EP1902161B1 - Electrode arrangement and method for the electrochemical coating of a workpiece surface - Google Patents
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Definitions
- the configuration of the process electrodes as tubular elements and the channels arranged therein make it possible to target a process medium, such as micro- or nanoscale particles or a mixture of a chemical treatment solution and micro- or nanoscale particles dispersed therein, as a jet medium in the form of a jet between the process electrodes and the working electrode as the workpiece. In this way, an effective use of the micro- or nanoscale particles can take place during coating.
- a process medium such as micro- or nanoscale particles or a mixture of a chemical treatment solution and micro- or nanoscale particles dispersed therein
- the number of micro- or nanoscale particles present in the region between the counter electrode arrangement 9 and the workpiece 1 can be purposefully increased or reduced. In this way, the incorporation density of the particles in the coating can be specifically increased and reduced.
- the pressure conditions in the distribution tank 17 can be adjusted for example via the pressure in the inflow 19. Both continuous pressures and pulsating pressures are possible. Controlling the pressure here may include both the pressure amplitude and the frequency at pulsating pressures.
- Coatings with layers which differ from one another due to the incorporation density of the particles can be produced by continuously changing the pressure conditions in the distribution tank 17. It should be noted at this point that the method according to the invention can also be used to produce multi-layer systems which differ from one another by the nature of the particles and have a graded or abrupt change in the density of the incorporated particles. This is possible since the type of particles introduced into the distribution tank 17 and the pressure in the distribution tank 17 can be controlled independently of each other.
- the counter electrode arrangement 9 comprises a plurality of tubular elements 11a to 11e, which form tubular process electrodes 12a to 12e.
- the process electrodes 12a to 12e are connected via an in Fig. 2 not shown line with the pole of a voltage source connectable. All process electrodes 12a to 12e are connected at one end to the distribution tank 17 in such a way that a process medium, for example an electrolyte with dispersed micro- or nanoscale particles, passes through the channels 13 in the interior of the process electrodes 12a to 12e (cf. Fig. 1 ) can flow to the outlet openings 14a to 14e.
- a process medium for example an electrolyte with dispersed micro- or nanoscale particles
- the electrode arrangement 9 according to the invention can be adapted particularly well to the geometry of the workpiece 1 in the described manner, without the need to specially manufacture a specially shaped electrode for this purpose. Due to the same distance of the various openings 14a to 14e of the process electrodes 12a to 12e from the workpiece 1, a uniform distribution of the micro- or nanoscale particles irradiated in the direction of the surface in the coating can be achieved.
- the carrier 129 comprises a first, the distribution tank 17 facing support plate 131 and a second, the distribution tank 17 applied support plate 133. Both support plates have openings whose size is chosen so that between the edges of the openings and through the support plates 131, 133rd passed through process electrodes 11a to 11e remains a game that allows axial displacement of the process electrodes 12a to 12e relative to the carrier 129.
- adjustment plates 134, 136, 138 which likewise have openings which are dimensioned such that the process electrodes 12a to 12e are passed through them with play.
- the Justageplatten 134, 136, 138 therefore do not hinder axial displacement of the process electrodes 12a to 12e in a first state.
- the possible axial displacement of the process electrodes 12a to 12e is limited only by flange-like projections 135, 137, 139 in the region of the process electrodes 12a to 12e which is located inside the carrier 129.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum elektrochemischen Beschichten einer Werkstückoberfläche, wobei mikro- oder nanoskalige Partikel in die Beschichtung eingebracht werden. Daneben betrifft die Erfindung eine Gegenelektrodenanordnung zum elektrochemischen Behandeln eines Werkstückes, bei dem das Werkstück eine Arbeitselektrode bildet.The present invention relates to a method for the electrochemical coating of a workpiece surface, wherein micro- or nanoscale particles are introduced into the coating. In addition, the invention relates to a counter electrode arrangement for the electrochemical treatment of a workpiece, in which the workpiece forms a working electrode.
