DE4439950C2 - Metallisches Bauteil mit einer Verbundbeschichtung, Verwendung, sowie Verfahren zur Herstellung von metallischen Bauteilen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein metallisches Bauteil oder Substrat mit einer Verbundbeschichtung, welche in einer metallischen Matrix eingebettete, disperse Hartstoffpartikel aufweist, ein Verfahren zu seiner Herstellung und eine Verwendung eines derartigen metallischen Bauteils.

Zur Herstellung verschleißfester Beschichtungen sind unterschiedliche Verfahren bekannt. Die DE 36 31 475 A1 offenbart z. B. ein Verfahren zur Bildung einer verschleißfesten Chromkarbidbeschichtung auf einer Metalloberfläche, bei dem ein Cr₃C₂ enthaltendes Gemisch unter oxydierenden Bedingungen auf die Metalloberfläche aufgebracht und gehärtet wird.

Dagegen wird in der US 4,927,713 vorgeschlagen, zur Ausbildung einer erosionsbeständigen Beschichtung verschiedene Schichten aus Wolfram und Wolframkarbid aufzubringen.

In der DE 21 15 358 C2 ist ein Verfahren zur Herstellung einer Schicht aus einem in einer Metallmatrix dispergierten Füllstoff gezeigt, bei dem eine Beschichtung aus fein-dispersem Füllstoff, einem organischen Bindemittel und einem Metall auf einen Träger aufgebracht und erhitzt wird. Das Aufbringen erfolgt in zwei Schichten, wobei eine Schicht dem Füllstoff und das Bindemittel enthält, während die andere Schicht das Metall enthält.

Ergänzend zeigt die DE 41 26 240 C1 Stabsegmente für Pflanzenölpressen aus Stahl mit verschleißfesten Beschichtungen aus einem Verbundwerkstoff, der einen Hartstoff und eine Lotlegierung umfaßt.

Durch ständige Leistungssteigerung moderner Flugtriebwerke treten beispielsweise im Hochdruckverdichter Drücke bis zu 2 MPa bei Temperaturen bis 650°C auf. Unter diesen extremen Bedingungen sind Einlaufbeläge auf der Basis von Nickel und Kohlenstoff, in die sich die Schaufelspitzen beim Anstreifvorgang einarbeiten, nur bedingt geeignet. Die Oberflächen dieser herkömmlichen Einlaufbeläge werden durch Erosion bis zum totalen Verlust abgetragen. Durch härtere und erosionsfestere Einlaufbeläge werden jedoch die anstreifenden Schaufel bis hin zum Schaufelbruch gefährdet. Durch Panzerung der Schaufelspitzen mittels komplexer Verbundbeschichtungen, wie sie aus US-PS-4,169,020 bekannt sind, die in einer metallischen Matrix einge­ bettete, disperse Hartstoffpartikel aufweisen, kann dieses Problem gelöst werden.

Mit dem aus US-PS-4,169,020 bekannten Verfahren werden die Hartstoff­ partikel, die in ein galvanisches Bad als Schwebeteilchen eingebracht werden, während einer galvanischen Abscheidung des Matrixmetalls eingefangen und auf der Bauteiloberfläche mit der galvanisch abge­ schiedenen Matrix fixiert. Dieses Verfahren hat den Nachteil, daß die Partikelanordnung in der Matrix völlig unkontrolliert erfolgt. Außer­ dem können mit diesem Verfahren nur relativ kleine, schwebefähige Partikel in das Matrixmetall eingebracht werden. Schließlich kann die Zusammensetzung der Matrix in Bezug auf den Grundwerkstoff nicht optimiert werden, da komplexe Matrixzusammensetzungen nur beschränkt durch galvanische Abscheidung darstellbar sind.

Aus der DE 42 41 420 C1 ist ein gattungsgemäßes Ver­ fahren bekannt, daß die Hartstoffpartikel zunächst auf dem Bauteil oder Substrat mit einer Salzschmelze fixiert und anschließend die metallische Matrix galvanisch abscheidet.

Dieses Verfahren hat den Nachteil, daß äußerst kritische Verfahren­ sparameter beim galvanischen Abscheiden einzuhalten sind, um einen Verlust an durch Salz fixierte Hartstoffpartikel zu minimieren, da das Salz im galvanischen Bad aufgelöst wird und die Fixierung der Hartstoffpartikel Zug um Zug von Metallabscheidungen gesichert werden muß. Darüber hinaus ist bei diesem Verfahren die Zusammensetzung der Matrixlegierung äußerst begrenzt und nicht frei wählbar.

