DE4241420C1 - Verfahren zur Herstellung von Bauteilen oder Substraten mit Verbundbeschichtungen und dessen Anwendung - Google Patents
Verfahren zur Herstellung von Bauteilen oder Substraten mit Verbundbeschichtungen und dessen AnwendungInfo
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- C25D15/00—Electrolytic or electrophoretic production of coatings containing embedded materials, e.g. particles, whiskers, wires
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Bauteilen
oder Substraten mit Verbundbeschichtungen mittels galvanischer oder
stromloser Abscheidung von Metallen und seine Anwendung.
Durch Einlagerung von Stoffen in eine galvanisch oder stromlos
abgeschiedene Metallmatrix werden Verbundbeschichtungen mit
hervorragenden technischen Eigenschaften hergestellt.
Die Herstellung derartiger Verbundbeschichtungen ist aus der
Druckschrift US-PS 50 76 897 bekannt. Die einzulagernden Stoffe
werden dabei zunächst in einem den Matrixwerkstoff enthaltenden
Elektrolyten aufgeschwämmt. Bei der nachfolgenden galvanischen
Abscheidung des Matrixwerkstoffes auf einer Bauteil- oder Substratoberfläche
werden die einzulagernden Stoffe in die Matrix
eingebaut.
Wie US-PS 50 76 897 zeigt, ist dazu ein hoher technischer und
apparativer Aufwand erforderlich, da zur Vermeidung von
Sedimentationseffekten die Aufschwämmung ständig in Bewegung
gehalten werden muß und dem Bauteil mehrachsige Bewegungen
aufzuprägen sind, um den Einbau der Stoffe in die Beschichtung
auf der Bauteiloberfläche zu vergleichmäßigen.
Weitere Nachteile des bekannten Verfahrens sind, daß die Partikelgröße
der einzubauenden Stoffe auf kleiner 20 µm begrenzt ist
und die Einbaurate nicht über 25 Vol.-% gesteigert werden kann.
Wegen der Kurzschlußgefahr für den Elektrolyten sind keine
elektrisch leitenden Stoffe einbaubar. Einlagige oder monolagige
Schichten, die den einzubauenden Stoff nicht mehrfach
übereinander enthalten, sind mit diesem Verfahren nicht darstellbar.
Bei komplexen Bauteilgeometrien treten Schwankungen
der Einbaurate auf, die nicht vollständig durch Bauteil- und
Badbewegungen ausgeglichen werden können. Die Badpflege und -wartung
ist schwierig und kostenintensiv.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein gattungsgemäßes Verfahren anzugeben,
das die obigen Nachteile nicht aufweist und universell
anwendbar ist. Das Verfahren soll monolagige Verbundschichten
ermöglichen und weder Form noch Größe der Partikel der einzulagernden
Stoffe einschränken, so daß selbst Fasern einbaubar werden.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß ein Verfahren
nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 folgende Verfahrensschritte umfaßt:
- a) Belegen einer Bauteil- oder Substratoberfläche mit einer Mischung aus wasserlöslichen pulverisierten oder getrockneten Salzen oder Säuren und dispersen Partikeln, Fasern, Filzen, Matten oder Geweben
- b) Reaktionsschmelzen des Salzes oder der Säure zu einer wasserlöslichen Substanz
- c) Auflösen der wasserlöslichen Substanz durch Eintauchen des abgekühlten Bauteils oder des Substrats in ein galvanisches oder stromloses Abscheidebad und Abscheidung einer metallischen Matrix unter Einbau der dispersen Partikel, Fasern, Filze, Matten oder Gewebe in die Matrix auf dem Bauteil oder Substrat.
Im Gegensatz zum bekannten Verfahren werden die einzubauenden Stoffe
nicht im Elektrolyten aufgeschwämmt, sondern bereits vor der galvanischen
oder stromlosen Abscheidung des Matrixmaterials auf der
Bauteil- oder Substratoberfläche mittels Reaktionsschmelzen von wasserlöslichen
pulverisierten Salzen oder Säuren fixiert. Dazu erfolgt nach
dem Belegen der Bauteil- oder Substratoberfläche mit einer Mischung aus
wasserlöslichen pulverisierten oder getrockneten Salzen oder Säuren und
dispersen Partikeln, Fasern, Filzen, Matten oder Geweben ein Reaktionsschmelzen
der Salze oder Säuren auf der Bauteil- oder Substratoberfläche,
wobei sich die Salze oder Säuren zu einer amorphen wasserlöslichen
Substanz umwandeln. Diese wasserlösliche Substanz fixiert die
einzubauenden Stoffe in Form von dispersen Partikeln, Fasern, Filzen,
Matten oder Geweben. Im galvanischen oder stromlosen Abscheidebad löst
sich diese Substanz wieder auf und wird Bestandteil des Elektrolyten,
während gleichzeitig das abgeschiedene Matrixmaterial zunächst die
einzubauenden Stoffe in vorgegebener Position fixiert und sie mit fortschreitender
Abscheidung vollständig in die Matrix einbaut.