Derartige Verfahren und Vorrichtungen, die etwa beim Neuoder Wiederbeschichten von Turbinenschaufeln mit einer Schutzschicht gegen Korrosion und/oder Oxidation zur Anwendung kommen können, sind bspw. aus
Die
In der
Gemäß der
Gemäß der
Außerdem gibt es auch noch andere Beschichtungsverfahren. Gemäß der
Gegenüber diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, ein alternatives Verfahren zum elektrochemischen Beschichten eines Werkstückes mit einer mikro- oder nanoskalige Partikel enthaltenden Beschichtung zur Verfügung zu stellen. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Anordnung zum Beschichten eines Werkstückes mit einer Gegenelektrodenanordnung zur Verfügung zu stellen, die sich mit besonders hoher Flexibilität einsetzen lässt und mit der das erfindungsgemäße Verfahren durchführbar ist.Compared to this prior art, it is an object of the invention to provide an alternative method for electrochemical coating of a workpiece with a coating containing micro- or nanoscale particles available. A further object of the present invention is to provide an arrangement for coating a workpiece with a counter-electrode arrangement which can be used with particularly high flexibility and with which the method according to the invention can be carried out.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1, und durch eine Gegenelektrodenanordnung nach Anspruch 7 gelöst. Die abhängigen Ansprüche enthalten vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.The object is achieved by a method according to claim 1, and by a counter electrode arrangement according to
Im erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt ein elektrochemisches Beschichten einer Werkstückoberfläche, wobei mikro- oder nanoskalige Partikel in die Beschichtung eingebracht werden. Während des Beschichtens werden mehrere Strahlen eines Strahlmediums auf die Werkstückoberfläche gerichtet, wobei das Strahlmedium die einzubringenden mikro- oder nanoskaligen Partikel umfasst. Mit den Strahlen lassen sich die mikrooder nanoskalige Partikel gezielt in die Nähe der zu beschichtenden Werkstückoberfläche bringen, ohne dass dazu zuvor ein galvanisches Bad mit den mikro- oder nanoskaligen Partikeln angesetzt werden muss. Die Partikel werden beim Beschichten alleine durch die Strahlen in die Nähe der zu beschichtenden Oberfläche gebracht, wobei auf Grund der Vielzahl der Strahlen auch die homogene Beschichtung größerer Oberflächeninhalte oder komplizierter Geometrien gelingt. Ein ständiges Rühren des galvanischen Bades ist hierbei nicht nötig.In the method according to the invention, an electrochemical coating of a workpiece surface takes place, with micro- or nanoscale particles being introduced into the coating. During coating, a plurality of jets of a jet medium are directed onto the workpiece surface, wherein the jet medium comprises the micro- or nanoscale particles to be introduced. The jets allow the micro- or nanoscale particles to be brought close to the workpiece surface to be coated, without the need for a galvanic bath with the micro- or nanoscale particles. The particles are brought in the coating alone by the rays in the vicinity of the surface to be coated, due to the large number of rays The homogeneous coating of larger surface contents or complicated geometries succeeds. A constant stirring of the galvanic bath is not necessary here.
In einer Ausführungsform des Verfahrens wird das Strahlmedium alleine von den mikro- oder nanoskaligen Partikeln gebildet. In einer alternativen Ausführungsform sind die mikro- oder nanoskaligen Partikel in einer elektrolytischen Behandlungslösung dispergiert. In dieser Ausführungsform wird das Strahlmedium von der Behandlungslösung mit den darin dispergierten Partikeln gebildet.In one embodiment of the method, the jet medium alone is formed by the micro- or nanoscale particles. In an alternative embodiment, the micro- or nanoscale particles are dispersed in an electrolytic treatment solution. In this embodiment, the blasting medium is formed by the treating solution having the particles dispersed therein.
Die Menge an in die Beschichtung eingebrachten mikro- oder nanoskaligen Partikeln kann im erfindungsgemäßen Verfahren über den Strahldruck, also der Druck, mit dem das Strahlmedium der Oberfläche zugeführt wird, eingestellt werden. Hierbei kann insbesondere ein kontinuierlicher oder ein pulsierender Druckverlauf zur Anwendung kommen. Über eine geeignete Druckregelung kann so die Anzahl an eingebauten Partikeln erhöht oder verringert werden.The amount of micro- or nanoscale particles introduced into the coating can be adjusted in the process according to the invention by way of the jet pressure, that is to say the pressure with which the jet medium is supplied to the surface. In this case, in particular a continuous or a pulsating pressure curve can be used. By means of a suitable pressure control, the number of incorporated particles can thus be increased or reduced.
Wenn der Strahldruck während des elektrochemischen Beschichtens variiert wird, kann ein Gradient der Partikeldichte in der elektrochemisch hergestellten Beschichtung oder eine Beschichtung mit mehreren Lagen, die sich durch ihre Partikeldichten voneinander unterscheiden, erzeugt werden. Zum Herstellen des Gradienten wird hierbei die Druckamplitude kontinuierlich variiert, während zum Herstellen einer Multilagenbeschichtung die Druckamplitude sprunghaft variiert wird.When the jet pressure is varied during the electrochemical coating, a gradient of the particle density in the electrochemically-produced coating or a multi-layer coating different in particle density from each other can be generated. In order to produce the gradient, in this case the pressure amplitude is continuously varied, while the pressure amplitude is varied abruptly in order to produce a multilayer coating.