Standard Hart- oder Weichlotverfahren scheitern an der Unbenetzbar­ keit der Hartstoffpartikel oder den relativ kleinen Berührungsflächen zwischen Hartstoffpartikeln und Bauteil- oder Substratoberfläche, so daß lediglich ein dünnschichtiges Ankleben erfolgt, aber der Aufbau einer die Hartstoffpartikel größtenteils umhüllenden metallischen Matrix nicht erreicht wird. Zur Auffüllung der Zwischenräume mit Matrixmaterial muß deshalb zusätzlich ein Verfahrensschritt erfolgen, der oftmals an der Unbenetzbarkeit der Hartstoffpartikel scheitert oder mit derart hohen Schmelztemperaturen gefahren werden muß, daß sich die Lötschicht auflöst.

Besondere Schwierigkeiten entstehen bei modernen Verdichtern für die Panzerung von Laufschaufeln der hinteren Stufen, da die zur Verfügung stehende Beschichtungsfläche an den Schaufelspitzen äußerst klein ist gegenüber Turbinenschaufeln oder Schaufelspitzenflächen der vorderen Stufen. Panzerungen in Form von Kronen auf den Schaufelspitzen, wie sie aus US-PS 4,169,020 oder der DE 42 41 420 C1 bekannt sind, können für Laufräder der hinteren Verdichterstufen nicht verwendet werden. Eine weitere Schwierigkeit besteht darin, daß zunehmend als Basiswerkstoff für die hinteren Verdichterstufen Titan eingesetzt wird. Titanbasislegierungen neigen insbesondere zu erhöh­ ter Rißbildung verglichen mit Eisen-, Nickel- oder Kobaltbasislegie­ rungen. Deshalb wirken in Schichten eingebrachte Hartstoffpartikel auf den Spitzen von Laufschaufeln aus einer Titanbasislegierung häu­ fig als Rißkeime oder die erforderliche Wärmebehandlung der Panzerung bei hohen Temperaturen beeinflußt in ungünstiger Weise das Werkstoff­ gefüge der Laufschaufeln. Beide Effekte führen nachteilig zu einer deutlichen Herabsetzung der Schwingfestigkeit der Laufschaufeln aus Titanbasislegierung mit herkömmlich aufgebrachter Panzerung. Die Folge ist ein vorzeitiger Schaufel­ blattverlust in den hinteren Stufen eines Verdichters, der bis zur Funktionsunfähigkeit eines Triebwerks führen kann.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein gattungsgemäßes Bauteil und ein Verfahren zu des­ sen Herstellung anzugeben, wodurch die Nachteile im Stand der Technik überwunden werden und eine ausreichend dicke Metallschicht angeben wird, um die Hartstoffpartikel mit einem einzigen Ver­ fahrensschritt darin einzubetten. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, die Zuverlässigkeit der Einbringung von Hartstoffpartikeln in die Bauteil- oder Substratbeschichtung zu steigern und Lösungen zur Einbringung von großvolumigen oder vorgeformten Hartstoffpartikeln in eine metallische Matrix auf einem Bauteil oder Substrat aufzuzeigen.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die Angabe eines Bauteils mit einer Verbundbeschichtung, wobei ein Grundwerkstoff des Bauteils aus einer Titanbasislegierung besteht und sich die Matrix aus einem eu­ tektischen Lot zusammensetzt, das Titan enthält, wobei das Lot durch Aufschmelzen einer auf dem Grundwerkstoff und/oder den Hartstoffpartikeln angebrachten Vorbeschichtung, die aus Lagen der elementaren Komponenten des Lots besteht, gebildet ist, wobei die Lagen in Zusammensetzung und Anordnung derart gestaffelt sind, daß der Schmelzpunkt der elementaren Komponenten des Lots in Richtung auf die äußeren Lagen zunimmt. Dabei umfaßt der Begriff "Bauteil" auch Substrate.

Die Zusammensetzung und Anordnung einer lagenweisen Vorbeschichtung aus den elementaren Komponenten des Matrixwerkstoffes auf dem Bau­ teil, dem Substrat oder den Hartstoffpartikeln hat den Vorteil, daß eine derartige Vorbeschichtung beliebig dick gestaltet werden kann, so daß genügend Matrixmaterial zur Verfügung steht, um in einem Ver­ fahrensschritt die Verbundschicht auf dem Bauteil oder dem Substrat zu bilden. Dabei sind die Lagen der Vorbeschichtung in ihrer Dicke so exakt aufeinander abstimmbar, daß ein entsprechendes eutektisches Aufschmelzen der Lagen der Vorbeschichtung zu einem eutektischen Lot möglich wird. Dazu wird eine eutektische Legierung des Basiselements des Grundwerkstoffs des Bauteils oder Substrats gewählt, die den Vorteil hat, daß ihr Schmelzpunkt unterhalb des Schmelzpunktes des Basiselements des Grundwerkstoffs liegt, so daß gewährleistet ist, daß sich der Grundwerkstoff bei der erforderlichen thermischen Be­ handlung während des Erschmelzens der Matrix aus den Lagen der Vorbe­ schichtung strukturell nicht verändert und thermisch bedingte Schäden ausgeschlossen werden. Außerdem garantiert die Vorbeschichtung aus den elementaren Komponenten einer eutektischen Legierung des Basise­ lements des Grundwerkstoffs in der erfindungsgemäßen Reihenfolge, daß beim Aufschmelzen der lagenweisen Vorbeschichtung eine intensive Verbindung an der Grenzschicht zwischen der Bauteil- oder Substrato­ berfläche und der Matrix über eutektisch anschmelzende Bereiche der Bauteil- oder Substratoberfläche entsteht. Verstärkt wird diese posi­ tive Wirkung durch die Staffelung der Lagen, indem der Schmelzpunkt der elementaren Komponenten des Lots oder der Vorbeschichtung in Richtung auf die äußeren Lagen zunimmt. Außerdem wird damit vorteil­ haft erreicht, daß die lagenweise Vorbeschichtung äußerst wider­ standsfähig gegenüber Umwelteinflüssen bleibt und für längere Zwi­ schenlagerungen geeignet ist.

