EP0257319A1 - Verfahren zum Herstellen von Schutzschichten - Google Patents

Abstract

Es wird ein Verfahren zum Herstellen von Schutzschichten angegeben, und zwar u. a. gegen thermische und/oder chemische und/oder mechanische Beanspruchungen von Bauteilen, insbesondere auf kompliziert geformten Bauteilen wie Turbinenschaufeln, welches im wesentlichen folgende Verfahrensschritte beinhaltet: - Ein Pulver eines Ausgangsmaterials für die Schicht wird mit Lösungsmittel in eine Suspension gebracht. - Die Suspension wird auf einer Temperatur, knapp oberhalb des Gefrierpunktes des Lösungsmittels bereitgehalten. - Das zu beschichtende Bauteil wird auf einer Temperatur unterhalb des Gefrierpunktes des Lösungsmittels bereitgehalten. - Das Bauteil wird in die Suspension eingetaucht, und es friert eine Schicht des in der Suspension vorhandenen Ausgangspulvers fest, deren Dicke von der Temperatur des Bauteils und der Zeitdauer des Eintauchens des Bauteils in das Bad der Suspension abhängt. - Das mit der Schicht überzogene Bauteil wird einer Gefriertrocknung ausgesetzt und bis zum Abschluß des Gefriertrocknens nicht auf eine Temperatur oberhalb des Gefrierpunktes des Lösungsmittels erwärmt.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Schutzschichten gegen thermische und/oder chemische und/oder mechanische Beanspruchungen von Bauteilen, insbesondere auf kompliziert geformten Bauteilen, wie Turbinenschaufeln.
• Stand der Technik: Bekannte Schutzschichten oder Schichtverbundwerkstof­fe nutzen die Tatsache, daß es mit heutiger Verfahrenstechnologie möglich ist, in der Oberfläche eines Bauteils andere Eigenschaften zu erzeugen, als sie der Grundwerkstoff besitzt. Beispiele solcher Schich­ten bzw. Verbundwerkstoffe mit Schichten dieser Art sind Wärmedämm­schichten (Pittingcorrosion), Verschleißschutzschichten (auch tribologi­sche Schichten), Anstreif- und Einlaufbeläge. Die genannten Schichten werden in der Praxis überwiegend durch thermische Spritzverfahren auf­gebracht.
• Der Nachteil bekannter Verfahren besteht darin, daß bei kompliziert geformten Bauteilen nur mit großen Schwierigkeiten eine ausreichend gleichmäßige Schichtdicke auf das Bauteil aufgebracht werden kann. Zur - wenn auch nur teilweisen - Beseitigung dieser Schwierigkeiten ist ein erheblicher Aufwand erforderlich.
• Aufgabe der Erfindung ist es, Bauteile bzw. Schichtverbundkörper mit einer geschützten Oberfläche zu versehen, auf bereits einer Formgebung unterworfenen Teilen, insbesondere kompliziert geformten Teilen und diese dabei in gleichmäßiger Schichdicke, ohne großen Aufwand überzie­hen zu können.
• Die lösung der Erfindung besteht, allgemein gesprochen, in einem Verfah­ren zur Abscheidung von Schichten auf einem physikalischen Wege. Dabei wird ein Ausgangspulver in einer Suspension auf einem gekühlten Bauteil durch Eintauchen in das Bad in der Suspension aufgebracht und das mit dem Tauchüberzug versehene Bauteil einer Gefriertrocknung ausgesetzt.
• Ausgehend von einem Verfahren nach der eingangs genannten Gattung ist die gestellte Aufgabe insbesondere durch die im Kennzeichnungsteil des Patentanspruchs 1 angegebenen schrittweisen Verfahrensmerkmale erfin­dungsgemäß gelöst.
• In vorteilhafter Weise kann mit der Erfindung praktisch jede gewünschte Schichtdicke gleichmäßig erzeugt werden, und dabei können einzelne Schritte des Verfahrens beliebig oft wiederholt werden, wie z.B. die Herstellung des Tauchüberzuges.