Eine Multilagenbeschichtung lässt sich auch durch Variieren der Zusammensetzung des Strahlmediums während des Beschichtens erzeugen. So ist es beispielsweise möglich, während des Beschichtens von mikro- oder nanoskaligen Partikeln einer Sorte zu mikro- oder nanoskaligen Partikeln einer anderen Sorte überzugehen. Dieser Übergang kann entweder fließend oder sprunghaft erfolgen. Bei einem fließenden Wechsel der Partikelsorte liegt in der fertiggestellten Beschichtung ein fließender Übergang von der einen Partikelsorte zur anderen Partikelsorte vor. Wenn das Umstellen der Strahlzusammensetzung dagegen sprunghaft erfolgt, so lässt sich damit eine Beschichtung mit mehreren Lagen erzeugen, wobei sich die einzelnen Lagen durch die Art der Mikro- oder Nanopartikel voneinander unterscheiden. Die Variation der Strahlzusammensetzung kann auch mit einer Variation des Strahldruckes kombiniert werden, so dass neben der Art der eingebauten Partikel auch deren Dichte in der fertigen Beschichtung variiert.Multilayer coating can also be created by varying the composition of the jet media during coating. For example, it is possible during the coating of micro- or nanoscale particles of a To change to a variety of micro- or nanoscale particles of another variety. This transition can be either fluent or erratic. In the case of a fluid change of the particle type, a smooth transition from one type of particle to the other type of particle is present in the finished coating. On the other hand, if the conversion of the jet composition takes place abruptly, then a coating with several layers can be produced, wherein the individual layers differ from one another due to the type of micro- or nanoparticles. The variation of the jet composition can also be combined with a variation of the jet pressure, so that in addition to the nature of the incorporated particles and their density varies in the finished coating.
Insgesamt erhöht das erfindungsgemäße Verfahren die Flexibilität beim Herstellen von Beschichtungen mit eingelagerten mikro- oder nanoskaligen Partikeln. Die Beschichtungseigenschaften können während des Herstellens der Beschichtung gezielt verändert werden. So sind völlig neuartige Schichtsysteme möglich. Auch lässt sich die Prozessdauer verkürzen, da nicht erst ein neues elektrochemisches Bad angesetzt werden muss, wenn beispielsweise ein Mehrschichtsystem hergestellt werden soll, in dem sich die einzelnen Schichten durch die Art der mikro- oder nanoskaligen Partikel voneinander unterscheiden.Overall, the inventive method increases the flexibility in the production of coatings with embedded micro- or nanoscale particles. The coating properties can be selectively changed during the production of the coating. So completely new layer systems are possible. Also, the process time can be shortened, since not only a new electrochemical bath must be recognized if, for example, a multi-layer system to be produced in which the individual layers differ from each other by the nature of the micro- or nanoscale particles.
Eine erfindungsgemäße Anordnung zum Beschichten eines Werkstückes mit einer Gegenelektrodenanordnung zum elektrochemischen Behandeln eines Werkstückes, die das Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens ermöglicht, umfasst eine Anzahl von Prozesselektroden, wobei das Werkstück eine Arbeitselektrode bildet. Die Gegenelektrodenanordnung umfasst weiterhin eine Prozessmediumzufuhreinrichtung zum Zuführen eines Prozessmediums, welches insbesondere mikro- oder nanoskalige Partikel umfassen kann, zu den Prozesselektroden.An arrangement according to the invention for coating a workpiece with a counter electrode arrangement for electrochemically treating a workpiece, which makes it possible to carry out the method according to the invention, comprises a number of process electrodes, the workpiece forming a working electrode. The counter electrode arrangement further comprises a process medium supply device for feeding a process medium, which may in particular comprise micro- or nanoscale particles, to the process electrodes.
Die Prozesselektroden sind als rohrartige Elemente mit sich in ihrem Inneren erstreckenden Kanälen ausgebildet. Sie weisen jeweils ein der Prozessmediumzufuhreinrichtung zugewandtes Ende und ein von der Prozessmediumzufuhreinrichtung abgewandtes Ende mit einer darin angeordneten Öffnung auf. Im Bereich der der Prozessmediumzufuhreinrichtung zugewandten Enden der rohrartigen Elemente stehen die Kanäle jeweils mit der Prozessmediumzufuhreinrichtung in Verbindung. Am von der Prozessmediumzufuhreinrichtung abgewandten Ende der rohrartigen Elemente münden die Kanäle in die Öffnungen der Prozesselektroden.The process electrodes are formed as tube-like elements with channels extending in their interior. They each have an end facing the process-medium supply device and an end facing away from the process-medium supply device with an opening arranged therein. In the region of the ends of the tube-like elements facing the process-medium supply device, the channels are in each case in communication with the process-medium supply device. At the end of the tube-like elements facing away from the process medium supply device, the channels open into the openings of the process electrodes.