Ein Vorteil dieses Verfahrens ist, daß die Einbaurate durch
entsprechende Belegung eingestellt werden kann und unabhängig
von der Aufnahmefähigkeit des Elektrolyten an unlöslichen Stoffen
ist. Elektrisch leitende Stoffe wie Metalle können unbedenklich
in die Verbundbeschichtung eingebaut werden. Bei diesem
Verfahren werden vorteilhaft einlagige Verbundbeschichtungen
hergestellt, da die äußeren Lagen, sofern sie mit der ersten
Lage nicht vernetzt, verwebt oder verkettet sind, mit dem
Auflösen der amorphen Substanz abgespült werden. Auch die Partikelform
und -größe, die in die Verbundbeschichtung einzubauen
ist, unterliegt keinen Beschränkungen.
Ein weiterer Vorteil des Verfahrens ist die geringe Verweilzeit
der einzubauenden Stoffe im galvanischen oder stromlosen Abscheidebad
verglichen mit dem bisherigen Verfahren, so daß auch
keramische und metallische Partikel in die Verbundbeschichtung
eingebaut werden können, die beim bisherigen Verfahren im Elektrolyten
verätzt oder angelöst wurden.
Mischungen verschiedener Partikelgrößen und Materialien sind
vorteilhaft realisierbar, da keine Segregationseffekte auftreten.
Eine selektive Lokalisierung der einzubauenden Stoffe wird
mit diesem Verfahren dadurch realisierbar, daß nur in begrenzten
Bereichen einer Bauteil- oder Substratoberfläche eine Belegung
vor der Matrixabscheidung durchgeführt wird. Oberflächenbereiche,
die vollständig von einer Beschichtung freizuhalten
sind, müssen wie bisher abgedeckt werden, bevor eine galvanische
oder stromlose Abscheidung durchgeführt wird.
Das Verfahren kann mit allen handelsüblichen Elektrolyten
durchgeführt werden.
Bei einer bevorzugten Durchführung des Verfahrens wird die Bauteil-
oder Substratoberfläche beim oder vorm Belegen auf eine
Temperatur zum Reaktionsschmelzen des Salzes oder der Säure zu
einer wasserlöslichen Substanz aufgeheizt. Das hat den Vorteil,
daß mit dem Belegen das Reaktionsschmelzen erfolgt und damit
die Verfahrenszeit erheblich verkürzt werden kann. Außerdem
lassen sich damit komplex gestaltete Bauteiloberflächen problemlos
belegen, weil beispielsweise das heiße Bauteil in die
Mischung aus pulverisierten Salzen oder Säuren und dispersen
Partikeln oder Kurzfasern getaucht werden kann und danach allseits
belegt aus der Mischung herausziehbar ist. Komplex gestaltete
heiße Bauteiloberflächen können zum allseitigen Belegen
auch unter einer Streu- oder Strahlvorrichtung der Mischung bewegt
werden.
Das Volumenverhältnis der Mischung zwischen Salz- oder Säurepulver
und den dispersen Partikeln, Fasern, Filzen, Matten oder
Geweben wird vorzugsweise von 10 : 1 bis 1 : 20 eingestellt. Das
hat den Vorteil, daß in einem weiten Bereich die Einbaurate
wählbar wird und der Volumenteil der einzubauenden Stoffe bis
auf 95 Vol.-% gesteigert werden kann. Die maximale Einbaurate
wird damit um mehr als das dreifache gegenüber dem bisherigen
Verfahren erhöht.
Für das Salz- oder Säurepulver hat sich eine mittlere Korngröße
von 0,5 bis 100 µm in der Mischung der Belegung bewährt. Die
einzubauenden Stoffe können eine mittlere Korngröße bis 2 mm
aufweisen, ohne daß Schwierigkeiten beim Belegen und Einbauen
entstehen. Auch Langfasern oder Endlosfasern können vorzugsweise
nach Aufwickeln auf eine Bauteiloberfläche zum Belegen
der Bauteiloberfläche mit einer Mischung aus Langfasern und
Salz- oder Säurepulver in eine Verbundbeschichtung eingebracht
werden. Dazu wird nach ein- oder mehrlagigem Belegen mit einer
Langfaser das pulverisierte Salz oder die Säure aufgestreut.
