EP1805344B1 - Verfahren zur herstellung eines mit einer verschleissschutzbeschichtung beschichteten bauteils - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to a method for producing a component coated with a wear protection coating, in particular a corrosion protection coating or erosion protection coating, in particular a gas turbine component.
- Gas turbine components are exposed during their operation to high wear, in particular by oxidation, corrosion or erosion. It is therefore known from the prior art to provide gas turbine components with corresponding wear protection coatings. By applying a wear protection coating, however, the so-called HCF service life of the base material of the coated gas turbine component is reduced. In order to compensate for this reduction in the HCF service life caused by the coating, it is already known from the prior art to subject the gas turbine component to be coated to a surface hardening by means of shot blasting in particular before the coating. By the subsequent coating of the gas turbine component, which usually takes place at elevated coating temperatures, however, a part of the solidification achieved by the shot peening is degraded again. The surface hardening of the component to be coated before coating it with the wear protection coating is therefore only partially effective.
- EP 1 338 670 A2 discloses a method of making an abradable coating on a gas turbine component by first depositing an MCrAlY layer on the surface of the device, then secondarily treating a second MCrO index 2-Y index 2 O index 3 layer and subsequent coating by shot peening ,
- JP-11343565-A It is already known to apply to a component made of a titanium-based alloy, a coating of an intermetallic material. According to this prior art, the coating of the intermetallic material is subjected to a diffusion heat treatment and, if appropriate, surface hardening by shot peening. However, the problem arises that the brittle, intermetallic diffusion coating is damaged during surface hardening.
- the present invention is based on the problem to provide a novel method for producing a coated with a wear-resistant coating component.
- This problem is solved by a method according to claim 1.
- the method comprises at least the following steps: a) provision of a component to be coated on a component surface, wherein the component to be coated is subjected to surface hardening before the coating; b) at least partially coating the component on its component surface with an at least two-layer or at least two-layer wear protection coating, wherein the wear protection coating comprises at least one relatively soft, metallic and porous layer and at least one relatively hard, ceramic layer; c) surface solidification of the at least partially coated component on its coated component surface by shot peening, such that the compressive stress profile of the base material of the coated component is maintained and a smoothing on the surface of the coated component is achieved.
- the energy applied to the wear protection coating during surface hardening can be elastically broken down, without the risk of damage to the wear protection coating.
- FIGS Fig. 1 to 4 described in greater detail.
- Fig. 1 shows by way of example as a component to be coated with the method according to the invention a gas turbine blade 10, which has an airfoil 11 and a blade root 12.
- the provided gas turbine blade 10 is now to be coated in the region of the surface 13 of the blade 11 with a wear protection coating, preferably with a corrosion protection coating or erosion protection coating.
- the procedure is such that an at least two-layer or at least two-layer wear protection coating is applied to the surface 13.
- a two-layer or two-layer wear protection coating 14 made of a relatively soft, metallic layer 15 and a relatively hard, ceramic layer 16 is applied to the surface 13 of the blade 11.
- the relatively hard, metallic layer 15 is applied directly to the surface 13 and has a material composition which is adapted to the material composition of the blade 11.
- Fig. 3 shows a wear protection coating 17, which is composed of a plurality of relatively soft, metallic layers 15 and a plurality of relatively hard, ceramic layers 16.
- the specific number of relatively hard, ceramic layers and the specific number of relatively soft, metallic layers is for the present invention of minor importance and is responsible for the selection of the person skilled in the art.
- the component coated with the wear protection coating 14, 17 is subsequently subjected to surface hardening by, in particular, shot peening.
- the energy applied to the anti-wear coating 14 or 17 during shot peening can be elastically broken down in the relatively soft, metallic layers 15 as a result of the above-described multilayer structure of the wear protection coating. There is then no risk of damage to the relatively hard, ceramic layers 16.
- Fig. 4 a diagram in which on the horizontally extending axis 18, starting from the surface of the coated component, the depth thereof and on the vertical axis 19 which is applied by means of the method according to the invention in the component induced compressive stress.
- the line 20 the surface of the uncoated component is shown; the area to the left of the line 20 thus relates to the anti-wear coating, the area to the right of the line 20 relates to the component as such.
- the compressive stress profile indicated by the reference numeral 21 can be realized over the depth of the coated component.