Die Ausgestaltung der Prozesselektroden als rohrförmige Elemente und die darin angeordneten Kanäle ermöglichen es, ein Prozessmedium wie etwa mikro- oder nanoskalige Partikel oder ein Gemisch aus einer chemischen Behandlungslösung und darin dispergierten mikro- oder nanoskaligen Partikeln als ein Strahlmedium in Form eines Strahls gezielt in den Bereich zwischen den Prozesselektroden und der Arbeitselektrode als dem Werkstück einzubringen. Auf diese Weise kann ein effektiver Einsatz der mikro- oder nanoskaligen Partikel beim Beschichten erfolgen.The configuration of the process electrodes as tubular elements and the channels arranged therein make it possible to target a process medium, such as micro- or nanoscale particles or a mixture of a chemical treatment solution and micro- or nanoscale particles dispersed therein, as a jet medium in the form of a jet between the process electrodes and the working electrode as the workpiece. In this way, an effective use of the micro- or nanoscale particles can take place during coating.
Da über die Prozessmediumzufuhreinrichtung verschiedene Prozessmedien zugeführt werden können, ohne dass dazu ein Unterbrechen des Beschichtungsprozesses nötig wäre, beispielsweise um die elektrochemische Behandlungslösung zu wechseln, ist der Aufbau von Schichten mit mehreren, sich in den verwendeten Partikeln unterscheidenden Schichten ohne Unterbrechung der elektrochemischen Abscheidung möglich.Since different process media can be supplied via the process medium supply device without interrupting the coating process, for example in order to change the electrochemical treatment solution, it is possible to build up layers having a plurality of layers differing in the particles used without interrupting the electrochemical deposition.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Gegenelektrodenanordnung verjüngen sich die Kanäle im Bereich vor den Öffnungen. Der sich so verjüngende Öffnungsquerschnitt lässt eine düsenartige Öffnung entstehen, die für eine homogene Durchmischung der mikro- oder nanoskaligen Partikel in der elektrochemischen Behandlungslösung im Bereich der Umgebung der Öffnung sorgt. Die Qualität des Strahls, bspw. die Form des Strahls und/oder die Energie des Strahls und/oder die Menge an austretendem Strahlmedium, kann durch eine geeignete konstruktive Ausgestaltung der Düse gezielt beeinflusst werden, insbesondere durch ein geeignetes Wählen der Form der Kanäle im Bereich der Öffnungen und/oder der Form der Öffnungen selbst im Hinblick auf die zu erzielende Strahlqualität.In an advantageous embodiment of the counter electrode arrangement, the channels taper in the region in front of the openings. The so-tapered opening cross-section leaves a arise nozzle-like opening, which ensures a homogeneous mixing of the micro- or nanoscale particles in the electrochemical treatment solution in the vicinity of the opening. The quality of the jet, for example the shape of the jet and / or the energy of the jet and / or the amount of emerging jet medium, can be selectively influenced by a suitable structural design of the jet, in particular by a suitable choice of the shape of the channels in the area the openings and / or the shape of the openings themselves with regard to the quality of the beam to be achieved.
Um die Dichte der in die Beschichtung eingebauten mikro- oder nanoskaligen Partikel erhöhen oder verringern zu können, kann die Gegenelektrodenanordnung eine Einstelleinrichtung zum Einstellen des Drucks des Prozessmediums in der Prozessmediumzufuhreinrichtung umfassen.In order to be able to increase or reduce the density of the micro- or nanoscale particles incorporated in the coating, the counter-electrode arrangement may comprise an adjustment device for adjusting the pressure of the process medium in the process-medium supply device.
In einer ersten konstruktiven Ausgestaltung der Gegenelektrodenanordnung sind die rohrartigen Elemente der Prozesselektroden durch einen gemeinsamen wachsgefüllten Träger geführt. Sie weisen Sicherungselemente auf, beispielsweise sich in Umfangsrichtung der rohrförmigen Elemente der Prozesselektroden erstreckende Rippen, welche sie gegen ein axiales Verschieben gegenüber dem Wachs im erstarrten Zustand sichern.In a first structural embodiment of the counter electrode arrangement, the tube-like elements of the process electrodes are guided by a common wax-filled carrier. They have securing elements, for example, in the circumferential direction of the tubular elements of the process electrodes extending ribs, which secure them against axial displacement relative to the wax in the solidified state.
