DE4041103A1 - Verfahren zur oberflaechenbehandlung von bauteilen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Oberflächenbehandlung von Bauteilen mittels Kugelstrahlen.

Kugelstrahlen zur Verbesserung der Schwingfestigkeit von Bauteilen sind aus der Veröffentlichung von W. Schütz in der Zeitschrift Werk­ stofftechnik, 17, Seite 53-61, (1986) bekannt. Das Kugelstrahlen steigert primär durch günstige Druckeigenspannungen die Schwing­ festigkeit der Bauteile und erhöht die Härte der gestrahlten Bauteil­ oberfläche. Die Optimierung der Strahlbehandlung ist abhängig vom Maschinentyp, von der Strahldauer, der Partikelgröße, dem Deckungs­ grad und der Strahlintensität. Zur Härtung und Verbesserung der Schwingfestigkeit wird in Richtung hoher Strahlintensität bei gleich­ zeitig niedrigem Deckungsgrad bis 100% optimiert. Bei höheren Deckungs­ graden wächst die Gefahr der Oberflächendeformation und der Werkstoffschädigung.

Beim Kugelstrahlen wird die Oberfläche plastisch deformiert, so daß nachteilig eine hohe Oberflächenrauhigkeit entsteht. Außerdem werden Druckeigenspannungen im oberflächennahen Bereich des Bauteils induziert, so daß sich bei beschichteten Bauteilen nachteilig die Gefahr des Abplatzens der Schicht erhöht.

Bei Beschichtungsverfahren, die zunächst eine rauhe Beschichtungs­ oberfläche auf dem Bauteil erzeugen, wird deshalb nicht mit dem Ku­ gelstrahlverfahren die Oberfläche geglättet, sondern durch me­ chanisches Nachpolieren, wie beispielsweise Scheuern, Bürstenpolieren oder Druckfließläppen, eine Oberflächenglättung erreicht. Diese be­ kannten und gebräuchlichen Oberflächenbehandlungen zum Glätten haben den Nachteil, daß sie einen örtlich ungleichmäßigen Schichtabtrag an exponierten Ecken und Kanten bewirken.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Oberflächenbehandlung von Bauteilen anzugeben, das die Oberfläche oxidations- und heißgas­ korrosionsfest beschichtet und eine Glättung der rauhen Beschichtungsoberfläche ermöglicht. Die Oberflächenbehandlung soll die Haftfähigkeit der Beschichtung nicht vermindern und keinen un­ gleichmäßigen Schichtabtrag verursachen.

Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den folgenden Ver­ fahrensschritten: auf die Bauteiloberfläche wird zunächst eine MCrAlY-Schicht als Oxidations- und Heißgaskorrosionsschicht aufge­ bracht, deren Schichtoberfläche anschließend mit Partikelstrahlen einer Strahlenintensität von höchstens 0,15 mm Almen A, einem Deckungs­ grad von mindestens 400% und einem mittleren Strahlpartikel­ durchmesser von höchstens 0,5 mm kugelgestrahlt wird.

Dieses Verfahren hat den Vorteil, daß ein Mittenrauhwert unter Ra = 2,5 µm für MCrAlY-Schichten, die beispielsweise mit Hilfe des Niederdruckplasmaspritzen (NDPS-Verfahren) aufgetragen wurden, er­ reichbar ist, und die MCrAlY-Schicht gleichzeitig oberflächig ver­ dichtet wird. Darüber hinaus ist das Verfahren reproduzierbar im Hinblick auf eine Mittenrauhwertverbesserung und auch bei kompliziert gestalteten Bauteilen anwendbar.

Als Strahlpartikel werden vorzugsweise Kugeln mit einem mittleren Strahlpartikeldurchmesser von höchstens 0,2 mm aus Stahlguß, aron­ diertem Stahldraht, Zirkoniumoxid, Aluminiumoxid oder Glas einge­ setzt. Derartige Kugeln haben den Vorteil einer weiteren Mit­ tenrauhwertverminderung. Kugeln mit einem mittleren Strahlpartikel­ durchmesser unter 50 µm zeigen zumindest für MCrAlY-Schichten keine weiteren Mittenrauhwertverbesserung.

Eine bevorzugte Durchführung des Verfahrens sieht vor, daß die Schichtoberfläche in kritischen Bauteilbereichen an vorzugsweise geringen Krümmungsradien mit Deckungsgraden über 600% und stark ver­ minderter Strahlintensität Kugelgestrahlt wird. Dieser hohe Deckungs­ grad bei gleichzeitig stark verminderter Strahlintensität hat den Vorteil, einer Kombination aus Mikroverformung und Abrasion, die äußerst schonend diese kritischen Bauteilbereiche glättet.