Durch Reaktionsschmelzen des Salz- oder Säurepulvers wird die
Lang- oder Endlosfaser fixiert und anschließend in eine Matrix
mittels galvanischer oder stromloser Abscheidung eingebaut. Auf
gleiche Art wird vorzugsweise mit Filzen, Matten oder Geweben
verfahren mit der zunächst die Bauteil- oder Substratoberfläche
belegt wird und anschließend wasserlösliches Salz- oder Säurepulver.
Zur Herstellung der Mischung für das Belegen können die
Einlagerungsstoffe wie Filze, Matten oder Gewebe vorzugsweise
mit einer Lösung aus Salz- oder Säurepulver und Wasser
bestrichen, durchwalkt oder getränkt oder in eine derartige
Lösung getaucht werden. Danach wird das Wasser durch Trocknung
der Einlagerungsstoffe mit anhaftender Salz- oder Säurelösung
verdampft, sodaß eine Mischung aus Filzen, Matten oder Geweben
mit angetrocknetem Salz- oder Säurepulver vorliegt, mit der die
Bauteil- oder Substratoberfläche belegt werden.
In einer bevorzugten Durchführung des Verfahrens werden die
dispersen Partikel, Fasern, Filze, Matten oder Gewebe beim Reaktionsschmelzen
von der Schmelzsubstanz vollständig umhüllt.
Dadurch werden die einzubauenden Stoffe während einer Zwischenlagerung
vorteilhaft geschützt und bei Großserienfertigung wird
durch Zwischenlagerung eine günstige Losgröße für das
galvanische oder stromlose Abscheidebad ermöglicht.
Eine weitere bevorzugte Ausführung der Erfindung sieht vor, daß
die dispersen Partikel, Fasern, Filze, Matten oder Gewebe beim
Reaktionsschmelzen von der Schmelzsubstanz derart fixiert werden,
daß ihr Abstand von der Oberfläche kleiner als 30 µm wird.
Mit diesem geringen Abstand wird vorteilhaft gewährleistet, daß
mit einem Minimum an Schmelzsubstanz eine beliebig hohe
Packungsdichte an einzubauenden Stoffen an der Oberfläche eines
Bauteils oder Substrats fixierbar wird. Dieser Abstand sichert
auch einen problemlosen Übergang von der Fixierung durch die
wasserlösliche Substanz zur Fixierung durch den Abscheidevorgang
von Matrixmaterial. Eine punktuelle oder vollständige Berührung
zwischen einzubauenden Stoffen und Bauteiloberfläche
ist dabei nicht ausgeschlossen.
Als Salz- oder Säurepulver wird vorzugsweise kristalline ortho-
Borsäure H₃BO₃ eingesetzt, die sich beim Reaktionsschmelzen bei
einer Reaktionstemperatur von 170°C aufgrund des auftretenden
hohen Temperaturgradienten zwischen Borsäure und Bauteiloberfläche
in wasserlösliche meta-Borsäure HBO₂ unter Abgabe von
Kristallwasser umwandelt und bei weiterer Abgabe von Kristallwasser
in eine glasige Schmelze verwandelt. Diese glasige
Schmelze erstarrt beim Erkalten zu einer wasserlöslichen Substanz,
die die einzubauenden Stoffe auf der Bauteiloberfläche
fixiert.
Bei der Reaktionstemperatur um 169°C ±1°C wird die kristalline
ortho-Borsäure H₃BO₃ unter Abgabe von Kristallwasser
in die kristalline meta-Borsäure HBO₂ transformiert
H₃BO₃ + Q → HBO₂ + H₂O.
Die kristalline meta-Borsäure HBO₂ wird bei weiterer Wärmezufuhr
unter Wasserabgabe in eine glasige Schmelze umgewandelt,
die teilweise Bortrioxid B₂O₃ enthält
2 HBO₂ + Q → B₂O₃ + H₂O.
Beim Abkühlen erstarrt die glasige Schmelze zu einer wasserlöslichen
Substanz.
