingesetzt werden.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß als Voll- oder Hohlkugeln Kugeln aus Zirkoniumoxid oder Aluminiumoxid ein­ gesetzt werden.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeich­ net, daß als ummantelte Vollkugeln Kugeln mit einem Kern aus Graphit oder Keramik und einem Mantel aus Metall eingesetzt werden.

16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß als me­ tallischer Mantel eine Titan-, Nickel- oder Kobaltbasislegierung eingesetzt wird.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch ge­ kennzeichnet, daß als Partikel (9) Rohre, Stäbchen oder um­ mantelte Stäbchen mit einem Durchmesser von 10 µm bis 1000 µm und einer Länge von 50 µm bis 2000 µm eingesetzt werden.

18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß als Rohre metallische Rohre eingesetzt werden.

19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß metallische Rohre aus einer Titan-, Nickel- oder Kobaltbasis­ legierung eingesetzt werden.

20. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß als Stäbchen Keramikstäbchen eingesetzt werden.

21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß als Keramikstäbchen Stäbchen aus Zirkonium- oder Aluminiumoxid einge­ setzt werden.

22. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß als um­ mantelte Stäbchen Graphit- oder Keramikstäbchen mit einem Mantel eingesetzt werden.

23. Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß als Man­ tel Titan-, Nickel- oder Kobaltbasislegierungen eingesetzt wer­ den.

24. Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4 oder 6 bis 14 oder 17 bis 19 zur Herstellung von Leichtbaumaterial mit hoher Festigkeit und globularer oder stengelartiger Zell­ struktur.

25. Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 10 oder 13 bis 17 oder 20 bis 24 zur Herstellung von Beschichtungen als Wärmedämmschichten für den Triebwerksbau.

26. Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 25 zur Herstellung von Beschichtungen mit stengeliger oder globularer Struktur als Anstreifschichten im Triebwerksbau.