DE4035789C1 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Gasdiffusionsbeschichten von hohlen Werkstücken aus warmfesten Legierungen wie Ni-, Co- oder Fe-Basislegierungen, deren Außen- und Innenflächen durch Bohrungen miteinander verbunden sind mit einem Behälter, der mindestens eine Gaszuleitung und eine Gasableitung aufweist, wobei die Gasableitung den zu beschichtenden Innenflächen des Werkstücks nachgeschaltet ist.

Aus EP 03 49 420 ist eine Vorrichtung zum gleichzeitigen Gasdiffu­ sionsbeschichten von äußeren und inneren Oberflächen bekannt. In dieser Vorrichtung sind die zu beschichtenden Bauteile im oberen Bereich eines Kastens angeordnet. Im unteren Bereich weist der Kasten eine Trägergaszuleitung und ein Tragegitter zur Aufnahme eines Akti­ vatorpulvers und eines Spendermetallgranulats auf. Diese Vorrichtung hat den Nachteil, daß sich bildende schwere Spendermetallgase vom Spendermetallgranulat zu den zu beschichtenden Bauteilen aufsteigen müssen, wobei entsprechend der barometrischen Höhenformel eine Ver­ dünnung der Spendermetallgase in vertikaler Richtung auftritt, die nachteilig zu Schichtdickenunterschieden auf den Bauteilen in Abhängigkeit von ihrer geodätischen Höhe bezüglich des Spendermetalls führen. Die Vorrichtung bewirkt darüber hinaus, daß die inneren Oberflächen des Bauteils mit zunehmendem Abstand von Verbindungs­ bohrungen zwischen Außen- und Innenflächen geringere Beschichtungs­ dicken bis hin zu fehlender Beschichtung im Bauteilinneren aufweisen.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zum Gasdiffusions­ beschichten anzugeben, mit der eine gleichmäßige Beschichtung eines hohlen Bauteils an den äußeren und inneren Oberflächen besonders bei langen und engen Hohlräumen gewährleistet ist.

Gelöst wird diese Aufgabe mit einer Vorrichtung, bei der im Behälter Werkstückhalterungen angeordnet sind, die die Werkstücke in geodätisch geringer Höhe bezüglich eines Spendermetalls halten, wobei das Spendermetall in Form eines Spendermetallkörpers vorliegt, der unter Einhaltung eines Spaltes die zu beschichtenden Außenflächen des Werkstückes vollständig umhüllt.

Diese Vorrichtung hat den Vorteil, daß sowohl im Inneren des Bauteils als auch außen Beschichtungsdicken erreicht werden, die geringe Dickenschwankungen aufweisen. Durch die vollständige Umhüllung des Verbrauchers mit Spendermetall unter Einhaltung eines Spaltes zum Spender wird die Oberfläche des Bauteils mit einer gleichbleibend hohen Konzentration an Spendermetallgas versorgt, ohne Verdünnungs­ effekt des Spendermtallgases durch einen hohen Trägergasanteil und ohne daß Spendermetallpartikel die Oberfläche berühren, so daß die Gefahr eines Verstopfens der Bohrung zwischen Außen- und Innenflächen vermieden wird.

Durch Werkstückhalterungen, die die Werkstücke in geodätisch geringer Höhe bezüglich des Spendermetalls halten, werden die Bauteile vor­ teilhaft in einer hochkonzentrierten unerschöpflichen Spendermetall­ gasquelle gehalten, die sich aufgrund des geringen Spaltes zum Spen­ dermetallkörper und der Umhüllung der Bauteile durch den Spender­ metallkörper in der erfindungsgemäßen Vorrichtung ausbildet.

Über Öffnungen wie vorzugsweise Bohrungen an der Außenfläche des Bauteils kann das Spendermetallgas in das Innere diffundieren und die Hohlräume auffüllen. Das Auffüllen und Versorgen der Hohlräume mit Spendermetallgas kann durch Einleiten von Gasen über die Gaszuleitung und Ableiten über die den Innenflächen nachgeschaltete Gasableitung beschleunigt werden. Dies ist besonders vorteilhaft bei Bauteilen mit stark untergliederten Hohlräumen, relativ geringen Querschnittsflä­ chen der Öffnungen in der Außenfläche im Vergleich zu den be­ schichtenden Innenflächen oder bei langen, kleinen Verbindungs­ bohrungen zwischen Außen- und Innenflächen, so daß diese Vorrichtung vorzugsweise zur Gasdiffusionsbeschichtung von Triebwerksschaufeln mit Kühlkanälen und Kühlluftbohrungen geeignet ist.