Vorzugsweise bestehen die Hartstoffpartikel aus einem Karbid, Nitrid, Oxid oder Mischungen derselben, wobei der Härtegrad für den Einsatz entscheidend ist. So wird vorzugsweise kubisches Bornitrid, Chromkar­ bid, Siliziumkarbid, Korund (Aluminiumoxid) oder Titankarbid als Hartstoff verwendet, da sich diese Materialien durch Temperaturfe­ stigkeit, Oxidationsbeständigkeit und hohen Härtegrad auszeichnen.

Das Matrixmetall soll ein eutektisches Lot des Basismetalls des Bau­ teilwerkstoffs bilden, so daß als weitere elementare Legierungskom­ ponente neben dem Basiselement vorzugsweise Kupfer, Nickel, Zinn, Zink, Silber oder Gold und Mischungen derselben verwendet werden. Entscheidend für die Auswahl und Zusammensetzung ist die Schmelztem­ peraturabsenkung und die Fähigkeit mit dem Basiselement eine eu­ tektische Legierung zu bilden. So hat es sich gezeigt, daß Zugaben von nur 15 Gew.-% Nickel und 15 Gew.-% Kupfer zum Titan, das erst bei etwa 1660°C schmilzt, eine beträchtliche Absenkung des Matrix­ schmelzpunktes ermöglicht, so daß diese Lotzusammensetzung bei­ spielsweise für Bauelemente eingesetzt werden kann, die aus einer Titanbasislegierung bestehen.

Zu den bevorzugten Grundwerkstoffen des metallisches Bauteils oder Substrats auf dem die erfindungsgemäße Verbundbeschichtung aufge­ bracht wird, gehören Nickel-, Kobalt-, Eisen- oder Titanbasislegie­ rungen. Gerade diese Legierungen sind im Triebwerksbau verbreitet und dienen als Werkstoffe für Schaufelblätter, Rotorscheiben und Tur­ binenwellen, so daß es vorteilhaft ist, eine erfindungsgemäße Panze­ rung auf Bauteilen aus derartigen Grundwerkstoffen an exponierten Stellen in einem Triebwerk aufzubringen. Entsprechend ist vorzugs­ weise die metallische Matrix dieser Panzerung eine eutektische Lotlegierung mit Anteilen von Nickel-, Kobalt-, Eisen- bzw. Titan, wobei vorzugsweise der Anteil des Basiselements des Bauteils im Lot mindestens 60 Gew.-% der Lotzusammensetzung ist.

Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein erfindungsgemäßes metallisches Bauteil als Schaufel einer Strömungsmaschine, als Labyrinthdichtung auf einem Deckband einer Strömungsmaschine, oder als Rotor verwendet, wobei die Verbundbeschichtung ein abrasiver Belag ist, vorzugsweise ein Dichtbelag.

Das erfindungsgemäße metallische Bauteil kann auch als Laufschaufel für eine Verdichterstufe eines Triebwerks verwendet werden, oder als Schleifscheibe, wobei die Verbundbeschichtung eine abrasive Schicht ist.

Zur Herstellung von metallischen Bauteilen- oder Substraten mit Verbundbeschichtung, welche in einer metallischen Matrix eingebettete, disperse Hartstoffpartikel aufweist werden folgende Verfahrensschritte durchgeführt:

• a) lagenweises Beschichten des Grundwerkstoffs oder der Hartstoffpartikel mit den elementaren Komponenten eines eutektischen Lots, das das Basismetall des Grundwerkstoffs enthält, wobei die Lagen in Zusammensetzung und Anordnung derart gestaffelt werden, daß die elementare Komponente mit dem höchsten Schmelzpunkt als letzte aufgebracht wird,
• b) Bestücken des Bauteils oder Substrats mit den Hartstoffpartikeln,
• c) Aufschmelzen der Lotkomponenten bei Löttemperatur unter Schutzgas oder in Vakuum zu einer die Hartstoffpartikel mindestens teilweise einhüllenden Matrix,
• d) Fixieren der Verbundschicht durch Abkühlen.

