EP0492323B1 - Verfahren zur Oberflächenbehandlung von Bauteilen - Google Patents
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- C23C4/00—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge
- C23C4/18—After-treatment
Definitions
- the invention relates to a method for the surface treatment of components by means of shot peening.
- Shot peening to improve the fatigue strength of components are known from the publication by W. Schütz in the journal Maschinenstofftechnik 17, page 53-61, (1986). Shot peening primarily increases the vibration resistance of the components through favorable compressive residual stresses and increases the hardness of the blasted component surface.
- the optimization of the blasting treatment depends on the machine type, the blasting time, the particle size, the degree of coverage and the blasting intensity. To harden and improve the vibration resistance, optimization is carried out in the direction of high beam intensity with a low degree of coverage up to 100%. With higher degrees of coverage, the risk of surface deformation and material damage increases.
- the object of the invention is to provide a method for the surface treatment of components, which coating the surface resistant to oxidation and hot gas corrosion and enables smoothing of the rough coating surface.
- the surface treatment should not reduce the adhesion of the coating and should not cause uneven layer removal.
- This task is solved by proceeding with the following process steps: First, one is placed on the component surface MCrAlY layer applied as an oxidation and hot gas corrosion layer, the layer surface of which is then shot peened with particle beams with a beam intensity of at most 0.15 mm Almen A, a coverage of at least 400%, preferably 600% and an average beam particle diameter of at most 0.5 mm uniform layer removal up to 20 ⁇ m with simultaneous densification of the layer and smoothing of the layer surface.
- NDPS method low-pressure plasma spraying
- the method is reproducible with regard to an improvement in the average roughness value and can also be used in the case of components of complex design.
- Balls with a mean blasting particle diameter of at most 0.2 mm made of cast steel, aronded steel wire, zirconium oxide, aluminum oxide or glass are preferably used as blasting particles. Such balls have the advantage of further reducing the average roughness.
- Spheres with an average beam particle diameter of less than 50 ⁇ m show no further improvement in the average roughness value, at least for MCrAlY layers.
- a preferred implementation of the method provides that the layer surface is shot-peened in critical component areas at preferably low radii of curvature with degrees of coverage over 600% and a greatly reduced beam intensity.
- This high degree of coverage combined with a greatly reduced beam intensity has the advantage of a combination of micro-deformation and abrasion that gently smoothes these critical component areas.
- the method is preferably used for airfoil surfaces of high-pressure turbine blades.
- the MCrAlY layer is smoothed both on the front edge of the blade and on the even more curved rear edge of the blade without a layer thickness difference occurring.
- An airfoil surface of a high-pressure turbine blade with an airfoil height of 42 mm and an airfoil width of 20 mm is coated with a CoNiCrAlY layer by means of low-pressure plasma spraying.
- the measured average roughness value is 4.77 ⁇ m.
- the surface of this high-pressure turbine blade is then shot-peened in an overpressure nozzle blasting system with glass beads with an average blasting particle diameter of 0.12 mm.
- the beam intensity is set to 0.23 mm Almen H and a degree of coverage of 800% is achieved.
- a uniform layer decrease of maximum 20 ⁇ m is measured both on the airfoil surface and in the area of the leading edge and the trailing edge.
- the average roughness value has been improved to 1.37 ⁇ m.
- 1 shows a scanning electron microscope image of an MCrAlY layer after low-pressure plasma spraying, with a roughness depth of 42.3 ⁇ m and a mean roughness value of 4.77 ⁇ m.
- Fig. 2 shows a scanning electron microscope image of the same CoNiCrAlY layer after a shot peening with the process parameters according to Example 1.
- the roughness depth has improved more than 4 times to 7.93 and the average roughness value has been reduced to 1.37 ⁇ m.
- Fig. 3 shows a cross section of a coated and shot-peened High-pressure turbine blade in the area of the leading edge (1).
- the boundary (2) between the CoNiCrAlY layer (3) and the blade base material (4) can be clearly seen. Even the leading edge tip (5) is simulated by the smoothed CoNiCrAlY layer (3) and is not leveled.
- Fig. 4 shows a cross section of the coated and shot-blasted high-pressure turbine blades in the region of the trailing edge (6).
- the boundary (2) between the CoNiCrAlY layer (3) and the blade base material (4) can be clearly seen.
- the smoothed CoNiCrAlY layer (3) also reproduces the much more curved trailing edge (6).
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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 Werkstofftechnik 17, Seite 53-61, (1986) bekannt. Das Kugelstrahlen steigert primär durch günstige Druckeigenspannungen die Schwingfestigkeit der Bauteile und erhöht die Härte der gestrahlten Bauteiloberfläche. Die Optimierung der Strahlbehandlung ist abhängig vom Maschinentyp, von der Strahldauer, der Partikelgröße, dem Deckungsgrad und der Strahlintensität. Zur Härtung und Verbesserung der Schwingfestigkeit wird in Richtung hoher Strahlintensität bei gleichzeitig niedrigem Deckungsgrad bis 100% optimiert. Bei höheren Deckungsgraden wächst die Gefahr der Oberflächendeformation und der Werkstoffschädigung.
- Aus EP-B-0 074 918 ist ein Verfahren zur Oberflächenbehandlung eines Werkstücks bekannt, wobei unter Erzeugung von Restdruckspannungen eine Werkstückoberfläche durch Kugelstrahlen geglättet wird. Dabei wird mit zunehmendem Kugelradius des Stahlgutes der Glättungseffekt vergrößert. Werkstücke, wie Triebwerksschaufeln, die gleichzeitig Oberflächenbereiche mit extremer und mit flacher Krümmung aufweisen, werden mit unterschiedlichen Parametersätzen bei diesem Verfahren bearbeitet, um eine gleichmäßige Verdichtung und Glättung der gesamten Oberfläche zu erzielen.