Bei der nachfolgenden galvanischen oder stromlosen Abscheidung
wird die wasserlösliche Substanz im Elektrolyten als Borsäure
gelöst. Dieser Umwandlungs- und Lösungsvorgang geschieht relativ
langsam, so daß ein sicherer Übergang der Fixierung der
einzubauenden Stoffe von der sich auflösenden wasserlöslichen
Substanz auf die sich bildende Abscheidungsmatrix gewährleistet
ist. Die sich bildende Borsäure stört in keiner Weise den Abscheidungsvorgang
und ist in vielen Fällen vorteilhaft eine erwünschte
Puffersubstanz im Elektrolyten.
Weiterhin sind als Salz- oder Säurepulver vorzugsweise wasserlösliche
Phosphate oder Phosphite einsetzbar. Diese haben den
Vorteil, daß ihre metallischen Komponenten auf das Matrixmaterial
abgestimmt sein können, so daß sie gleichzeitig einen Puffer
für diese Substanzen bilden. So kann für eine Chrom-Matrix
vorteilhaft Chromorthophosphat CrPO₄ · 2H₂O und für eine Nickelmatrix,
Nickelhydrogenphosphit Ni(HPO₂)₃ · 6H₂O eingesetzt werden.
Als Matrixmaterial werden vorzugsweise Cu, Co, Ni, Cr oder Legierungen
derselben abgeschieden. Diese Beschichtungsmaterialien
haben den Vorteil, daß sie korrosions- und oxidationsfest
sind oder sich besonders eignen, um Hartstoffpartikel als einzubauende
Stoffe in der Verbundbeschichtung in Monolagen zu
verankern.
Zur Bildung von Mehrfachlagen aus dispersen Partikeln oder
Kurzfasern in metallischer Matrix werden vorzugsweise die Verfahrensschritte
mehrfach hintereinander durchgeführt. Das hat
den Vorteil, daß sowohl in Partikelgröße, in Partikelform, im
Partikelmaterial als auch in der Partikeleinbaurate sowie im
Matrixmaterial die Zusammensetzung in jeder Lage variiert werden
kann. Damit kann die Verbundbeschichtung technisch genau
auf ein Anforderungsprofil zugeschnitten werden.
Beim Einbau von Filzen, Matten oder Geweben in eine metallische
Matrix wird vorzugsweise die unterste Faserlage der Filze,
Matten oder Gewebe durch die wasserlösliche Substanz fixiert.
Damit ist der Vorteil verbunden, daß relativ geringe Mengen an
Salz- oder Säurepulver einzusetzen sind, da mit der untersten
Faserlage bereits der gesamte vernetzte Filz oder die vernetzte
Matte oder das vernetzte Gewebe auf der Bauteiloberfläche verankert
werden.
Als disperse Partikel oder Kurzfasern werden vorzugsweise Diamant,
Oxide, Boride, Karbide, Silizide, Nitride oder spröde Metalle
oder Metallegierungen eingesetzt, um vorteilhaft eine abrasive
Wirkung der Verbundbeschichtung zu erreichen. Korund
oder Chromoxid werden vorzugsweise als Oxide verwendet. Eisenboridpartikel
sind bevorzugte Boride. Als preiswerter Ersatz
für Diamantpartikel werden vorzugsweise Siliziumkarbidpartikel
als einzubauende Hartstoffe angewandt. Von den Siliziden findet
vorzugsweise Titansilizid in Verbundbeschichtungen eine Anwendung.
Bei den Nitriden wird als Hartstoffpartikel vorzugsweise
das kubische Bornitrid verwandt und als sprödes Metall
bzw. Metallegierung wird vorzugsweise MCrAlY als Hartstoff eingebaut.
In einer weiteren bevorzugten Durchführung der Erfindung wird
die Verbundbeschichtung nach der Abscheidung des Matrixwerkstoffes
einer Wärmebehandlung unterworfen. Das hat den Vorteil,
daß damit eine bessere Haftung oder eine Verdichtung oder eine
Diffusionsverschweißung der Beschichtung erreicht werden kann.
Eine bevorzugte Metallverbundbeschichtung wird dadurch erreicht,
daß zunächst disperse Partikel aus CoCrAlY auf einer
Bauteiloberfläche mittels Reaktionssschmelzen fixiert werden und
anschließend eine Ni-Matrix abgeschieden wird. Nach der Abscheidung
erfolgt vorzugsweise ein Wärmebehandlungsschritt, bei
dem sich eine äußerst korrosionsfeste Beschichtung mit
CoNiCrAlY-Phasen durch Diffusionsvorgänge zwischen Nickel-Matrix
und CoCrAlY-Partikeln bildet.