Dieses Verfahren hat den Vorteil, daß das Volumen des gesamten Bedarfs an Matrixmetall in den Beschichtungslagen untergebracht werden kann und mit dem eutektischen Aufschmelzen dieser Beschichtungslagen eine perfekte Verbundschicht aus Matrixmetall und Hartstoffpartikeln ohne Beschädigung der Bauteil- oder Substratoberflächen und ohne Verlust von Hartstoffpartikeln in einem Verfahrensschritt erfolgt. Dieses Verfahren reduziert deshalb die Herstellungskosten.

Außerdem garantiert die Vorbeschichtung aus den Lagen von elementaren Komponenten einer eutektischen Legierung des Basiselements des Grund­ werkstoffs, daß beim Aufschmelzen der lagenweisen Vorbeschichtung eine intensive Verbindung an der Grenzschicht zwischen der Bauteil- oder Substratoberfläche und der Matrix über eutektisch anschmelzende Bereiche der Bauteil- oder Substratoberfläche entsteht. Verstärkt wird diese positive Wirkung durch die Staffelung der Lagen, indem der Schmelzpunkt der elementaren Komponenten des Lots oder der Vorbe­ schichtung in Richtung auf die äußeren Lagen zunimmt. Dadurch, daß die niedrigschmelzende Komponente zuerst schmilzt und mit der Ober­ fläche des Bauteils, des Substrats oder des Hartstoffpartikels rea­ gieren kann noch bevor sich das eutektische Lot vollständig zu einer zunächst schmelzfüssigen Matrix ausgebildet hat, wird eine hervor­ ragende Haftung zwischen Matrix und Bauteil bzw. Substrat erreicht und falls die Hartstoffpartikel benetzbar sind, ist auch eine inten­ sive Vernetzung zwischen der Oberfläche der Hartstoffpartikel und der Matrix möglich.

Zur Verbesserung dieser Benetzbarkeit können die Hartstoffpartikel vorzugsweise mit einer Schicht aus dem Basismetall des Grundwerk­ stoffs beschichtet werden. Außerdem können das Bauteil oder das Substrat vorzugsweise mit einer Schicht aus dem Basismetall des Grundwerkstoffs beschichtet werden, um die Grenzschicht zwischen Grundwerkstoff und Matrix vor einem unmittelbaren Angriff durch das eutektische Lot zu schützen und um vorteilhaft eine Verarmung des Basiselements im Grundwerkstoffs an der Schmelzgrenze zwischen nie­ drigschmelzender eutektischer Legierungskomponente und Grundwerkstoff zu vermeiden.

Bei einer bevorzugten Durchführung des Verfahrens erfolgt die Auf­ bringung der Lagen aus elementaren Komponenten mittels physikalischer Abscheidung, vorzugsweise Aufstäuben, Aufdampfen oder Aufspritzen oder mittels chemischer Abscheidung aus der Gasphase (CVD). Das hat den Vorteil, daß die für eine Zusammensetzung des eutektischen Lots, das das Basiselement des Grundwerkstoffs enthält, erforderlichen Legierungskomponenten genau nach der Staffelung ihres Schmelzpunktes und des prozentualem Anteils in der Legierung genau dosiert und la­ genweise aufgebracht werden können. Der prozentuale Anteil bestimmt dabei die Dicke jeder Lage und der Schmelzpunkt legt die Reihenfolge der Lagen fest.

Eine weitere bevorzugte Durchführung des Verfahrens sieht vor, daß die Lagen aus elementaren Komponenten vorzugsweise auf dem Bauteil oder Substrat galvanisch aufgebracht werden. Gegenüber der bisherigen Abscheidung, bei der versucht wird, von vornherein die endgültige Zu­ sammensetzung der Matrix abzuscheiden, hat dieses Verfahren den Vor­ teil, daß wesentlich präziser und in der Komponenten-Wahl auch freier die Lotzusammensetzung durch lagenweises galvanisches Abscheiden eingestellt werden kann.

