DE69302219T2 - Verfahren zum Anbringen von Schutzüberzügen bildenden Einsätzen auf Gegenständen aus martensitischens Stahl oder aus Titanlegierungen - Google Patents
Verfahren zum Anbringen von Schutzüberzügen bildenden Einsätzen auf Gegenständen aus martensitischens Stahl oder aus TitanlegierungenInfo
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Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufbringen eines Schilds als Schutzbeschichtung auf ein Bauteil aus martensitischem Stahl oder einer Titanlegierung. Diese Schutzbeschichtungen sollen die Abnutzung im Betrieb verringern.
- Die in Betracht kommenden Bauteile können Maschinenteile für die Energieerzeugung wie z.B. Turbinen sein und Elemente bilden, die hinsichtlich ihrer Funktion, ihrer Belastung und ihrer Kosten besondere Bedeutung haben.
- Hier seien beispielsweise bewegliche Turbinenschaufeln genannt, die im Betrieb durch Abrieb, Erosion oder Korrosion beschädigt werden.
- Der Schutz der kritischen Stellen dieser Schaufeln ist also für eine lange Lebensdauer solcher Bauteile entscheidend.
- Solchebauteile werden durch Präzisionsschmieden mit Hilfe eines spezifischen Werkzeugs, Formmatrix genannt, hergestellt, das ein echtes Negativ des zu schmiedenden Bauteils ist und aus zwei Teilen besteht, die unter Druck eines Stempels oder einer Presse aufeinandertreffen und den vorher erwärmten Rohling zwischen sich einschließen. Für die Herstellung von Bauteilen komplexer Form, wie dies für Turbinenschaufeln der Fall ist, werden mehrere Werkzeuge nacheinander benötigt, nämlich zuerst eine Formmatrix zur Bildung des Umrisses der Turbinenschaufel, dann eine Verdrillungsmatrix, wenn die Schaufel verdrillt ist, und schließlich eine Kalibriermatrix.
- Eine andere klassische Herstellungsmethode ist das Gießen, das sich vom Schmieden nur dadurch unterscheidet, daß die Formmatrix hier eine Gießform und der Rohling ein Material in flüssigem Zustand ist, das in die Form eingebracht wird.
- Das Schutzschild wird in der derzeit bekannten Technik getrennt von der Schaufel hergestellt, auf der sie dann befestigt wird. Dieses Schutzschild kann spanend aus einem Masseblock bearbeitet werden, geschmiedet oder gegossen werden, und wird nach der Anpassung an die Angriffskante der Turbinenschaufel auf diese gelötet oder geschweißt.
- Das Schutzschild besteht aus einem harten Material, nämlich einer Legierung auf Kobaltbasis, Zweiphasenlegierungen auf Karbidbasis "Chrom, Wolfram, Titan usw.), die mit einer Matrix gemischt werden.
- Eine moderne derartige Herstellungstechnik ist das HIP-Verfahren (Hot Isostatic Pressing), das von Pulvern ausgeht, diese in eine Form der späteren Beschichtung einkapselt und in einem Ofen bei einer bestimmten Atmosphäre und hoher Temperatur einem isostatischen Druck aussetzt, um das Pulver in einen Stab, eine Platte usw. mittels Heißkompaktierung zu verwandeln.
- Das Verfahren zur Befestigung des Schilds auf dem Bauteil führt zu Homogenitätsfehlern an den Übergängen zwischen einer Lötfolie und dem Schild einerseits und zwischen dem Bauteil und der Folie andererseits, wenn die Befestigung mittels Löten erfolgt, oder zwischen dem Schild und dem Bauteil, wenn die Befestigung mittels Verschweißen erfolgt.
- Man muß daher eine Wärmebehandlung durchführen, um diese Fehler zum Verschwinden zu bringen, aber diese Wärmebehandlung läßt das Bauteil seine metallurgischen Eigenschaften verlieren.