Als disperse Partikel, Fasern, Filze, Matten oder Gewebe werden
vorzugsweise auch Kunststoffe eingesetzt. Damit lassen sich
vorteilhaft faserverstärkte Beschichtungen oder Beschichtungen
mit Notlaufeigenschaften herstellen. Als Kunststoffe werden
vorzugsweise Polyimid oder Polytetrafluorethylen verwendet.
Diese einzubauenden Materialien zeichnen sich durch eine erhöhte
Erweichungstemperatur gegenüber anderen Kunststoffen aus.
Besonders vorteilhafte Notlaufeigenschaften in Beschichtungen
lassen sich durch bevorzugen Einbau von Festschmierstoffen erzielen.
Vorzugsweise wird dazu hexagonales Bornitrid oder hexagonaler
Kugelgraphit den Salzen oder Säuren zum Belegen einer
Bauteiloberfläche beispielsweise zum Belegen einer Lagerschale
zugemischt.
In einer bevorzugten Ausbildung der Erfindung werden Fasern,
Filze, Matten oder Gewebe aus Quarzglas, Glas, Kohlenstoff oder
Graphit in die metallische Matrix eingebaut. Damit werden kostengünstig
glas-, kohle- oder graphitfaserverstärkte Metallegierungsschichten
erhöhter Zugfestigkeit hergestellt, was besonders
vorteilhaft für eine spröde Metallmatrix aus intermetallischen
Phasen ist. Vorzugsweise werden an Stelle der Glas-,
Kohlenstoff- oder Graphit- im Triebwerksbau auch Titanfasern
und als Matrixmaterial intermetallische Titanverbindungen eingesetzt,
wodurch mittels der Matrix harte und durch die Titanfasern
zugfeste Verbundbeschichtungen entstehen.
Eine bevorzugte Anwendung des Verfahrens ist die Herstellung
von Ein- oder Anlaufbelägen, vorzugsweise aus Nickelmatrix mit
dispersen Partikeln aus kubischem Bornitrid. Derartige Ein-
oder Anlaufbeläge schleifen ungleichmäßige Schaufelspitzen eines
Rotors auf eine minimale Spaltdichtung herunter. Dabei bildet
die weichere Nickelmatrix eine vorteilhafte Einbettung für
die harten kubischen Bornitridpartikel.
Eine weitere bevorzugte Anwendung des Verfahrens liegt in der
Herstellung von Dichtungsbelägen. Im Triebwerksbau werden vorzugsweise
Dichtspitzen auf Turbinenschaufeln, auf Labyrinthdichtungen
oder auf Deckbandsegmenten von Triebwerksschaufeln
mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt. Dabei wird ein
Matrixmaterial aus Kupfer, Kobalt oder Nickel oder Legierungen
derselben eingesetzt und Aluminiumoxid als Hartstoffpartikel
eingebaut.
Eine weitere bevorzugte Anwendung des Verfahrens betrifft die
Herstellung von Abrasivschichten, vorzugsweise zur Herstellung
von Schleifscheiben. Besonders die Herstellung von diamantbesetzten
Sägeblättern für Schnittbreiten unter 100 µm für harte
und spröde Einkristalle oder einkristalline Bauteile lassen
sich mit diesem Verfahren äußerst präzise und preiswert herstellen.
Die folgenden Beispiele sind bevorzugte Ausführungen des Verfahrens.
Eine Glasfasermatte von 0,3 mm Dicke aus Glasfasern von 40 µm
Durchmesser wird mit einer zähviskosen Lösung, die aus pulverisierter
ortho-Borsäure (H₃BO₃) und Wasser im Volumenverhältnis
3 : 1 angerührt wird, bestrichen. Nach einem Verdampfen des Wassers
hat sich eine Mischung aus pulverisierter wasserlöslicher
ortho-Borsäure und Glasfasermatte gebildet. Mit dieser
Mischung wird ein auf 180°C aufgeheiztes Eisenblech als
Substrat belegt. Bei dieser Temperatur erfolgt beim Belegen ein
Reaktionsschmelzen der kristallinen ortho-Borsäure unter Abgabe
von Kristallwasser zu meta-Borsäure (HBO₂) oder bei weiterer
Abgabe von Kristallwasser zu einer glasigen Schmelze auf der
Substratoberfläche aufgrund des hohen Temperaturgradienten
zwischen Substratoberfläche und Belegung. Beim Abkühlen der
Schmelze wird die Glasfasermatte mit diesem Verfahrensschritt
auf der Substratoberfläche fixiert.