Die beschriebene Ausgestaltung ermöglicht ein vorteilhaftes Verfahren zum Anpassen der Prozesselektrodenanordnung an die Geometrie des zu bearbeitenden Werkstückes. Das Wachs wird verflüssigt und die Prozesselektrodenanordnung bei verflüssigtem Wachs an das Werkstück angedrückt. Dabei werden die Prozesselektroden im Wachs verschoben, sodass sich die Positionen der freien Enden der Prozesselektroden an die Geometrie der Werkstückoberfläche anpassen. In diesem Zustand wird das Wachs wieder verfestigt, sodass die Prozesselektroden in ihrer Lage fixiert werden. Das Ergebnis ist eine optimal an die Geometrie der Oberfläche des zu bearbeitenden Werkstückes angepasste Gegenelektrodenanordnung. Diese Anpassung ist insbesondere bei nicht planaren Werkstücken und im Bereich konkaver und konvexer Ecken von Bedeutung. Insbesondere konkave und konvexe Ecken können besonders gut bearbeitet werden, wenn die rohrartigen Elemente der Prozesselektroden eine Nadelform aufweisen. Daneben kann die Gegenelektrodenanordnung bei nadelförmiger Ausgestaltung der rohrartigen Elemente auch besonders vorteilhaft beim chemischen Behandeln von Löchern im Werkstück eingesetzt werden.The embodiment described enables an advantageous method for adapting the process electrode arrangement to the geometry of the workpiece to be machined. The wax is liquefied and pressed the process electrode assembly with liquefied wax to the workpiece. The process electrodes are displaced in the wax so that the positions of the free ends of the process electrodes are adapted to the geometry of the workpiece surface. In this state, the wax is solidified again, so that the process electrodes in be fixed in their position. The result is a counter electrode arrangement optimally adapted to the geometry of the surface of the workpiece to be machined. This adaptation is particularly important for non-planar workpieces and in the area of concave and convex corners. In particular, concave and convex corners can be processed particularly well if the tube-like elements of the process electrodes have a needle shape. In addition, the counter electrode arrangement can also be used particularly advantageous in the chemical treatment of holes in the workpiece in needle-shaped configuration of the tubular elements.
In einer zweiten konstruktiven Ausgestaltung der Gegenelektrodenanordnung sind die rohrartigen Elemente der Prozesselektroden durch Löcher wenigstens einer gemeinsamen Trägerplatte geführt. Zwischen den Rändern der Löcher und den jeweiligen rohrartigen Elementen ist dabei ein geringes Spiel vorhanden, das so bemessen ist, dass es eine ungestörte axiale Verschiebung der rohrartigen Elemente erlaubt. Weiterhin ist eine Spannvorrichtung vorhanden, mit deren Hilfe sich die rohrartigen Elemente mit einer Kraft derart gegen die Ränder der Löcher drücken lassen, dass sie aufgrund der dabei auftretenden Reibung gegen ein axiales Verschieben gegenüber der Trägerplatte gesichert sind.In a second structural embodiment of the counter electrode arrangement, the tube-like elements of the process electrodes are guided through holes of at least one common carrier plate. Between the edges of the holes and the respective tubular elements there is a small clearance, which is dimensioned so that it allows an undisturbed axial displacement of the tubular elements. Furthermore, a clamping device is provided, with the help of which the tubular elements can be pressed with a force against the edges of the holes such that they are secured due to the friction occurring against axial displacement relative to the support plate.
Wie in der ersten konstruktiven Ausführungsform kann auch die Gegenelektrodenanordnung in der zweiten konstruktiven Ausführungsform dadurch an die Geometrie der Oberfläche des zu bearbeitenden Werkstückes angepasst werden, dass sie an das Werkstück angedrückt wird. Dabei ist die Spannvorrichtung im entspannten Zustand, sodass sich die rohrartigen Elemente der Prozesselektroden innerhalb der Löcher axial verschieben können. Nachdem die Position der freien Elektrodenenden an die Geometrie der Werkstückoberfläche angepasst ist, wird die Spannvorrichtung gespannt, sodass die rohrförmigen Elemente gegen die Ränder der Löcher gedrückt werden, wodurch sie gegen ein weiteres axiales Verschieben gesichert sind. Auch in dieser konstruktiven Ausgestaltung bieten Prozesselektroden in Nadelform die mit Bezug auf die erste Ausgestaltung beschriebenen Vorteile.As in the first constructive embodiment, the counter electrode arrangement in the second structural embodiment can also be adapted to the geometry of the surface of the workpiece to be machined by being pressed against the workpiece. In this case, the tensioning device is in the relaxed state, so that the tubular elements of the process electrodes can move axially within the holes. After the position of the free electrode ends is adapted to the geometry of the workpiece surface, the Clamping tensioned so that the tubular elements are pressed against the edges of the holes, whereby they are secured against further axial displacement. Also in this constructive embodiment, process electrodes in needle form offer the advantages described with reference to the first embodiment.
Insgesamt lässt sich die erfindungsgemäße Gegenelektrodenanordnung besonders flexibel beim elektrochemischen Behandeln von Werkstücken einsetzen. Insbesondere in den beiden beschriebenen konstruktiven Ausgestaltungen ist die erfindungsgemäße Gegenelektrodenanordnung besonders variabel für jede Werkstückform einsetzbar. Auf speziell angefertigte Formelektroden für bestimmte Werkstückformen kann daher verzichtet werden.Overall, the counter electrode arrangement according to the invention can be used particularly flexibly in the electrochemical treatment of workpieces. In particular, in the two described structural embodiments, the counter electrode arrangement according to the invention is particularly variable for each workpiece shape used. It is therefore possible to dispense with specially prepared shaped electrodes for specific workpiece shapes.