- Beim Kugel strahlen 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 zunächt eine rauhe Beschichtungsoberfläche auf dem Bauteil erzeugen, wird deshalb nicht mit dem Kugelstrahlverfahren die Oberfläche geglättet, sondern durch mechanisches Nachpolieren, wie beispielsweise Scheuern, Bürstenpolieren oder Druckfließläppen, eine Oberflächenglättung erreicht. Diese bekannten 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 heißgaskorrosionsfest beschichtet und eine Glättung der rauhen Beschichtungsoberfläche ermöglicht. Die Oberflächenbehandlung soll die Haftfähigkeit der Beschichtung nicht vermindern und keinen ungleichmäßigen Schichtabtrag verursachen.
- Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfhren mit den folgenden Verfahrensschritten: auf die Bauteiloberfläche wird zunächst eine MCrAlY-Schicht als Oxidations- und Heißgaskorrosionsschicht aufgebracht, deren Schichtoberfläche anschließend mit Partikelstrahlen einer Strahlenintensität von höchstens 0,15 mm Almen A, einem Deckungsgrad von mindestens 400% vorzugsweise 600% und einem mittleren Strahlpartikeldurchmesser von höchstens 0,5 mm kugelgestrahlt wird und dabei ein gleichmäßiger Schichtabtrag bis zu 20µm unter gleichzeitiger Verdichtung der Schicht und Glätten der Schichtoberfläche erfolgt.
- Dieses Verfahren hat den Vorteil, daß ein Mittenrauhwert unter Ra = 2,5µm für MCrAlY-Schichten, die beispielsweise mit Hilfe des Niederdruckplasmaspritzens (NDPS-Verfahren) aufgetragen wurden, erreichbar ist, und die MCrAlY-Schicht gleichzeitig oberflächig verdichtet 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, arondiertem Stahldraht, Zirkoniumoxid, Aluminiumoxid oder Glas eingesetzt. Derartige Kugeln haben den Vorteil einer weiteren Mittenrauhwertverminderung. Kugeln mit einem mittleren Strahlpartikeldurchmesser unter 50µm 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 verminderter Strahlintensität kugelgestrahl wird. Dieser hohe Dekkungsgrad 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 Schichtdikkenunterschied auftritt.
- Das folgende Beispiel und die zugehörigen Figuren zeigen eine bevorzugte 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 kugelgestrahlten Hochdruckturbinenschaufeln im Bereich der Austrittskante.
- Eine Schaufelblattoberfläche einer Hochdruckturbinenschaufel mit einer Schaufelblatthöhe von 42 mm und einer Schaufelblattbreite von 20 mm wird mit einer CoNiCrAlY-Schicht mittels Niederdruckplasmaspritzverfahren beschichtet. Der gemessene Mittenrauhwert liegt bei 4,77µm. Die Oberfläche dieser Hochdruckturbinenschaufel wird anschließend in einer Überdruckdüsenstrahlanlage mit Glasperlen eines mittleren Strahlpartikeldurchmessers von 0,12 mm kugelgestrahlt. Dazu wird die Strahlintensität auf 0,23 mm Almen H eingestellt und ein Deckungsgrad von 800% gefahren. Als Ergebnis einer Schichtverdichtung und eines Schichtabtrags wird eine gleichmäßige Schichtabnahme von maximal 20µm sowohl auf der Schaufelblattfläche als auch im Bereich der Eintrittskante und der Austrittskante gemessen. Der Mittenrauhwert ist auf 1,37µm verbessert.
- Fig. 1 zeigt eine Rasterelektronenmikroskopaufnahme von einer MCrAlY-Schicht nach einem Niederdruckplasmaspritzen, mit einer Rauhtiefe von 42,3µm und einem Mittenrauhwert von 4,77µm.
- Fig. 2 zeigt eine Rasterelektronenmikroskopaufnahme von dergleichen CoNiCrAlY-Schicht nach einem Kugel strahlen mit den Verfahrensparametern entsprechend Beispiel 1. Die Rauhtiefe hat sich um mehr als das 4-fache auf 7,93 verbessert und der Mittenrauhwert wurde auf 1,37µm vermindert.
- Fig. 3 zeigt einen Querschliff einer beschichteten und kugelgestrahlten Hochdruckturbinenschaufel im Bereich der Eintrittskante (1). Deutlich ist die Grenze (2) zwischen CoNiCrAlY-Schicht (3) und Schaufelgrundmaterial (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). Deutlich ist die Grenze (2) zwischen CoNiCrAlY-Schicht (3) und Schaufelgrundmaterial (4) zu erkennen. Auch die wesentlich stärker gekrümmte Austrittskante (6) wird von der geglätteten CoNiCrAlY-Schicht (3) nachgebildet.
Claims (1)
- Verfahren zur Oberflächenbehandlung mittels Kugelstrahlen von Bauteilen mit exponierten Ecken und Kanten und einer MCrAlY-Schicht, insbesondere bei Schaufelblattoberflächen von Hochdruckturbinenschaufeln, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Aufbringen der MCrAlY-Schicht die Schicht mit Partikelstrahlen einer Strahlintensität von höchstens 0,15mm Almen A einem Deckungsgrad von mindestens 400% vorzugsweise 600% und einem mittleren Strahlpartikeldurchmesser von höchstens 0,5 mm kugelgestrahlt wird und dabei ein gleichmäßiger Schichtabtrag bis zu 20µm unter gleichzeitiger Verdichtung der Schicht und Glätten der Schichtoberfläche erfolgt.
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