Anschließend wird das Blech mit fixierter Glasfasermatte in
einen Nickelelektrolyten mit einem pH-Wert von 3,5 bis 4,5 und
einer Zusammensetzung aus
30 g/l NiCl₂ · 6H₂O
30 g/l H₃BO₃
300 g/l Nickelsulfamat
0,2 bis 0,4 Vol.-% Natrium-2-Ethylhexylsulfonat
getaucht und eine Gleichstromstärke von 4 A pro dm² für 24 Stunden bei einer Badtemperatur von 50 bis 60°C eingestellt.
30 g/l NiCl₂ · 6H₂O
30 g/l H₃BO₃
300 g/l Nickelsulfamat
0,2 bis 0,4 Vol.-% Natrium-2-Ethylhexylsulfonat
getaucht und eine Gleichstromstärke von 4 A pro dm² für 24 Stunden bei einer Badtemperatur von 50 bis 60°C eingestellt.
Dabei geht zunächst die Borsäure, die die Glasmatte fixiert hat
in Lösung und die Fixierung wird von sich abscheidendem Nickel
übernommen, bis die Glasfasermatte vollständig in einer Nickelmatrix
eingebaut ist.
Abschließend kann die Haftung der Verbundschicht auf dem Eisenblechsubstrat
durch einen Wärmeschritt bei 150 bis 500°c für 1
bis 10 Stunden verbessert werden.
Es wird ein Metallpulver aus CoCrAlY mit einer mittleren Korngröße
von 100 µm im Volumenverhältnis 3 : 1 mit ortho-Borsäurepulver
einer mittleren Korngröße von 30 µm gemischt und die Schaufelblattoberfläche
einer Turbinenschaufel aus einer Ni-Basislegierung
bei 180 bis 190°C mit dieser Mischung belegt. Dabei
setzt ein Reaktionsschmelzen der kristallinen ortho-Borsäure
ein, so daß die ortho-Borsäure unter Abgabe von Kristallwasser
zu meta-Borsäure bzw. bei weiterer Abgabe von Kristallwasser zu
einer glasigen Schmelze umgewandelt wird. Beim Abkühlen der
Schmelze werden die CoCrAlY-Partikel auf der Schaufelblattoberfläche
fixiert.
Anschließend wird die abgekühlte Schaufel in ein Nickelbad für
stromlose Abscheidung von Nickel mit einem pH-Wert von 4,5 bis
4,8 und einer Zusammensetzung von
20 bis 40 g/l Nickelchlorid
5 bis 15 g/l Natriumhypophosphit
2 bis 10 g/l Natriumglykolat
getaucht. Dabei geht die Borsäure in Lösung und die obersten Partikel werden bis auf eine Monolage auf der Schaufeloberfläche abgespült. Die Fixierung der Monolage aus CoCrAlY-Partikeln durch die erstarrte Borsäureschmelze wird von einer Fixierung durch sich abscheidendes Nickel abgelöst. Innerhalb von 10 Stunden bei einer Badtemperatur von 50 bis 60°C werden die oberflächennahen CoCrAlY-Partikel von einer Ni-Matrix vollständig zu einer Monolage eingeschlossen.
20 bis 40 g/l Nickelchlorid
5 bis 15 g/l Natriumhypophosphit
2 bis 10 g/l Natriumglykolat
getaucht. Dabei geht die Borsäure in Lösung und die obersten Partikel werden bis auf eine Monolage auf der Schaufeloberfläche abgespült. Die Fixierung der Monolage aus CoCrAlY-Partikeln durch die erstarrte Borsäureschmelze wird von einer Fixierung durch sich abscheidendes Nickel abgelöst. Innerhalb von 10 Stunden bei einer Badtemperatur von 50 bis 60°C werden die oberflächennahen CoCrAlY-Partikel von einer Ni-Matrix vollständig zu einer Monolage eingeschlossen.
Abschließend wird diese Verbundbeschichtung bei 1000 bis 1150°C
für 5 Stunden Wärme behandelt. Dabei bildet sich eine korrosionsfeste
Beschichtung mit einem hohen Anteil an CoNiCrAlY-
Phasen aus.