• Je nach gewünschtem Zweck der Schicht können anschließend an die Herstellung des Überzuges eine Wärmebehandlung und andere Behandlungen des überzogenen Bauteils durchgeführt werden, wie z.B. ein Dichtsintern oder Dichtpressen an der Oberfläche. Bei besonderen Anforderungen können auch ein Sinter- oder ein Preßprogramm kominiert werden (heißisosta­tisch Pressen). Auch Energiestrahlbehandlungen der Oberfläche, Dotieren, Infiltration von anderen Stoffen als Schichtwerkstoff und in anderer Form als Pulver können im Rahmen vorliegender Erfindung angewandt wer­den. Mit Vorteil kann in der Suspensionsflüssigkeit ein Bindemittel, insbesondere ein organisches Bindemittel, gelöst werden, das eine erhöh­te Grünfestigkeit der Pulverschicht bewirkt, insbesondere dann, wenn als Schichtwerkstoff ein Pulver verwendet wird, dessen mittelere Korngröße oberhalb 25 µm liegt. Das organische Bindemittel wird dabei zu Beginn des Sintervorganges oder in einer separaten Wärmebehandlung wieder ent­fernt.
• Weitere vorteilhafte Merkmale der Erfindung sind den übrigen Patent­ansprüchen sowie der Beschreibung von Ausführungsbeispielen zu entneh­men.
• Die Anwendungen der Erfindung sind nicht auf die gegebenen Ausführungs­beispiele beschränkt, sondern allgemein bei Schichtwerkstoffen oder Schichtverbundwerkstoffen, deren Oberflächen eine vom Grundwerkstoff, d.h. der Basis des Bauteils, unterschiedliche Eigenschaft aufweisen sollen. Bevorzugt wird die Erfindung für Schutzschichten angewandt, und hier besonders für solche, die kombinierten Anforderungen unterworfen sind. Hauptanwendungsgebiet sind der allgemeine Maschinenbau, Bauteile für Fahrzeuge jeglicher Art, aber auch stationäre Anlagen wie Fabrika­tionsanlagen, insbesondere des Apparatebaus. Die Grundkörper des als Endprodukt der Erfindung zu zählenden Verbundkörpers können aus nahezu beliebigen Materialien ausgewählt werden, wie metallischen Werkstoffen, Metallverbindungen, intermetallischen Phasen, Keramik, Metallkeramik, Metallglas, Glaskeramik und/oder Kombinationen der o.g. Stoffe mit Kunststoffen. Als Schutzschichten können je nach Beanspruchungsart hierfür an sich bekannte Stoffe bzw. Werkstoffkombinationen ausgewählt werden. Die in den Beispielen angegebenen Prozentzahlen der Bestandteile für die Ausgangswerkstoffe bzw. Gemische bzw. Suspensionen können in weiten Grenzen verändert werden im Rahmen des eingangs erwähnten allge­meinen physikalischen Lösungsprinzips der Erfindung.
• Die Vorrichtungen, die zur durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens nötig sind, sind von einfacher und üblicher Art, insbesondere was die für das Tauchverfahren nötigen Behältnisse anbelangt oder die Kühlmittel für das Bauteil wie Kühlschränke. Für das Gefriertrocknen können die in der Lebensmitteltechnologie üblicherweise verwendeten Gefriertrockner angewandt werden und ebenso sind die Glüh- und Sinteröfen bzw. Pressen oder sonstigen Nachbehandlungseinrichtungen an sich bekannter Art.
Ausführungsbeispiele
• 1. Wärmedämmschicht für Turbinenleitschaufeln
  - Suspension:
  50 Vol % H₂O
  50 Vol % Zr O₂-Pulver mit 5 % Y₂ O₃ teilstabilisiert,
  mittlere Korngröße des Pulvers: 0,5 µm
  Temperatur der Suspension: + 5 Grad Celsius
  - Bauteil : Turbinenlaufschaufel
        Temperatur - 20 Grad Celsius
  - Eintauchen des Teiles: 10 s
  - Gefriertrocknen (- 10 Grad Celcius, Vakuum 10⁻² mbar, 2 h)
  - Sintern: 1200 Grad Celsius, 1 h im Vakuum
• 2. Korrosionsschutzschicht für Turbinenleitschaufeln:
  - Suspension:
  54,5 Vol % H₂O
  45 Vol % Co Cr Al Y - Pulver, mittlere Korngröße 30 µm
  0,5 Vol % Polyvinylalkohol, Rest: Wasser
  - Bauteil: Turbinenleitschaufeln,
        Temperatur - 10 Grad Celsius
  - Eintauchen des Bauteils : 5 s
  - Bauteil erneut auf - 10 Grad Celsius kühlen
  - Eintauchen: 5 s
  - Gefriertrocknen (- 10 Grad Celsius, Vakuum 10⁻² mbar, 4 h)
  - Ausbrennen des Polyvinylalkohols:
  Warmbehandlung, kontinuierliches Aufheizen von Raumtemperatur auf 600 Grad Celsius in 24 h im Vakuum, Druck (p) < 10⁻² mbar
  - Sintern der Schicht:
        1150 Grad Celsius, 1/2 h, Vakuum, Druck (p) < 10⁻² mbar