Zur Fixierung der Hartstoffpartikel auf den bauteilseitigen Lagen kann eine äußere Schicht aus Klebstoff, vorzugsweise aus einem ther­ moplastischen Kunststoff aufgebracht werden und die Verklebung beim oder nach dem Belegen erfolgen. Diese zusätzliche Klebeschicht hat den Vorteil, daß einzelne großvolumige oder vorgeformte Hartstoff­ partikel präzise auf der Bauteil- oder Substratoberfläche angeordnet werden können. Eine Klebeschicht aus thermoplastischem Kunststoff ermöglicht außerdem, daß mittels einfacher Erwärmung die Klebewirkung der Klebeschicht aktiviert wird und bei entsprechender Abkühlung die Hartstoffpartikel fixiert werden. Das thermoplastische Material kann anschließend beim Aufschmelzen des eutektischen Lotes als Flußmittel dienen und in der Endphase der Aufschmelzung rückstandsfrei ver­ dampfen.

Die bauteilseitige lagenstaffelung kann vorzugsweise auch als Folie aufgebracht werden. Eine derartige Folie besteht aus den erfindungs­ gemäß vorgegebenen Lagen der elementaren Komponenten des eutektischen Lots. Diese Lösung hat den Vorteil, daß eine Vorfertigung für den Matrixwerkstoff in geeigneter Dicke durchgeführt werden kann und anschließend an die Geometrie des Bauteils oder Substrats angepaßte Stücke der Folie vorzugsweise durch Widerstandspunktschweißen auf der Bauteil- oder Substratoberfläche fixiert werden.

Weiterhin kann vorzugsweise die bauteilseitige Lotschicht durch eine Verbundfolie aufgebracht werden. In der Verbundfolie kann ein Lotpul­ ver aus elementaren Komponenten in ein Harz eingebunden sein oder es können Lotfasern oder -drähte zu einem Vlies geformt sein, das mit Harz zu einer Verbundfolie getränkt ist. Sowohl das Lotpulver als auch die Lotfasern oder -drähte weisen dabei die erfindungsgemäße Lagenstruktur auf. Das Harz dient dabei als Flußmittel und zum Ver­ kleben der Hartstoffpartikel beim Bestücken der Bauteile oder Sub­ strate. Es besteht darüberhinaus die Möglichkeit, vorzugsweise die Hartstoffpartikel in die Verbundfolie einzubetten, so daß bei­ spielsweise ein Vlies vorliegt, das sämtliche Komponenten der zu bildenden Verbundbeschichtung umfaßt. Beim Aufschmelzen des Lotpul­ vers oder der Lotfasern oder -drähte dampft das Harz bzw. Fluß­ mittel ab. Die Verbundfolie hat den Vorteil, daß sie mechanisch äuß­ erst flexibel ist und auf die kompliziertesten Bauteil- oder Substra­ toberflächenstrukturen aufgebracht werden kann.

Sollte das Harz der Verbundfolie nicht ausreichen, eine Klebewirkung zur Aufbringung von Hartstoffpartikeln auf ein Substrat oder eine Bauteiloberfläche zu entfalten oder wird eine metallische Lötfolie eingesetzt, so kann die Folie oder die Verbundfolie mittels eines Klebstoffs, vorzugsweise eines entsprechenden Harzes, auf der Bauteil- oder Substratoberfläche fixiert werden. Alternativ ist bei ausreichender Leitfähigkeit der Folie auch ein Anpunkten durch elek­ trisches Widerstandsschweißen möglich.

Zur Fixierung einzelner bereits mit einer Metallschicht oder der erfindungsgemäßen metallischen Vorbeschichtung belegten Hartstoff­ partikel auf der Bauteil- oder Substratoberfläche wird vorzugsweise eine Widerstandsschweißung angewandt. Dazu wird eine Widerstands­ schweißelektrodenspitze auf ein Hartstoffpartikel aufgesetzt und unter einem Stromimpuls das Hartstoffpartikel mit seinen Berührungs­ punkten mit der Bauteiloberfläche verbunden. Die Elektrodenspitze kann auch flächig ausgebildet sein, so daß nicht jedes Hartstoff­ partikel einzeln sondern größere Bereiche mit Hartstoffpartikeln bestückt werden können. Diese Verfahrensvariante eignet sich be­ sonders bei der Verwendung von vorgeformten Hartstoffpartikeln.

In einer anderen bevorzugten Durchführung des Verfahrens werden die Hartstoffkörner mit einer Paste aus Flußmittel und den elementaren Komponenten des Lots in Pulverform vermischt und dann auf die Ober­ flächen aufgebracht und danach erfolgt das Aufschmelzen. Dieses Ver­ fahren ist besonders vorteilhaft für kleinvolumige Hartstoffpartikel geeignet. Dabei weist das Lotpulver die erfindungsgemäße Lagenstaffe­ lung auf.

Im wesentlichen wird das Verfahren zur Herstellung von abrasiven Belägen, vorzugsweise zur Herstellung von Dichtbelägen auf Schaufeln von Strömungsmaschinen, auf Labyrinthdichtungen, auf Deckbändern von Strömungsmaschinen oder auf Rotoren an exponierten Stellen wie Schau­ felspitzen oder Dichtspitzen verwendet. Aber auch eine Anwendung des Verfahrens und Materials nach einem der Ansprüche 1 bis 16 zur Her­ stellung von Abrasivschichten, vorzugsweise zur Herstellung von Schleifscheiben ist vorteilhaft.