In einer bevorzugten Ausbildung der Vorrichtung ist die Gasableitung als Überlauf oder vorgeschalteter Syphon geformt, dessen Über­ laufniveau mindestens in Höhe der obersten zu beschichtenden Ober­ fläche des Werkstücks positioniert ist, so daß sich ein Spender­ metallgassumpf im Bereich der Bauteile ausbildet. Diese Ausbildung hat den Vorteil, daß die Höhe des Spendermetallgassumpfes der Bau­ teilhöhe angepaßt werden kann. Da das schwere Spendermetallgas nur über den Überlauf als Schwelle entweichen kann, sichert ein Überlauf oder Syphon eine gleichbleibend hohe Spendermetallkonzentration.

Die Werkstückhalterung umfaßt vorzugsweise einen konischen Sitz, der einen zentral angeordneten Gasableitungskanal aufweist und mit Ver­ bindungsbohrungen zu Hohlräumen der Werkstücke korrespondiert. Dieser konische Sitz hat den Vorteil, daß nicht nur das Werkstück in Posi­ tion gehalten wird, sondern daß Übergangsstücke zur Aufnahme der Bau­ teile einsetzbar sind, die eine schnelle Montage der zu be­ schichtenden Bauteile ermöglichen. Zum Schutz der Oberflächen von Übergangsstücken und von nicht zu beschichtenden Bauteilbereichen, können diese Oberflächen mit einer Schicht beispielsweise aus Kera­ mikschlicker bestrichen und getrocknet werden, wobei diese Schicht gegen Abplatzen oder Abbröckeln durch ein Einbetten in Spendermetallpulvern gesichert werden kann.

Eine Einbettung der Werkstückhalterung mit Spendermetallpulver im Bodenbereich der Vorrichtung hat den Vorteil, daß ein fast uner­ schöpfliches Reservoir mit großer Spendermetalloberfläche zur Spendermetallgasversorgung des Spendermetallgassumpfes zur Verfügung steht. Deshalb ist vorzugsweise unterhalb des Spendermetallkörpers eine feinkörnige Pulverschüttung aus Spendermetall angeordnet.

Der Spendermetallkörper besteht vorzugsweise aus einem oder mehreren grobmaschigen Granulatkörben, die mit gröbkörnigem Spendermetall­ granulat gefüllt sind. Ein grobkörniges Spendermetallgranulat hat zwar eine verminderte Oberfläche, an der sich Spendermetallgas bilden kann, läßt sich aber vorteilhaft seitlich und oberhalb des Bauteils in den vorgesehenen Körben schichten ohne durch die Korbmaschen zu fallen und damit die Bauteiloberfläche zu verunreinigen oder die Bohrungen in der Außenfläche zuzusetzen.

Besteht der Spendermetallkörper aus einem oder mehreren porösen Sin­ terkörpern, so kann vorteilhaft die Oberfläche mit entsprechend hoher Porosität vergrößert werden und auf Körbe zur Einhaltung des Spaltes aufgrund der Formstabilität eines solchen Spendermetallkörpers ver­ zichtet werden. Spendermetallkörper aus einem oder mehreren porösen Sinterkörpern werden dann vorteilhaft eingesetzt, wenn große Stück­ zahlen zu beschichten sind.

Eine weitere bevorzugte Ausbildung ist ein Spendermetallkörper, der aus kompakten Metall besteht, in welches Labyrinthstrukturen zur Gas­ führung eingearbeitet sind. Die Labyrinthstrukturen vergrößern vor­ teilhaft die Spendermetallkörperoberfläche, so daß sich ein langsam fließendes Trägergas mit Spendermetallgas anreichern kann, bevor es die zu beschichtenden Oberflächen erreicht. Dieser auch mehrteilige Spendermetallkörper wird unter Einhaltung eines Spalts von 0,5 bis 50 mm Breite über das zu beschichtende Bauteil gestülpt.

Sowohl ein Spendermetallkörper aus kompakten Metall als auch einer aus offenporigem und porösem Material können Bohrungen, Vertiefungen oder andere Einformungen zur Aufnahme von Pulvern, die an einer Reak­ tion zur Spendermetallgasbildung beteiligt sind aufweisen.

Die folgenden Figuren zeigen bevorzugte Ausbildungen der Erfindung:

Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung zum Gasdiffusionsbeschichten mittels eines kompakten Spendermetallkörpers,

Fig. 2 zeigt eine Vorrichtung zum Gasdiffusionsbeschichten mittels eines Spendermetallkörpers aus Granulatkörben und

Fig. 3 zeigt eine Vorrichtung zum Gasdiffusionsbeschichten mittels eines Spendermetallkörpers aus Sintermetall.

Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung zum Gasdiffusionsbeschichten mittels eines kompakten Spendermetallkörpers 1 von hohlen Werkstücken 11 aus warmfesten Legierungen wie Ni-, Co- oder Fe-Basislegierungen, deren Außen- 12 und Innenflächen 16 durch eine Vielzahl von Bohrungen 13, 14, 15 miteinander verbunden sind. Die Vorrichtung weist einen Be­ hälter 22 auf, der mindestens eine Gaszuleitung 23 und eine Gasab­ leitung 21 besitzt. Die Gasableitung 21 ist den zu beschichtenden Innenflächen 16 nachgeschaltet. Der Behälter 22 ist in einem an sich bekannten Prozeßraum angeordnet.