- Das erfindungsgemäße Verfahren, das diesen Nachteil nicht aufweist, ist dadurch gekennzeichnet, daß man zwischen das Schild und das Bauteil eine Metallfolie aus mit dem Bauteil vereinbaren Elementen einfügt, die bei der thermischen Behandlung, insbesondere der Heißkompaktierung (HIP), Komponenten mit intermetallischen Phasen bilden können, wobei die Schmelztemperatur dieser Folie um 20 bis 50ºC über der verwendeten Kompaktierungstemperatur Θ liegt, daß die aus dem Bauteil und dem Schild gebildete Einheit bis zu einer Schmiedetemperatur erwärmt wird, die mindestens um 20ºC unter der Temperatur Θ liegt, daß die Einheit aus dem Bauteil und dem Schild in eine geheizte Kalibriermatrix eingebracht wird, daß diese Einheit aus Bauteil und Schild kalibriert wird und daß diese Einheit aus Bauteil und Schild dann aus der Matrix entnommen und abgekühlt wird, daß die Einheit aus Bauteil und Schild dann in einen Ofen mit isostatischer Kompression gebracht wird und bei einem Druck oberhalb von 1000 Bar und bei der Temperatur Θ kompaktiert wird, und daß dann die Einheit bis auf Umgebungstemperatur abgekühlt wird.
- Dann braucht nur noch das mit seinem Schild versehene Bauteil endbearbeitet zu werden, um seine endgültige Form zu erhalten.
- Wenn das zu beschichtende Bauteil aus martensitischem Stahl ist, kann die Folie entweder aus reinem Kupfer oder aus Nickel mit Indium oder aus Nickel mit Zinn bestehen. Die Folie kann auch aus einer Legierung von zwei oder drei der Elemente Ni, Cu, Al bestehen, vorzugsweise aus 70% Ni, 15% Cu, 15% Al.
- Wenn das Bauteil aus einer Titanlegierung ist, besteht die Folie aus einer Legierung von Titan und Indium oder einer Legierung von zwei oder drei der Elemente Ni, Ti, Al, vorzugsweise 50% Al, 25% Ni, 25% Ti.
- Die Erfindung wird nun im einzelnen anhand eines Ausführungsbeispiels und der beiliegenden Zeichnungen erläutert.
- Figur 1 zeigt eine Turbinenschaufel mit ihrem Schild.
- Figur 2 zeigt einen Schnitt durch die Schaufel in Figur 1.
- Figur 3 zeigt eine Variante zu Figur 2.
- Figur 4 zeigt eine Turbinenschaufel und ihr Schild gemäß einer Variante.
- Das Bauteil 1, das hier eine Turbinenschaufel ist, wurde durch Schmieden oder Gießen erhalten, während das Schild 2 durch eine beliebige bekannte Methode erhalten wurde, nämlich spanende Bearbeitung aus einem Masseblock, Schmieden, Gießen oder auch isostatische Heißkompaktierung.
- In diesem letztgenannten Fall wurde das Pulver in die Form des Schildes 2 eingekapselt und dort isothermisch in einem Hochtemperaturofen komprimiert, um das Pulver durch Heißkompaktierung in einen Stab, eine Platte usw. zu verwandeln.
- Das Schild 2 hat noch nicht seine Endbearbeitung erfahren. Die Umrisse des Schildes 2 werden entgratet und der Winkel zwischen dem Umriß und der von außen sichtbaren Oberfläche des Schilds 2 wird durch Schleifen gebrochen und abgerundet.
- Eine Folie 3 mit einer Dicke von mindestens 1/10 mm und höchstens 3/10 mm, die als Hochtemperatur-Lötmaterial dient, wird so ausgeschnitten, daß sie um 3 bis 5 mm die Umrisse des Schilds 2 überragt.
- Wenn die Turbinenschaufel aus martensitischem Stahl ist, besteht die Folie 3 entweder aus reinem Kupfer oder aus Nickel mit Indium oder aus Nickel mit Zinn.
- Sie kann auch aus einer Legierung von zwei oder drei der Elemente Ni, Cu, Al (mit oder ohne zusätzlichem Indium oder Zinn) bestehen.
- Wenn die Schaufel aus einer Titanlegierung ist, besteht die Folie 3 aus Titan mit Indium oder einer Legierung von zwei oder drei der Elemente Ni, Ti, Al.
- Die Folie 3 wird unter das Schild 2 gelegt und elektrisch mittels Schweißpunkten 4 angeheftet (ein Schweißpunkt alle 50 mm).