Vorzugsweise wird das Verfahren für Schaufelblattoberflächen von Hochdruckturbinenschaufeln angewandt. Dabei wird die MCrAlY-Schicht sowohl auf der Schaufelvorderkante als auch auf der noch stärker gekrümmten Schaufelhinterkante geglättet, ohne daß ein Schichtdicken­ unterschied auftritt.

Das folgende Beispiel und die zugehörigen Figuren zeigen eine bevor­ zugte Durchführung und Ausbildung des Verfahrens.

Beispiel 1 listet die Kugelstrahlparameter auf,

Fig. 1 zeigt eine Rasterelektronenmikroskopaufnahme von einer MCrAlY-Schicht nach einem Niederdruckplasmaspritzen,

Fig. 2 zeigt eine Rasterelektronenmikroskopaufnahme von der MCrAlY-Schicht nach einem Kugelstrahlen,

Fig. 3 zeigt einen Querschliff einer beschichteten und kugelgestrahlten Hochdruckturbinenschaufel im Bereich der Eintrittskante und

Fig. 4 zeigt einen Querschliff der beschichteten und kugel­ gestrahlten Hochdruckturbinenschaufeln im Bereich der Austrittskante.

Beispiel 1

Eine Schaufelblattoberfläche einer Hochdruckturbinenschaufel mit einer Schaufelblatthöhe von 42 mm und einer Schaufelblattbreite von 20 mm wird mit einer CoNiCrAlY-Schicht mittels Niederdruckplasma­ spritzverfahren beschichtet. Der gemessene Mittenrauhwert liegt bei 4,77 µm. Die Oberfläche dieser Hochdruckturbinenschaufel wird an­ schließend in einer Überdruckdüsenstrahlanlage mit Glasperlen eines mittleren Strahlpartikeldurchmessers von 0,12 mm kugelgestrahlt. Dazu wird die Strahlintensität auf 0,23 mm Almen N eingestellt und ein Deckungsgrad von 800% gefahren. Als Ergebnis einer Schichtverdichtung und eines Schichtabtrags wird eine gleichmäßige Schichtabnahme von maximal 20 µm sowohl auf der Schaufelblattfläche als auch im Bereich der Eintrittskante und der Austrittskante gemessen. Der Mittenrauh­ wert ist auf 1,37 µm verbessert.

Fig. 1 zeigt eine Rasterelektronenmikroskopaufnahme von einer MCrAlY-Schicht nach einem Niederdruckplasmaspritzen, mit einer Rauhtiefe von 42,3 µm und einem Mittenrauhwert von 4,77 µm.

Fig. 2 zeigt eine Rasterelektronenmikroskopaufnahme von dergleichen CoNiCrAlY-Schicht nach einem Kugelstrahlen mit den Verfahrens­ parametern entsprechend Beispiel 1. Die Rauhtiefe hat sich um mehr als das 4-fache auf 7,93 verbessert und der Mittenrauhwert wurde auf 1,37 µm vermindert.

Fig. 3 zeigt einen Querschliff einer beschichteten und kugelgestrahl­ ten Hochdruckturbinenschaufel im Bereich der Eintrittskante (1). Deutlich ist die Grenze (2) zwischen CoNiCrAlY-Schicht (3) und Schau­ felgrundmaterial (4) zu erkennen. Selbst die Eintrittskantenspitze (5) wird von der geglätteten CoNiCrAlY-Schicht (3) nachgebildet und nicht eingeebnet.

Fig. 4 zeigt einen Querschliff der beschichteten und kugelgestrahlten Hochdruckturbinenschaufeln im Bereich der Austrittskante (6). Deut­ lich ist die Grenze (2) zwischen CoNiCrAlY-Schicht (3) und Schau­ felgrundmaterial (4) zu erkennen. Auch die wesentlich stärker ge­ krümmte Austrittskante (6) wird von der geglätteten CoNiCrAlY-Schicht (3) nachgebildet.

Claims (3)

1. Verfahren zur Oberflächenbehandlung von Bauteilen mittels Kugel­ strahlen, dadurch gekennzeichnet, daß auf die Bauteiloberfläche zunächst eine MCrAlY-Schicht als Oxidations- und Heißgaskorro­ sionsschicht aufgebracht wird und anschließend die Schichtober­ fläche mit Partikelstrahlen einer Strahlenintensität von höchstens 0,15 mm Almen A, einem Deckungsgrad von mindestens 400% und einem mittleren Strahlpartikeldurchmesser von höchstens 0,5 mm kugel­ gestrahlt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichtoberfläche in kritischen Bauteilbereichen an vorzugsweise geringen Krümmungsradien mit Deckungsgraden über 600% und stark verminderter Strahlintensität kugelgestrahlt wird.

3. Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 oder 2 für Schaufelblattoberflächen von Hochdruckturbinenschaufeln.