Insbesondere ist es vorteilhaft, die erfindungsgemäße Beschichtung und das erfindungsgemäße Verfahren auf Laufschaufeln aus Titanba­ sislegierungen anzuwenden, wobei vorzugsweise der mittlere Partikel­ durchmesser der Hartstoffpartikel in der Panzerung mindestens 10 µm ist. Dadurch wird vorteilhaft ein ausreichendes Einlaufverhalten der Panzerung erreicht. Die obere Grenze des mittleren Partikeldurch­ messers ist von der Dicke des Schaufelblattes im Bereich der Schau­ felblattspitze abhängig und sollte vorzugsweise 200 µm nicht über­ schreiten. In Bezug auf die maximale Schaufelblattdicke liegt die obere Grenze für den Durchmesser der Hartstoffpartikel bei der Hälfte der maximalen Schaufelblattdicke im Bereich der Schaufelblattspitze. Weiterhin wird vorzugsweise ein Abstand zwischen den Hartstoffparti­ keln in der Größenordnung des mittleren Durchmessers der Partikel eingehalten, wodurch vorteilhaft die Schneidwirkung der Partikel verbessert wird. Schließlich ragen die Partikel aus ihrer Einbet­ tung durch die Lötmatrix um mindestens ein Drittel Ihres mittleren Durchmessers heraus.

Mit den folgenden Figuren werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung erläutert.

Fig. 1 zeigt eine Schaufel eines Laufrades eines Triebwerks mit einer Spitzenpanzerung des Schaufelblattes.

Fig. 2a-c zeigen Anordnungsmöglichkeiten einer Schaufelspitzenpanzerung am Beispiel eines Querschnitts entlang der Linie A-A der Fig. 1.

Fig. 3 zeigt Deckbandsegmente zweier Schaufelgittersegmente, deren Stirnflächen mit einer erfindungsgemäßen Schutzschicht versehen sind.

Fig. 4 zeigt drei Labyrinthdichtspitzen auf einer Triebwerkswelle.

Fig. 5 zeigt eine rotierende Prifilschleifscheibe mit erfindungsgemäßer, schneidfähiger Panzerung.

Fig. 6 zeigt eine Räumnadel mit erfindungsgemäßer schneidfähiger Panzerung.

Fig. 1 zeigt eine Schaufel 1 eines Laufrades eines Triebwerks mit einer Spitzenpanzerung 2 des Schaufelblattes 3 im Bereich der Schau­ felblattspitze 4. Ein derartiges metallisches Bauteil 6 oder Substrat mit einer Verbundbeschichtung 5 in Form einer Spitzenpanzerung 2, ist besonders geeignet, sich mit seinem Anlaufbelag, der Spitzenpanzerung 2, in einen Einlaufbelag zur Bildung einer möglichst engen Spaltdich­ tung zwischen Schaufelblattspitze und Triebwerksgehäuse einzuarbei­ ten.

Die schleifenden oder schneidfähigen Hartstoffpartikel des Anlaufbe­ lages werden dazu in eine metallische Matrix eingebettet, die den Hartstoffpartikeln den nötigen Halt bietet und gleichzeitig mit dem Bauteil 6 häufig über eine Haftschicht verbunden ist. Erfindungsgemäß bestehen in diesem Beispiel Matrix und Haftschicht aus einem eu­ tektischen Lot, dessen Legierung mindestens den Basiswerkstoff des Bauteils 6 oder Substrats aufweist. Somit wird allein durch den An­ teil des Basiswerkstoffs im Lot eine hervorragende Verträglichkeit mit dem Grundwerkstoff des Bauteils 6 oder Substrats gewährleistet. Die Verträglichkeit bezieht sich sowohl auf den thermischen Ausdeh­ nungskoeffizienten des Bauteils 6 und der Panzerung 2 als auch auf die Haftfähigkeit der Matrix bzw. des Lotes auf dem Bauteil 6. In diesem Beispiel besteht das Bauteil 6 aus einer Titanbasislegierung und das Lot enthält bis zu 70 Gew.-% Titan.