In geodätisch geringer Höhe bezüglich des Spendermetallkörpers 1 werden die Werkstücke 11 von Werkstückhalterungen 24 gehalten. Der Spendermetallkörper 1 umhüllt unter Einhaltung eines Spaltes 8 die zu beschichtenden Außenflächen 12 vollständig. Der Spendermetallkörper ist selbsttragend und setzt sich aus mehreren kompakten Einzelteilen 2 bis 7 wie beispielsweise Deckeln 3, 5, 7 und Hülsen 2, 4, 6 zu­ sammen. Die Deckel 3, 5, 7 und Hülsen 2, 4, 6 sind voneinander beab­ standet und bilden ein Labyrinth zur Gasführung. Die äußere Hülse 2 weist im unteren Bereich Öffnungen 9 auf, die das Gas in das Laby­ rinth in Pfeilrichtung 37 einströmen lassen und die innere Hülse 6 zeigt Öffnungen 10 im unteren Bereich, die das Gas in Pfeilrichtung 38 in den Spalt zwischen Spendermetallkörper 1 und zu beschichtende Außenflächen 12 führen. Durch die Bohrungen 13, 14 und 15 wird das spendermetallreiche Gas den Hohlräumen 17 zur Beschichtung der In­ nenflächen 16 in Pfeilrichtung 39 zugeführt. Eine Abgasleitung 18 endet beispielsweise offen in einem gasgespülten Raum 19, der bei­ spielsweise neben der Gaszuleitung 23 noch einen Zulauf 20 aufweist.

Zur Gasdiffusionsbeschichtung wird der Behälter 22 aufgeheizt, so daß ein pulverförmiger Aktivator 25 am Boden des Labyrinths 26 su­ blimiert und das Labyrinth 26 mit Aktivatorgas füllt. An den Ober­ flächen des Spendermetallkörpers 1 bildet sich durch eine Reaktion mit dem Aktivatorgas ein schweres Spendermetallgas, das auf der Werkstücksaußenfläche 12, den Wandungen der Bohrungen und der Innen­ fläche 16 des Werkstücks Metall wie Aluminium oder Aluminiumlegie­ rungen abscheidet. Um ein Abfließen des Spendermetallgases zu verhin­ dern, wird die Gasableitung in Fig. 1 als Überlauf ausgebildet, dessen Überlaufniveau in der Höhe der höchsten Werkstückkante angeordnet ist. Über die Gaszuleitung 23 kann auch pulverförmiger Aktivator oder ein Aktivatorgas eingespeist werden. Bei Einspeisung eines Akti­ vatorgases wird die Gaszuleitung 23 über die Sublimationstemperatur des Aktivators aufgeheizt um eine Kondensation in der Gaszuleitung zu vermeiden.

Fig. 2 zeigt eine Vorrichtung zum Gasdiffusionsbeschichten mittels eines Spendermetallkörpers 1 aus Granulatkörben 27. Die Granulatkörbe 27 sind so gestaltet, daß sie das Werkstück 11 an den zu be­ schichtenden Außenflächen 12 unter Einhaltung eines Spaltes 8 von 2 bis 5 mm vollständig umhüllen. Die Partikelgröße des Granulats 31 in den Granulatkörben 27 ist größer als die Maschenweite der Körbe. Das Granulat 31 besteht aus Spendermetall wie Aluminium oder Aluminiumle­ gierungen. Die Granulatkörbe 27 sind mit dem Werkstück 11 und einer Werkstückhalterung 24 in einer Retorte 28 angeordnet, die mittels einer Dichtung 45 gasdicht verschlossen ist. Am Boden der Retorte ist Aktivatorpulver 25 gemischt mit Spendermetallpulver 32 angeordnet und versorgt zusätzlich den Retortenraum mit Spendermetallgas.

Eine Abdeckschicht 29 aus einer Schlickermasse aus Keramik - und Metallpulver wie beispielsweise Aluminiumoxid - und Nickelpulver schützt die Oberfläche der Werkstückhalterung 24 und nicht zu be­ schichtende Außenflächen des Werkstücks 11 vor Beschichtungen. Das Gemisch aus Aktivatorpulver 25 und Spendermetallpulver 32 stützt gleichzeitig die Kerasmikschicht 29, so daß sie während des Gasdiffu­ sionsprozesses nicht abplatzt oder abbröckelt.