Weitere Merkmale, Eigenschaften und Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie der erfindungsgemäßen Gegenelektrodenanordnung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren.
- Fig. 1
- zeigt eine Anordnung zum Durchführen eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens.
- Fig. 2
- zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel für die erfindungsgemäße Gegenelektrodenanordnung.
- Fig. 3
- zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel für die erfindungsgemäße Gegenelektrodenanordnung.
- Fig. 1
- shows an arrangement for carrying out an embodiment of the method according to the invention.
- Fig. 2
- shows a first embodiment of the counter electrode arrangement according to the invention.
- Fig. 3
- shows a second embodiment of the counter electrode arrangement according to the invention.
Nachfolgend wird das erfindungsgemäße Verfahren unter Bezugnahme auf die in
Beim Aufbau einer MCrAlY-Beschichtung wird Kobalt oder Nickel elektrochemisch abgeschieden, wohingegen die übrigen Bestandteile der Beschichtung, beispielsweise Cr, A1, Y oder Rhenium (Re) als mikro- oder nanoskalige Partikel in die elektrochemisch abgeschiedene Nickel- oder Kobaltschicht eingebaut werden.When a MCrAlY coating is formed, cobalt or nickel is deposited electrochemically, whereas the remaining constituents of the coating, for example Cr, Al, Y or rhenium (Re), are incorporated into the electroplated nickel or cobalt layer as micro- or nanoscale particles.
Die in
Im Elektrolyten 3, der eine elektrolytische Behandlungslösung darstellt, sind Ionen des Basismaterials des Werkstücks gelöst. Im Falle einer Turbinenschaufel aus einer Nickel- oder Kobalt- Basislegierung sind also Nickelionen oder Kobaltionen im Elektrolyten 3 gelöst. Die positiv geladenen Metallionen wandern zur Werkstückoberfläche 2 und lagern sich dort zu einer Beschichtung ab.In the
Im erfindungsgemäßen Verfahren werden mikro- oder nanoskalige Partikel in die Beschichtung eingebaut. Dies erfolgt, indem zwischen der Gegenelektrodenanordnung 9 und der Oberfläche 2 des Werkstückes 1 eine Dispersion 4 der einzubauenden mikrooder nanoskaligen Partikel im Elektrolyten 3 herbeigeführt wird. An die Oberfläche 2 des Werkstückes 1 angrenzende Partikel werden dabei während der elektrochemischen Ablagerung der Metallionen in die Beschichtung eingebaut. Die zugeführten Partikel können dabei eine einzige Partikelsorte, beispielsweise Cr-Partikel, Y-Partikel, Al-Partikel, Re-Partikel, etc. oder einem Gemisch aus mehreren Partikelsorten umfassen.In the process according to the invention, micro- or nanoscale particles are incorporated into the coating. This is done by inducing a
Das Zuführen der mikro- oder nanoskaligen Partikel in den Bereich zwischen der Gegenelektrodenanordnung 9 und dem Werkstück 1 erfolgt durch die Gegenelektrodenanondnung 9 hindurch. Zu diesem Zweck ist die Gegenelektrodenanordnung 9 mit einer Anzahl rohrförmiger Elemente 11 ausgestattet, welche die Prozesselektroden 12 der Gegenelektrodenanordnung 9 bilden. In
Die rohrförmigen Elemente 11 weisen einen in Axialrichtung verlaufenden Kanal 13 auf, welcher in einer Öffnung 14 im dem Werkstück 1 zugewandten Ende des rohrförmigen Elementes 11 mündet. Unmittelbar vor der Öffnung 14 verjüngt sich der Querschnitt des Kanals 13. Das andere Ende des rohrförmigen Elementes 11 steht mit einem Verteilertank 17 in Verbindung, dem über einen Zufluss 19, der im vorliegenden Ausführungsbeispiel als Zuflussrohr ausgebildet ist, mikro- und/oder nanoskalige Partikel zugeführt werden können.The
Während des Beschichtens des Werkstücks 1 werden die mikrooder nanoskaligen Partikel unter Druck über den Zufluss 19 in den Verteilertank 17 eingeleitet. Aufgrund des Druckes strömen die Partikel durch den Kanal 13 zur Öffnung 14 und treten durch diese in den Elektrolyt 3 im Bereich zwischen der Gegenelektrodenanordnung 9 und dem Werkstück 1 aus. Aufgrund der düsenartigen Öffnungen 14 der mit dem Verteilertank 17 in Verbindung stehenden rohrförmigen Elemente 11 kann eine homogene Durchmischung der Partikel im Elektrolyten oder eine gezielte Anstrahlung der Werkstückoberfläche 2 mit den. Partikeln während der Abscheidung der gelösten Metallionen erreicht werden. Die mikro- oder nanoskaligen Partikel können dabei mit einem bestimmten Druck durch die düsenartigen Öffnungen 14 zur Werkstückoberfläche 2 transportiert werden.During the coating of the workpiece 1, the micro- or nanoscale particles are introduced under pressure via the