Weitere, den Schmelzpunkt herabsetzende Komponenten des Lots wie in diesem Beispiel Kupfer und Nickel sind lagenweise als Legierungs- oder Lotelemente auf dem Bauteil 6 oder auf dem Substrat oder auf den Hartstoffpartikeln als Vorbeschichtung aufgebracht und bilden beim Aufschmelzen bei Löttemperatur zusammen mit dem Anteil des Basis­ metalls die metallische Matrix. Dabei setzt sich die Vorbeschichtung aus Lagen der elementaren Komponenten des Lots zusammen und die Lagen sind in Zusammensetzung und Anordnung derart gestaffelt, daß der Schmelzpunkt der elementaren Komponenten des Lots in Richtung auf die äußeren Lagen zunimmt. In diesem Beispiel sind für eine 100 µm dicke Vorbeschichtung auf die Stirnfläche der Schaufelblattspitze 4 zu­ nächst das niedrigschmelzende Kupfer in einer Dicke von 9 µm aufge­ bracht worden. Darauf ist eine 9 µm dicke Nickelschicht abgeschieden und zum Abschluß eine 82 µm dicke Titanschicht aufgestäubt worden, so daß beim Aufschmelzen bei Löttemperatur ein Lot aus 15 Gew.-% Kupfer, 15 Gew.-% Nickel und 70 Gew.-% Titan entsteht, das die Hartstoffparti­ kel, die in diesem Beispiel einen mittleren Durchmesser von 80 µm aufweisen und aus kubischem Bornitrid bestehen, umschließt und an die Stirnseite der Schaufelspitze bindet. Die maximale Schaufelbreite im Bereich der Schaufelspitze ist in diesem Beispiel lediglich 200 µm, da es sich um eine Laufradschaufel der hinteren Stufen eines Ver­ dichters handelt.

Eine derartige Panzerung 2 einer Schaufelspitze 4 kann in Bezug auf die Bewegungsrichtung C des Laufrades unterschiedlich angeordnet sein. Die Fig. 2a-c zeigen diese Anordnungsmöglichkeiten einer Schau­ felspitzenpanzerung 2 am Beispiel eines Querschnitts entlang der Linie A-A der Fig. 1. In Fig. 2a ist lediglich die Vorderseite im Be­ reich der Schaufelspitze 4 gepanzert. Fig. 2b zeigt eine Panzerung 2 sowohl auf der Stirnseite der Schaufelspitze 4 als auch auf der Vor­ derseite des Schaufelblattes 3 im Bereich der Schaufelspitze 4. Fig. 2c zeigt die vorteilhafteste Anordnung einer Panzerung 2 auf der Stirnseite der Schaufelspitze 4.

Fig. 3 zeigt Deckbandsegmente 7 und 8 zweier Schaufelgittersegmente 9 und 10, deren Stirnflächen 11, 12, 13 und 14 mit einer erfindungsge­ mäßen Verbundschicht versehen sind. Während des Betriebs des Trieb­ werks reiben die lose gefügten Schaufelgittersegmente 9 und 10 mit ihren Stirnflächen 12, 13 aneinander. Durch die erfindungsgemäße Panzerung 2 der Stirnflächen aus einer metallischen Matrix und Hart­ stoffpartikeln mit einem mittleren Korndurchmesser zwischen 3 und 15 µm werden diese vor Verschleiß und Erosion geschützt.

Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung zeigt Fig. 4 mit drei Labyrinthdichtspitzen 15, 16, 17 auf einer Triebwerkswelle 18, die sich um die Achse 19 dreht. Die Labyrinthdichtspitzen 15, 16, 17 arbeiten sich mit der erfindungsgemäßen Panzerung 2 in Einlaufbe­ läge ein, die ringförmig die Labyrinthdichtspitzen 15, 16, 17 um­ schließen und nach dem Einlaufvorgang eine Dichtung mit minimalem Spalt bilden. Dazu sind die Hartstoffpartikel in die Matrix derart eingebettet, daß sie mindestens ein Drittel ihres mittleren Durch­ messers aus der Matrix herausragen.

Die Erfindung löst auch das Problem des Einschleifens eines Tannen­ baumprofils in die Schaufelfüße, indem entsprechende Pro­ filschleifscheiben 20, wie es Fig. 5 zeigt, auf ihrem profilierten Umfang 21 die erfindungsgemäße Panzerung 2 mit Hartstoffpartikeln eines mittleren Durchmessers zwischen 10 und 100 µm tragen. Die ent­ sprechenden Tannenbaumgegenstücke oder - nuten, die auf dem Umfang der Rotorscheiben verteilt angeordnet sind, können mit passenden Räumnadeln 22, wie es Fig. 6 zeigt, hergestellt werden. Die Räumna­ deln 22 sind dazu in diesem Beispiel mit einer Panzerung 2 be­ schichtet, die Hartstoffpartikel aus Siliziumkarbid mit einem mitt­ leren Partikeldurchmesser zwischen 10 und 100 µm aufweist.