Die Retorte 28 weist im Bodenbereich einen konischen Sitz 33 zur Aufnahme der Werkstückhalterung 24 auf. Ein zentral abgeordneter Gasableitungskanal 30 leitet die Prozeßgase in Pfeilrichtung 43 aus dem Werkstückinneren in den gasgespülten Raum 19 über einen Überlauf 34. Dieser Überlauf bewirkt, daß das schwere Spendermetallgas nicht unkontrolliert aus dem Werkstückinneren abfließt, da das Überlauf­ niveau höher als die oberste Werkstückkante 44 angeordnet ist. Gleichzeitig wird damit erreicht, daß unabhängig vom Niveau der Gas­ ableitung 21 des Behälters 22 ein Spendermetallgassumpf in der Retorte 28 gebildet wird.

Die Gasversorgung und -spülung des Raumes 19 mit Inert- oder reduzie­ rendem Gas erfolgt in Pfeilrichtung 40 über den Zulauf 20 und die Gasableitung 21.

Fig. 3 zeigt eine Vorrichtung zum Gasdiffusionsbeschichten mittels eines Spendermetallkörpers 1 aus Sintermetall 35 beispielsweise einer Aluminiumlegierung, der die zu beschichtenden Außenflächen 12 des Werkstücks 11 unter Einhaltung eines Spaltes 8 vollständig um­ hüllt. Das Sintermetall 35 weist eine hohe Konzentration offener Poren auf, so daß eine große Gasdurchlässigkeit erreicht wird. Aus dem Gemisch aus Aktivatorpulver 25 und Spendermetallpulver 32 im Bodenbereich der Retorte diffundiert Aktivatorgas und Spendermetall­ gas in Pfeilrichtung 41 durch den Spendermetallkörper 1 zum Werkstück 11, wobei das Aktivatorgas den gesamten Spendermetallkörper 1 durch­ dringt und Spendermetallgas bildet und allseitig die zu be­ schichtenden Oberflächen des Werkstücks 11 mit Spendermetall ver­ sorgt. Durch die Bohrungen 36 zwischen Außen- 12 und Innenflächen des Werkstücks 11 gelangt das Spendermetallgas in Pfeilrichtung 42 unter Beschichtung der Außen- 12 und Innenflächen in die Hohlräume des Werkstücks 11.

Das schwere Spendermetallgas reichert sich im Gasableitungskanal 30 an und füllt das als Siphon ausgebildete Steigrohr 37 bis zum Über­ laufniveau 34 des Steigrohres 37. Das sich oberhalb des Über­ laufniveau 34 und damit oberhalb der höchsten Werkstückkante 50 im Spendermetallkörper 1 bildende schwere Spendermetallgas drückt ständig einen Spendermetallgasstrom durch das als Siphon ausgebildete Steigrohr 37, so daß eine gleichmäßige und dicke Beschichtung der 1nnen- und Außenflächen 12 des Werkstücks 11 erfolgt.

Claims (7)

1. Vorrichtung zum Gasdiffusionsbeschichten von hohlen Werkstücken aus warmfesten Legierungen wie Ni-, Co- oder Fe-Basislegierungen, deren Außen- und Innenflächen durch Bohrungen miteinander ver­ bunden sind mit einem Behälter, der mindestens eine Gaszuleitung und eine Gasableitung aufweist, wobei die Gasableitung den zu beschichtenden Innenflächen des Werkstücks nachgeschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, daß im Behälter (22) Werkstückhalterungen (24) angeordnet sind, die die Werkstücke (11) in geodätisch ge­ ringer Höhe bezüglich eines Spendermetalls halten, wobei das Spen­ dermetall in Form eines Spendermetallkörpers (1) vorliegt, der unter Einhaltung eines Spaltes (8) die zu beschichtenden Außen­ flächen (12) des Werkstückes (11) vollständig umhüllt.

2. Vorrichtungen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasableitung (21) als Überlauf (34) oder als vorgeschalteter Si­ phon geformt ist, dessen Überlaufniveau in Höhe der obersten zu beschichtenden Oberfläche des Werkstücks (11) positioniert ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Werkstückhalterung (24) einen konischen Sitz (33) umfaßt, der einen zentral angeordneten Gasableitungskanal aufweist und mit Verbindungsbohrungen zu Hohlräumen der Werkstücke (11) korres­ pondiert.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß unterhalb des Spendermetallkörpers (1) eine feinkörnige Pulverschüttung aus Spendermetall (32) angeordnet ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Spendermetallkörper (1) aus einem oder meh­ reren grobmaschigen Granulatkörben (27) besteht, der bzw. die mit grobkörnigem Spendermetallgranulat (31) gefüllt ist bzw. sind.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Spendermetallkörper (1) aus einem oder meh­ reren porösen Sinterkörpern besteht.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Spendermetallkörper (1) aus kompaktem Metall besteht, in welches Labyrinthstrukturen zur Gasführung eingearbei­ tet sind.