- Die Einheit aus Schild 2 und Folie 3 wird auf dem Bauteil (z.B. einer Turbinenschaufel) angebracht und ebenfalls mittels Elektroschweißpunkten 5 angeheftet (ein Schweißpunkt 5 alle 50 mm abwechselnd mit den Schweißpunkten 4 zwischen dem Schild 2 und der Folie 3). Die von dem Schild 2 und der Folie gebildete Einheit kann eine Überdicke bilden (Figuren 1 und 2) oder in einer Vertiefung 7 des Bauteils angeordnet sein.
- Die Einheit 6 aus dem Bauteil und dem Schild wird in einem Ofen bis zur Schmiedetemperatur erwärmt und in eine isothermische Kalibriermatrix gebracht, d.h. auf eine Temperatur erhitzt, die etwas unter der Schmiedetemperatur liegt.
- Bei der Kalibrierung wird die Form des Bauteils 1 und seines Schilds 2 leicht verändert (die Abmessungen variieren um weniger als 5%).
- Nach der Kalibrierung wird das mit seinem Schild 2 versehene Bauteil 1 aus der Matrix entnommen und kontrolliert bis zur Umgebungstemperatur abgekühlt.
- Das mit seinem Schild 2 versehene Bauteil wird dann senkrecht in einen Ofen mit isostatischer Heißkompaktierung (HIP) gebracht und erfährt eine letzte Kompaktierung. Die Parameter dieser Kompaktierung, nämlich der Druck und die Temperatur, sind mit den vorliegenden Materialien vereinbar.
- Die Folie 3 verwandelt sich bei der Temperatur Θ der isostatischen Heißkompaktierung in Komponenten mit inter metallischen Phasen, die in das Metall des Schilds 2 und das Metall des Bauteils 1 hineindiffundieren.
- Diese intermetallischen Phasen gewährleisten die Qualität der Verbindung.
- Die Temperatur Θ des Ofens bei der isostatischen Kompaktierung wird so gewählt, daß sie mindestens um 20 bis 50ºC über der der Kalibrierphase, aber um mindestens 20 bis 50ºC unter der Schmelztemperatur der Folie 3 liegt. Der Kühlzyklus ist derselbe wie der Kalibrierzyklus.
- Der Druck wird oberhalb von 1000 Bar festgelegt.
- Nach der Abkühlung wird der nicht in das Substrat integrierte überstehende Bereich der Folie 3 abgeschliffen (Feinschleifen), um das endgültige Profil zu erhalten.
- Zwei Beispiele von Materialpaaren werden nun angegeben. Das betreffende Produkt ist eine große Turbinenschaufel, deren Vorderkante gegen die Erosionswirkungen durch Wassertröpfchen geschützt werden soll.
- Beispiel 1: Basismaterial: martensitischer Stahl mit 12% Cr Material des Schilds: Kobaltlegierung (mit mehr als 60% Co)
- Zwischenfohe NiAlCu (70% Ni, 15% Cu, 15% Al)
- Schmelzpunkt der Folie: 1250ºC
- Schmiedetemperatur (Kalibrierung) 1050ºC
- Temperatur bei der isostatischen Kompaktierung: 1200ºC
- Druck bei der isostatischen Kompaktierung: 1500 Bar
- Beispiel 2: Basismaterial: Titanlegierung Ta6V
- Material des Schilds: zweiphasiges Material TiBeta + TiC
- Zwischenfohe NiTiAl (50% Al, 25% Ni, 25% Ti)
- Schmelzpunkt der Folie: 1100ºC
- Schmiedetemperatur (Kalibrierung) 970 ºC
- Temperatur bei der isostatischen Kompaktierung: 1050ºC
- Druck bei der isostatischen Kompaktierung: 1800 Bar
- Gemäß einer in Figur 4 gezeigten Variante der Erfindung verwendet man, wenn die Materialien des Schilds (2) und des Bauteils (1) völlig inkompatibel sind, anstatt einer einzigen Schicht mit einer Folie zwei Schichten 3, 3', von denen eine unter das Schild und die andere unter das Bauteil gelegt werden. Sie können durch Zerstäubung (sputtering), Ionenverdampfung, Elektrobeschichtung, chemische Beschichtung, Auftragung mit Pinsel usw. aufgebracht werden.