Claims (19)

1. Metallisches Bauteil mit einer Verbundbeschichtung, die in einer metallischen Matrix eingebettete, disperse Hartstoffpartikel aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der Grundwerkstoff des Bauteils aus einer Titanbasislegierung besteht und sich die Matrix aus einem eutektischen Lot zusammensetzt, das Titan enthält, wobei das Lot durch Aufschmelzen einer auf dem Grundwerkstoff und/oder den Hartstoffpartikeln aufgebrachten Vorbeschichtung gebildet ist, die aus Lagen der elementaren Komponenten des Lots besteht, wobei die Lagen in Zusammensetzung und Anordnung derart gestaffelt sind, daß der Schmelzpunkt der elementaren Komponenten des Lots in Richtung auf die äußeren Lagen der Vorbeschichtung zunimmt.

2. Metallisches Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hartstoffpartikel aus einem Karbid, Nitrid, Oxid oder Mischungen derselben bestehen.

3. Metallisches Bauteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil von Titan im Lot mindestens 60 Gew.-% der Lotzusammensetzung beträgt.

4. Metallisches Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die metallische Matrix eine eutektische Titan-Lotlegierung mit weiteren Anteilen von Nickel, Kupfer, Zinn, Zink, Silber, Gold oder deren Mischungen ist.

5. Verwendung eines metallischen Bauteils nach einem der Ansprüche 1 bis 4, als Schaufel einer Strömungsmaschine, als Labyrinthdichtung auf einem Deckband einer Strömungsmaschine, oder als Rotor, wobei die Verbundbeschichtung ein abrasiver Belag ist, vorzugsweise ein Dichtbelag.

6. Verwendung eines metallischen Bauteils nach einem der Ansprüche 1 bis 4, als Laufschaufel für eine Verdichterstufe eines Triebwerks.

7. Verwendung eines metallischen Bauteils nach einem der Ansprüche 1 bis 4, als Schleifscheibe, wobei die Verbundbeschichtung eine abrasive Schicht ist.

8. Verfahren zur Herstellung von metallischen Bauteilen mit Verbundbeschichtung, welche in einer metallischen Matrix eingebettete, disperse Hartstoffpartikel aufweist, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

• a) lagenweise Beschichten einer Titanbasislegierung oder der Hartstoffpartikel mit den elementaren Komponenten eines eutektischen Lots, das Titan enthält, wobei die Lagen in Zusammensetzung und Anordnung derart gestaffelt werden, daß die elementare Komponente mit dem höchsten Schmelzpunkt als letzte aufgebracht wird,
• b) Bestücken des Bauteils mit den Hartstoffpartikeln,
• c) Aufschmelzen der Lotkomponenten bei Löttemperatur unter Schutzgas oder Vakuum zu einer die Hartstoffpartikel mindestens teilweise einhüllenden Matrix,
• d) Fixieren der Verbundschicht durch Abkühlen.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Schritt a) das Bauteil oder die Hartstoffpartikel mit einer weiteren Schicht aus Titan beschichtet werden.

10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufbringung der Lagen aus elementaren Komponenten mittels physikalischer, vorzugsweise Aufstäuben, Aufdampfen oder Aufspritzen oder chemischer Abscheidung aus der Gasphase (CVD) erfolgt.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagen aus elementaren Komponenten vorzugsweise auf dem Bauteil oder Substrat galvanisch aufgebracht werden.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß zur Fixierung der Hartstoffpartikel auf den bauteilseitigen Lagen eine äußere Schicht aus Klebstoff, vorzugsweise aus einem thermoplastischen Kunststoff aufgebracht wird und die Verklebung beim oder nach dem Belegen erfolgt.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die bauteilseitige Lagenstaffelung als Folie aufgebracht wird.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Folie durch Widerstandspunktschweißen auf der Bauteiloberfläche fixiert wird.

15. Verfahren nach Anspruch 8 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die bauteilseitige Lotschicht durch eine Verbundfolie aufgebracht wird, in der Lotpulver aus elementaren Komponenten in ein Harz eingebunden ist, wobei das Harz zum Verkleben der Hartstoffpartikel beim Bestücken der Bauteile oder Substrate und als Flußmittel dient und beim Aufschmelzen des Lotpulvers abdampft.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Folie oder die Verbundfolie mittels eines Klebstoffs, vorzugsweise eines Harzes, auf der Bauteil- oder Substratoberfläche fixiert wird.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die bauteilseitige Lotschicht mit den Hartstoffpartikeln durch eine Verbundfolie aufgebracht wird, die Lotpulver aus elementaren Komponenten des Lotes und Hartstoffpartikel in einem Harz eingebettet aufweist.

18. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die mit metallischen Lagen beschichteten Hartstoffkörner durch Widerstandsschweißung an ihren Berührungspunkten mit der Bauteiloberfläche verbunden werden.

19. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Hartstoffkörner mit einer Paste aus Flußmittel und den elementaren Komponenten des Lots in Pulverform vermischt werden und dann auf die Oberflächen aufgebracht werden und danach das Aufschmelzen erfolgt.