Eine Verdichterschaufel aus einer Titanlegierung wird zunächst
bis auf die Stirnfläche der Schaufelspitze mit einer
Maskierung vollständig abgedeckt. Zur Herstellung einer
abrasiven Schaufelspitze, auch Schaufelpanzerung genannt, wird
die Schaufel anschließend auf 180 bis 200°C erhitzt und mit
einer Mischung aus ortho-Borsäure-Pulver von einer mittleren
Korngröße von 30 µm und kubischen Bornitridpartikeln einer
mittleren Korngröße von 250 µm
belegt. Auf der heißen
Bauteiloberfläche bildet sich eine Reaktionsschmelze aus, so
daß beim Abkühlen der glasigen Schmelze eine Monolage von
Bornitridpartikeln auf der Schaufelspitze fixiert ist.
Anschließend wird die Schaufel in ein galvanisches Nickelbad
einer Zusammensetzung von
300 g/l Nickelsulfat,
40 g/l ortho-Borsäure
4 ml/l Natrium-2-ethylhexylsulfonat
getaucht. Während die erstarrte glasige Schmelze in Lösung geht, wird bei einer Stromdichte von 4 A pro dm² und einer Badtemperatur von 50°C innerhalb von 6 Stunden eine Nickelmatrix abgeschieden, die die Bornitridpartikel vollständig oder bis zu 2/3 ihrer Länge einschließt.
300 g/l Nickelsulfat,
40 g/l ortho-Borsäure
4 ml/l Natrium-2-ethylhexylsulfonat
getaucht. Während die erstarrte glasige Schmelze in Lösung geht, wird bei einer Stromdichte von 4 A pro dm² und einer Badtemperatur von 50°C innerhalb von 6 Stunden eine Nickelmatrix abgeschieden, die die Bornitridpartikel vollständig oder bis zu 2/3 ihrer Länge einschließt.
Werden die Bornitridpartikel nur bis 2/3 ihrer Länge in eine
Nickelmatrix eingeschlossen, so bilden sie eine zahnartige
abrasive Schaufelpanzerung an der Schaufelspitze. Der Schutzbelag
aus beispielsweise thermoplastischem Kunststoff oder Wachs
wird abschließend von den abgedeckten Oberflächenbereichen der
Schaufel entfernt.
Ein Anstreifsegment eines Mantelringes eines Triebwerks wird
mit einer Mischung aus pulverisierten Phosphiten und Graphitartikeln
(Kugelgraphit, Durchmesser 80 µm) belegt. Nach
Aufheizen des Anstreifsegmentes auf 180 bis 200°C sind die
Graphitpartikel auf der Oberfläche des Anstreifsegmentes durch
die sich bildende wasserlösliche Substanz fixiert.
Nach Eintauchen für 5 Stunden in einen Blei/Indium Elektrolyten
bei einer Stromstärke von 4 A pro dm² sind die Graphitpartikel
als Monolage von einer Blei/Indiummatrix eingeschlossen. Nach
dem Trocknen der Verbundbeschichtung wird das beschichtete Bauteil
erneut belegt und eine zweite Monolage aus Kugelgraphit
mit einem Durchmesser von 40 µm in eine Blei/Indiummatrix galvanisch
eingebettet. Danach erfolgt die Herstellung einer dritten
Monolage mit einem Kugelgraphitdurchmesser von nur noch 20 µm.
Es lassen sich mit dem erfindungsgemäßen Verfahren äußerst komplexe
Verbundbeschichtungen realisieren, die den technischen
Anforderungen exakt angepaßt werden können.