- the fatigue strength of the base material of the coated component remains fully intact.
- a smoothing effect on the surface of the coated component is furthermore achieved.
- the method according to the invention is preferably used for coating gas turbine blades which are formed from a titanium-based alloy or nickel-based alloy.
- blades of a turbine or a compressor of an aircraft engine can be coated with the method according to the invention.
- the relatively soft, metallic layers are designed as porous layers Furthermore, it is possible to arrange a graded material layer between a relatively soft, metallic layer and a relatively hard, ceramic layer.
- the layers are preferably applied to the surface of the component to be coated by a PVD (Physical Vapor Deposition) process.
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Abstract
Description
- Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines mit einer Verschleißschutzbeschichtung, insbesondere einer Korrosionsschutzbeschichtung oder Erosionsschutzbeschichtung, beschichteten Bauteils, insbesondere Gasturbinenbauteils.
- Gasturbinenbauteile sind während ihres Betriebs einem hohen Verschleiß, insbesondere durch Oxidation, Korrosion oder auch Erosion, ausgesetzt. Es ist daher aus dem Stand der Technik bekannt, Gasturbinenbauteile mit entsprechenden Verschleißschutzbeschichtungen zu versehen. Durch das Aufbringen einer Verschleißschutzbeschichtung wird jedoch die sogenannte HCF-Lebensdauer des Grundwerkstoffs des beschichteten Gasturbinenbauteils reduziert. Um diese durch die Beschichtung bedingte Reduktion der HCF-Lebensdauer auszugleichen, ist es aus dem Stand der Technik bereits bekannt, das zu beschichtende Gasturbinenbauteil vor der Beschichtung einer Oberflächenverfestigung durch insbesondere Kugelstrahlen zu unterziehen. Durch die nachfolgende Beschichtung des Gasturbinenbauteils, die üblicherweise bei erhöhten Beschichtungstemperaturen abläuft, wird jedoch ein Teil der durch das Kugelstrahlen erzielten Verfestigung wieder abgebaut. Das Oberflächenverfestigen des zu beschichtenden Bauteils vor dem Beschichten desselben mit der Verschleißschutzbeschichtung ist demnach nur bedingt wirksam.
- Die Druckschrift
EP 1 338 670 A2 offenbart ein Verfahren zur Herstellung einer abreibbaren Beschichtung auf ein Gasturbinenbauteil, wobei zunächst eine MCrAlY-Schicht auf der Oberfläche des Bauteils aufgebracht wird, anschließend eine zweite MCrO-Index 2- Y-Index 2 O-Index 3-Schicht und nachfolgende Beschichtung mittels Kugelstrahlenbehandelt wird. - Aus der
JP-11343565-A - Aus dem Stand der Technik gemäß
EP-A-1 338 670 , gemäßUS-A-5 169 674 , gemäßUS-A-5 516 586 und gemäßDE-C-42 29 600 sind jeweils Verfahren zur Herstellung eines mit einer Verschleißschutzbeschichtung beschichteten Bauteils bekannt, bei welchen ein Bauteil an seiner Bauteiloberfläche zumindest teilweises mit einer mindestens zweischichtigen bzw. mindestens zweilagigen Verschleißschutzbeschichtung beschichtet wird, wobei die Verschleißschutzbeschichtung mindestens eine relativ weiche Schicht und mindestens eine relativ harte Schicht umfasst; und wobei anschließend des zumindest teilweise beschichtete Bauteils an seiner beschichteten Bauteiloberfläche einem Oberflächenverfestigen unterzogen wird. - Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung das Problem zu Grunde, ein neuartiges Verfahren zur Herstellung eines mit einer Verschleißschutzbeschichtung beschichteten Bauteils zu schaffen. Dieses Problem wird durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Erfindungsgemäß umfasst das Verfahren zumindest die folgenden Schritte: a) Bereitstellen eines an einer Bauteiloberfläche zu beschichtenden Bauteils, wobei das zu beschichtende Bauteil vor der Beschichtung einer Oberflächenverfestigung zu unterziehen ist; b) zumindest teilweises Beschichten des Bauteils an seiner Bauteiloberfläche mit einer mindestens zweischichtigen bzw. mindestens zweilagigen Verschleißschutzbeschichtung, wobei die Verschleißschutzbeschichtung mindestens eine relativ weiche, metallische sowie poröse Schicht und mindestens eine relativ harte, keramische Schicht umfasst; c) Oberflächenverfestigen des zumindest teilweise beschichteten Bauteils an seiner beschichteten Bauteiloberfläche durch Kugelstrahlen, derart, dass der Druckspannungsverlauf des Grundwerkstoffs des beschichteten Bauteils erhalten bleibt und eine Glättung an der Oberfläche des beschichteten Bauteils erzielt wird.