- Um etwa ein Schild aus Stellit auf eine Schaufel aus einer Titanlegierung aufzubringen, hat die Schicht 3 eine der oben angegebenen Zusammensetzungen, die mit der Titanlegierung vereinbar ist, während die Schicht 31 eine Zusammensetzung hat, die mit dem martensitischen Stahl wie oben angegeben vereinbar ist.
Claims (12)
1. Verfahren zum Aufbringen eines Schilds (2) als
Schutzschild auf ein Bauteil (1) aus martensitischem Stahl oder
einer Titanlegierung, dadurch gekennzeichnet, daß man
zwischen das Schild (2) und das Bauteil (1) eine Metallfolie
(3) aus mit dem Bauteil (1) vereinbaren Elementen einfügt,
die bei der thermischen Behandlung, insbesondere der
Kompaktierung, Komponenten mit intermetallischen Phasen bilden
können, wobei die Schmelztemperatur dieser Folie um 20 bis
50ºC über der verwendeten Kompaktierungstemperatur Θ liegt,
daß die aus dem Bauteil (1) und dem Schild (2) gebildete
Einheit bis zu einer Schmiedetemperatur erwärmt wird, die
mindestens um 20ºC unter der Temperatur Θ liegt, daß die
Einheit (6) aus dem Bauteil und dem Schild in eine geheizte
Kalibriermatrix eingebracht wird, daß diese Einheit (6) aus
Bauteil und Schild kalibriert wird und daß diese Einheit aus
Bauteil und Schild dann aus der Matrix entnommen und
abgekühlt wird, daß die einheit (6) aus Bauteil und Schild dann
in einen Ofen mit isostatischer Kompaktierung gebracht wird
und bei einem Druck oberhalb von 1000 Bar und bei der
Temperatur Θ kompaktiert wird, und daß dann die Einheit (6) bis
auf Umgebungstemperatur abgekühlt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 für ein Bauteil (2) aus
martensitischem Stahl, dadurch gekennzeichnet, daß die Folie (3)
entweder aus reinem Kupfer oder aus Nickel mit Indium oder
aus Nickel mit Zinn besteht.
3. Verfahren nach Anspruch 1 für ein Bauteil (2) aus
martensitischem Stahl, dadurch gekennzeichnet, daß die Folie (3)
aus einer Legierung von zwei oder drei der Elemente Ni, Cu,
Al besteht.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß
die Legierung aus 70% Ni, 15% Cu, 15% Al besteht.
5. Verfahren nach Anspruch 1 für ein Bauteil (2) aus einer
Titanlegierung, dadurch gekennzeichnet, daß die Folie (3)
aus einer Legierung aus Titan und Indium gebildet wird.
6. Verfahren nach Anspruch 1 für ein Bauteil (2) aus einer
Titanlegierung, dadurch gekennzeichnet, daß die Folie (3)
aus einer Legierung von zwei oder drei der Elemente Ni, Ti,
Al besteht.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß
die Legierung der Folie (3) aus 50% Al, 25% Ni, 25% Ti
besteht.
8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Folie (3) über das Schild (2) vorsteht.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß
die Folie (3) an das Bauteil angeheftet wird, und daß das
Schild (2) an die Folie (3) angeheftet wird, ehe die Einheit
(6) in die Kalibriermatrix eingeführt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß
das Anheften mittels Schweißpunkten (4, 5) erfolgt.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß
die Schweißpunkte (4) zum Anheften des Schilds (2) an der
Folie (3) zwischen den Schweißpunkten (5) liegen, mit denen
die Folie (3) an das Bauteil (1) angeheftet wird.
12. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
für das Aufsetzen eines Schilds (2) aus Stahl auf ein
Bauteil (1) aus einer Titanlegierung eine Zwischensöhicht (3')
unter dem Schild (2) angebracht wird, die aus reinem Kupfer,
aus Nickel mit Indium oder Zinn oder aus einer Legierung von
zwei oder drei der Elemente Ni, Cu, Al besteht, und daß die
Folie (3) auf das Bauteil (1) vor dem Zusammenfügen mit der
Zwischenschicht (3') des Schilds (2) aufgebracht wird, wobei
die Folie (3) aus einer Legierung von Titan mit Indium oder
einer Legierung von zwei oder drei der Elemente Ni, Ti, Al
besteht.
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