Claims (10)

1.Verfahren zum Herstellen von Schutzschichten gegen thermische und/­oder chemische und/oder mechanische Beanspruchungen von Bauteilen, insbesondere auf kompliziert geformten Bauteilen, wie Turbinen­schaufeln, gekennzeichnet durch folgende Schritte:
- Ein Pulver eines Ausgangsmaterials für die Schicht wird mit Lösungsmittel in eine Suspension gebracht.
- Die Suspension wird auf einer Temperatur, knapp oberhalb des Gefrierpunktes des Lösungsmittels bereitgehalten.
- Das zu beschichtende Bauteil wird auf einer Temperatur unterhalb des Gefrierpunktes des Lösungsmittels bereitgehalten.
- Das Bauteil wird in die Suspension eingetaucht, und es friert eine Schicht des in der Suspension vorhandenen Ausgangspulvers fest, deren Dicke von der Temperatur des Bauteils und der Zeit­dauer des Eintauchens des Bauteils in das Bad der Suspension abhängt.
- Das mit der Schicht überzogene Bauteil wird einer Gefriertrock­nung ausgesetzt und bis zum Abschluß des Gefriertrocknens nicht auf eine Temperatur oberhalb des Gefrierpunktes des Lösungsmit­tels erwärmt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Aus­gangspulver ein metallisches oder ein keramisches Pulver mit einer Korngröße unterhalb von 50 µm, insbesondere unterhalb 25 µm und ein verdampfbares Lösungsmittel verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, durch gekennzeichnet, daß der Suspension ein organisches, austreibbares Bindemittel zugesetzt wird, insbesondere wenn die Korngröße oberhalb 25 µm liegt.

Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Aus­gangspulver in einer Flüssigkeit wie Wasser suspendiert ist und diese Suspension in einem Gefäß auf einer Badtemperatur zwischen 0 und 20 Grad, vorzugsweise zwischen 0 und 10 Grad Celsius, gehalten wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­zeichnet, daß das Bauteil auf eine Temperatur bis etwa -20 Grad Celsius gebracht und dann einige Sekunden in das Bad der Suspension getaucht wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­zeichnet, daß das mit dem Tauchüberzug versehene Bauteil im Vakuum im Größenordnungsbereich von 10⁻² mbar oder besser, gefrierge­trocknet wird, bei Temperaturen zwischen etwa -10 Grad und etwa -30 Grad Celsius über mehrere Stunden.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­zeichnet, daß sich an die Gefriertrocknung eine Wärmebehandlung anschließt, bestehend aus allmählichem kontinuierlichem Aufheizen auf eine Temperatur von etwa 600 Grad Celsius (im Vakuum drucklos) und danach, in einer zweiten Stufe der Wärmebehandlung, eine Sinte­rung bei einer Temperatur über 1.000 Grad Celsius (im Vakuum, drucklos) erfolgt.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­zeichnet, daß die Arbeitsgänge des Eintauchens des abgekühlten Bauteils in das Bad der Suspension und des Gefriertrocknens für eine gewünschte Schichtdicke wiederholt werden.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­zeichnet, daß bei Verwendung eines Bindemittels dieses zu Beginn des Sintervorgangs oder in einer separaten Wärmebehandlung wieder entfernt wird.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­zeichnet, daß die Gefriertrocknung unter der Verwendung eines Pro­panols, insbesondere Isopropanol als Hilfsmittel, stattfindet.