- Durch die erfindungsgemäße Kombination des Beschichtens des Bauteils mit einer Multilayer-Verschleißschutzbeschichtung mit nachfolgendem Oberflächenverfestigen, kann die beim Oberflächenverfestigen auf die Verschleißschutzbeschichtung aufgebrachte Energie elastisch abgebaut werden, ohne dass die Gefahr von Beschädigungen der Verschleißschutzbeschichtung besteht.
- Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. Ausführungsbeispiele der Erfindung werden, ohne hierauf beschränkt zu sein, an Hand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:
- Fig. 1
- eine zu beschichtende Gasturbinenschaufel in schematisierter Seitenansicht;
- Fig. 2
- einen schematisierten Querschnitt durch eine Verschleißschutzbeschichtung;
- Fig. 3
- einen schematisierten Querschnitt durch eine alternative Verschleißschutzbeschichtung; und
- Fig. 4
- ein Diagramm zur Verdeutlichung des sich bei Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens im beschichteten Bauteil einstellenden Druckspannungsverlaufs.
- Nachfolgend wird die hier vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf die
Fig. 1 bis 4 im größeren Detail beschrieben. -
Fig. 1 zeigt exemplarisch als mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zu beschichtendes Bauteil eine Gasturbinenschaufel 10, die ein Schaufelblatt 11 sowie einen Schaufelfuß 12 aufweist. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren soll die bereitgestellte Gasturbinenschaufel 10 nun im Bereich der Oberfläche 13 des Schaufelblatts 11 mit einer Verschleißschutzbeschichtung, vorzugsweise mit einer Korrosionsschutzbeschichtung oder Erosionsschutzbeschichtung, beschichtet werden. - Hierzu wird im Sinne des erfindungsgemäßen Verfahrens so vorgegangen, dass auf die Oberfläche 13 eine mindestens zweischichtige bzw. mindestens zweilagige Verschleißschutzbeschichtung aufgebracht wird. So zeigt zum Beispiel
Fig. 2 , dass auf die Oberfläche 13 des Schaufelblatts 11 eine zweilagige bzw. zweischichtige Verschleißschutzbeschichtung 14 aus einer relativ weichen, metallischen Schicht 15 und einer relativ harten, keramischen Schicht 16 aufgebracht ist. Die relativ harte, metallische Schicht 15 ist unmittelbar auf die Oberfläche 13 aufgebracht und verfügt über eine Werkstoffzusammensetzung, die an die Werkstoffzusammensetzung des Schaufelblatts 11 angepasst ist.Fig. 3 zeigt eine Verschleißschutzbeschichtung 17, die aus mehreren relativ weichen, metallischen Schichten 15 sowie mehreren relativ harten, keramischen Schichten 16 aufgebaut ist. Die konkrete Anzahl der relativ harten, keramischen Schichten sowie die konkrete Anzahl der relativ weichen, metallischen Schichten ist für die hier vorliegende Erfindung von untergeordneter Bedeutung und obliegt der Auswahl des hier angesprochenen Fachmanns. - Im Sinne der hier vorliegenden Erfindung wird das mit der Verschleißschutzbeschichtung 14, 17 beschichtete Bauteil nachfolgend einem Oberflächenverfestigen durch insbesondere Kugelstrahlen unterzogen. Die beim Kugelstrahlen auf die Verschleißschutzbeschichtung 14 bzw. 17 aufgebrachte Energie kann infolge des oben beschriebenen Multilayer-Aufbaus der Verschleißschutzbeschichtung in den relativ weichen, metallischen Schichten 15 elastisch abgebaut werden. Es besteht dann keine Gefahr von Beschädigungen der relativ harten, keramischen Schichten 16.
- Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich, nach dem Beschichten eines Bauteils mit einer als Multilayer-Schichtsystem ausgebildeten Verschleißschutzbeschichtung durch nachfolgendes Oberflächenverfestigen einen optimalen Spannungsverlauf über die Verschleißschutzbeschichtung sowie das Bauteil einzustellen, ohne dass die Gefahr von Beschädigungen der Verschleißschutzbeschichtung besteht.
- So zeigt
Fig. 4 ein Diagramm, in welchem auf der horizontal verlaufenden Achse 18 ausgehend von der Oberfläche des beschichteten Bauteils die Tiefe desselben und auf der vertikal verlaufenden Achse 19 die mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens im Bauteil induzierte Druckspannung aufgetragen ist. Mit der Linie 20 ist die Oberfläche des unbeschichteten Bauteils dargestellt; der Bereich links von der Linie 20 betrifft demnach die Verschleißschutzbeschichtung, der Bereich rechts von der Linie 20 betrifft das Bauteil als solches. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lässt sich der mit der Bezugsziffer 21 gekennzeichnete Druckspannungsverlauf über der Tiefe des beschichteten Bauteils realisieren. - Bei Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines mit einer verschleißschutzbeschichtung beschichteten Bauteils bleibt die Schwingfestigkeit des Grundwerkstoffs des beschichteten Bauteils voll erhalten. Bei entsprechender Wahl der Parameter für das Kugelstrahlen bzw. Oberflächenverfestigen wird weiterhin ein Glättungseffekt an der Oberfläche des beschichteten Bauteils erzielt.
- Wie bereits erwähnt, wird das erfindungsgemäße Verfahren vorzugsweise zur Beschichtung von Gasturbinenschaufeln eingesetzt, die aus einer Titanbasislegierung oder Nickelbasislegierung gebildet sind. So können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Beispiel Schaufeln einer Turbine oder eines Verdichters eines Flugtriebwerks beschichtet werden.
- Abschließend sei darauf hingewiesen, dass die relativ weichen, metallischen Schichten als poröse Schichten ausgeführt sind weiterhin ist es möglich, zwischen einer relativ weichen, metallischen Schicht und einer relativ harten, keramischen Schicht eine gradierte Werkstoffschicht anzuordnen. Die Schichten werden vorzugsweise durch einen PVD (Physical Vapor Deposition)-Prozess auf die Oberfläche des zu beschichtenden Bauteils aufgetragen.
Claims (4)
- Verfahren zur Herstellung eines mit einer Verschleißschutzbeschichtung, insbesondere einer Korrosionsschutzbeschichzung oder Erosionsschutzbeschichtung, beschichteten Bauteils, insbesondere Gasturbinenbauteils, mit folgenden Schritten:a) Bereitstellen eines an einer Bauteiloberfläche (13) zu beschichtenden Bauteils (10), wobei das zu beschichtende Bauteil vor der Beschichtung einer Oberflächenverfestigung zu unterziehen ist;b) zumindest teilweises Beschichten des Bauteils (11) an seiner Bauteiloberfläche mit einer mindestens zweischichtigen bzw. mindestens zweilagigen Verschleißschutzbeschichtung (14; 17), wobei die Verschleißschutzbeschichtung (14; 17) mindestens eine relativ weiche, metallische sowie poröse Schicht (15) und mindestens eine relativ harte, keramische Schicht (16) umfasst;c) Oberflächenverfestigen des zumindest teilweise beschichteten Bauteils an seiner beschichteten Bauteiloberfläche durch Kugelstrahlen, derart, dass der Druckspannungsverlauf des Grundwerkstoffs und der Verschleißschutzbeschichtung (14, 17) über die Tiefe des beschichteten Bauteils optimal ist und eine Glättung an der Oberfläche des beschichteten Bauteils erzielt wird.
- Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Verschleißschutzbeschichtung (17) mehrere relativ weiche, metallische Schichten (15) und mehrere relativ harte, keramische Schichten (16) umfasst. - Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass als Bauteil (10) ein Gasturbinenbauteil bereitgestellt und zumindest teilweise beschichtet wird. - Verfahren nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass eine Gasturbinenschaufel bereitgestellt wird, die an ihrer Schaufelblattoberfläche beschichtet wird.
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