Claims (24)
1. Verfahren zur Herstellung von Bauteilen oder Substraten
mit Verbundbeschichtungen mittels galvanischer oder
stromloser Abscheidung von Metallen, gekennzeichnet durch
folgende Verfahrensschritte:
- a) Belegen einer Bauteil- oder Substratoberfläche mit einer Mischung aus wasserlöslichen pulverisierten oder getrockneten Salzen oder Säuren und dispersen Partikel, Fasern, Filzen, Matten oder Geweben,
- b) Reaktionsschmelzen des Salzes oder der Säure zu einer wasserlöslichen Substanz,
- c) Auflösen der wasserlöslichen Substanz durch Eintauchen des abgekühlten Bauteils oder des Substrats in ein galvanisches oder stromloses Abscheidebad und Abscheidung einer metallischen Matrix unter Einbau der dispersen Partikel, Fasern, Filze, Matten oder Gewebe in die Matrix auf dem Bauteil oder Substrat.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
Bauteil- oder Substratoberfläche beim oder vor dem Belegen auf
eine Temperatur zum Reaktionsschmelzen des Salzes oder der
Säure zu einer wasserlöslichen Substanz aufgeheizt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß das Salz oder Säurepulver mit den dispersen Partikeln,
Fasern, Filzen, Matten oder Geweben in einem
Volumenverhältnis von 10 : 1 bis 1 : 20 gemischt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß das Bauteil oder Substrat auf eine
Reaktionstemperatur aufgeheizt wird, bei der sich das Salz-
oder Säurepulver zu einer, die dispersen Partikel, Fasern,
Filze, Matten oder Gewebe, fixierenden Schmelze einer
wasserlöslichen Substanz umwandelt.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, daß die dispersen Partikel, Fasern, Filze,
Matten oder Gewebe beim Reaktionsschmelzen von der Substanz
vollständig umhüllt werden.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, daß die dispersen Partikel, Fasern, Filze,
Matten oder Gewebe beim Reaktionsschmelzen von der Substanz
derart fixiert werden, daß ihr Abstand von der Oberfläche
kleiner als 30 µm wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch
gekennzeichnet, daß als Salz- oder Säurepulver kristalline
Borsäure eingesetzt wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch
gekennzeichnet, daß als Salz- oder Säurepulver
wasserlösliche Phosphate oder Phosphite eingesetzt werden.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch
gekennzeichnet, daß als metallische Matrix Cu, Co, Ni, Cr
oder Legierungen derselben abgeschieden werden.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch
gekennzeichnet, daß sich beim galvanischen Abscheiden der
metallischen Matrix Monolagen aus dispersen Partikeln oder
Kurzfasern bilden.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch
gekennzeichnet, daß zur Bildung von Mehrfachlagen aus
dispersen Partikeln oder Kurzfasern in metallischer Matrix
die Verfahrensschritte mehrfach hintereinander durchgeführt
werden.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch
gekennzeichnet, daß für den Einbau von Filzen, Matten oder
Geweben in eine metallische Matrix die unterste Faserlage
der Filze, Matten oder Gewebe durch die wasserlösliche
Substanz fixiert werden.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch
gekennzeichnet, daß für die Mischung aus wasserlöslichen
pulverisierten Salzen oder Säuren und Langfasern auf der
Bauteil- oder Substratoberfläche die Oberfläche zunächst
mit Langfasern, Filzen, Matten oder Geweben belegt und
anschließend das wasserlösliche pulverisierte Salz oder die
Säure aufgestreut wird.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch
gekennzeichnet, daß zur Herstellung der Mischung aus
wasserlöslichen pulverisierten oder getrockneten Salzen
oder Säuren und dispersen Partikeln, Fasern, Filzen, Matten
oder Geweben, die Einlagerungsstoffe zunächst mit einer
Salz- oder Säurelösung getränkt oder in eine Salz- oder
Säurelösung getaucht werden und anschließend die Salz- oder
Säurelösung getrocknet wird.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch
gekennzeichnet, daß als disperse Partikel oder Kurzfasern
Diamant, Oxide, Boride, Karbide, Silizide, Nitride oder
spröde Metalle oder Metallegierungen eingesetzt werden.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch
gekennzeichnet, daß nach der Abscheidung die
Verbundbeschichtung einer Wärmebehandlung unterworfen wird.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch
gekennzeichnet, daß als disperse Partikel, Fasern, Filze,
Matten oder Gewebe Kunststoffe, vorzugsweise Polyimid oder
PTFE eingesetzt werden.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch
gekennzeichnet, daß als disperse Partikel
Festschmierstoffe, vorzugsweise hexagonales BN oder Graphit
zugemischt werden.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch
gekennzeichnet, daß Fasern, Filze, Matten oder Gewebe aus
Quarzglas, Glas, Kohlenstoff oder Graphit in die
metallische Matrix eingebaut werden.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch
gekennzeichnet, daß Titanfasern in eine metallische Matrix
vorzugsweise aus intermetallischen Verbindungen eingebaut
werden.
21. Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 20
zur Herstellung von Ein- oder Anlaufbelägen, vorzugsweise
aus Nickelmatrix mit dispersen Partikeln aus kubischem
Bornitrid.
22. Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 20
zur Herstellung von Dichtungsbelägen, vorzugsweise zur
Herstellung von Dichtspitzen auf Turbinenschaufeln, auf
Labyrinthdichtungen oder auf Deckbandsegmenten von
Triebwerksschaufeln.
23. Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 20
zur Herstellung von Abrasivschichten, vorzugsweise zur
Herstellung von Schleifscheiben.
24. Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 20
zur Herstellung von faserverstärkten
Metallegierungsschichten.
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