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel werden die Partikel dem Verteilertank im Elektrolyten dispergiert zugeführt. Aus der düsenartigen Öffnung 14 tritt daher ein Elektrolytstrahl mit dispergierten mikro- oder nanoskaligen Partikeln als Strahlmedium aus. Alternativ ist es jedoch auch möglich, alleine die mikro- oder nanoskaligen Partikel in den Verteilertank 17 einzuleiten, sodass aus der düsenartigen Öffnung 14 lediglich die Partikel als Strahlmedium austreten.In the present embodiment, the particles are supplied to the distribution tank dispersed in the electrolyte. From the nozzle-
Über eine geeignete Steuerung des Druckes im Verteilertank 17 kann die Anzahl der im Bereich zwischen der Gegenelektrodenanordnung 9 und dem Werkstück 1 befindlichen mikro- oder nanoskaligen Partikel gezielt erhöht oder vermindert werden. Auf diese Weise lässt sich die Einbaudichte der Partikel in die Beschichtung gezielt erhöhen und vermindern. Die Druckverhältnisse im Verteilertank 17 können beispielsweise über den Druck im Zufluss 19 eingestellt werden. Es sind sowohl kontinuierliche Drücke als auch pulsierende Drücke möglich. Das Steuern des Druckes kann hierbei sowohl die Druckamplitude als auch die Frequenz bei pulsierenden Drücken umfassen.By means of a suitable control of the pressure in the
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich auch gradierte Beschichtungen, also solche Beschichtungen, in denen die Dichte an eingebauten mikro- oder nanoskaligen Partikeln mit dem Abstand von der Werkstückoberfläche variiert, erzeugen. Hierzu wird im Verlaufe des Beschichtungsverfahrens der Druck im Verteilertank 17 kontinuierlich verändert, sodass sich die Zahl, d.h. die Dichte, der im Elektrolyten zwischen der Gegenelektrodenanordnung 9 und dem Werkstück 1 dispergierten Partikel verändert.With the method according to the invention, it is also possible to produce graduated coatings, ie those coatings in which the density of incorporated micro- or nanoscale particles varies with the distance from the workpiece surface. For this purpose, in the course of the coating process, the pressure in the
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können jedoch auch Mehrschichtsysteme hergestellt werden, wobei sich die einzelnen Schichten des Beschichtungssystems sowohl in der Dichte der eingebauten mikro- oder nanoskaligen Partikel als auch in der Art der mikro- oder nanoskaligen Partikel voneinander unterscheiden können. Derartige Schichten können insbesondere hergestellt werden, ohne dass der elektrochemische Beschichtungsprozess unterbrochen werden muss, um das galvanische Bad auszutauschen. Zum Herstellen von Beschichtungen mit mehreren, sich in die Art der Partikel voneinander unterscheidenden Beschichtungen braucht lediglich der Verteilertank 17 während des Verfahrens nacheinander mit mikro- oder nanoskaligen Partikeln unterschiedlicher Art befüllt zu werden. Jedes Mal, wenn eine Lage fertiggestellt ist, wird die nächste Partikelart in den Verteilertank 17 eingefüllt.However, multi-layer systems can also be produced by the method according to the invention, wherein the individual layers of the coating system can differ from one another both in terms of the density of the incorporated micro- or nanoscale particles and in the type of micro- or nanoscale particles. In particular, such layers can be produced without having to interrupt the electrochemical coating process in order to exchange the galvanic bath. To produce coatings with a plurality of coatings that differ from each other in the nature of the particles, only the
Beschichtungen mit Lagen, die sich durch die Einbaudichte der Partikel voneinander unterscheiden, lassen sich herstellen, indem die Druckverhältnisse im Verteilertank 17 kontinuierlich verändert werden. Es sei an dieser Stelle angemerkt, dass sich mit dem erfindungsgemäßen Verfahren auch durch die Art der Partikel voneinander unterscheidenden Multischichtsysteme hergestellt werden können, die eine gradierte oder sprunghafte Änderung in der Dichte der eingebauten Partikel aufweisen. Dies ist möglich, da die Art der in den Verteilertank 17 eingebrachten Partikel und der Druck im Verteilertank 17 unabhängig voneinander geregelt werden können.Coatings with layers which differ from one another due to the incorporation density of the particles can be produced by continuously changing the pressure conditions in the
Ein erstes Ausführungsbeispiel für die erfindungsgemäße Gegenelektrodenanordnung 9 wird nun mit Bezug auf
Die Prozesselektroden 12a bis 12e erstrecken sich in Axialrichtung durch einen mit Wachs 27 gefüllten Träger 29. Der Träger 29 weist eine erste, dem Verteilertank 17 zugewandte Trägerplatte 31 und eine zweite, dem Verteilertank 17 abgewandte Trägerplatte 33 auf. Beide Trägerplatten 31, 33 weisen Löcher auf, die ein axiales Verschieben der Prozesselektroden 12a bis 12e gegen die Trägerplatten 31, 33 zulassen und die gegen einen Austritt flüssigen Wachses 27 aus dem Träger 29 abgedichtet sind. Die einzelnen Prozesselektroden 12 bis 12e sind im Bereich derjenigen Abschnitte, welche sich im Inneren des Trägers 29 befinden, mit flanschartigen Ansätzen 35, 37 und 39 ausgestattet, die die Prozesselektroden 12a bis 12e bei erstarrtem Wachs 27 gegen eine axiale Verschiebung relativ zum Träger 29 sichern.The
Die beschriebene Prozesselektrodenanordnung 9 lässt sich in vorteilhafter Weise an die Geometrie der Werkstückoberfläche 2 anpassen. Dazu wird das Wachs 27 im Träger 29 verflüssigt, beispielsweise über eine im Träger 29 angeordnete Heizung oder über eine Erwärmung des Elektrolyten 3 im Behälter 5, sodass ein axiales Verschieben der Prozesselektroden 12a bis 12e relativ zum Träger 29 möglich wird. In diesem Zustand wird die Gegenelektrodenanordnung 9 mit leichtem Druck an das Werkstück 1 angedrückt, sodass sich die Position der Öffnungen 14a bis 14e der einzelnen Prozesselektroden 12a bis 12e an die geometrische Form des Werkstücks 1 anpassen. Sodann wird eine Abkühlung des Wachses 27 herbeigeführt, sodass dieses erstarrt und die Prozesselektroden 12a bis 12e gegen ein axiales Verschieben relativ zum Träger 29 sichert. Danach wird die Gegenelektrodenanordnung 9 wieder etwas von der dem Werkstück 1 weggeführt, wobei darauf geachtet wird, dass die relative Orientierung der Gegenelektrodenanordnung 9 zum Werkstück 1 erhalten bleibt.The described process electrode arrangement 9 can be adapted to the geometry of the workpiece surface 2 in an advantageous manner. For this purpose, the
Nachdem die Gegenelektrodenanordnung 9 an die geometrische Form des Werkstückes 1 angepasst ist, kann das elektrochemische Abscheiden der Beschichtung erfolgen. Mittels der Messelektroden 21 kann die Einhaltung konstanter elektrischer Parameter überwacht werden.After the counter electrode arrangement 9 has been adapted to the geometric shape of the workpiece 1, the electrochemical deposition of the coating can take place. By means of the measuring
Die erfindungsgemäße Elektrodenanordnung 9 lässt sich auf die beschriebene Weise besonders gut an die Geometrie des Werkstückes 1 anpassen, ohne dass hierzu extra eine speziell geformte Elektrode hergestellt werden muss. Aufgrund der gleichen Entfernung der verschiedenen Öffnungen 14a bis 14e der Prozesselektroden 12a bis 12e vom Werkstück 1 lässt sich eine gleichförmige Verteilung der in Richtung auf die Oberfläche gestrahlten mikro- oder nanoskaligen Partikel in der Beschichtung erzielen.The electrode arrangement 9 according to the invention can be adapted particularly well to the geometry of the workpiece 1 in the described manner, without the need to specially manufacture a specially shaped electrode for this purpose. Due to the same distance of the various openings 14a to 14e of the
Ein zweites Ausführungsbeispiel für die erfindungsgemäße Prozesselektrodenanordnung 90 ist in
Der Träger 129 umfasst eine erste, dem Verteilertank 17 zugewandte Trägerplatte 131 sowie eine zweite, dem Verteilertank 17 angewandte Trägerplatte 133. Beide Trägerplatten weisen Öffnungen auf, deren Größe so gewählt ist, dass zwischen den Rändern der Öffnungen und den durch die Trägerplatten 131, 133 hindurchgeführten Prozesselektroden 11a bis 11e ein Spiel verbleibt, das ein axiales Verschieben der Prozesselektroden 12a bis 12e relativ zum Träger 129 ermöglicht. Durch das Innere des Trägers 129 erstrecken sich Justageplatten 134, 136, 138, welche ebenfalls Öffnungen aufweisen, die derart dimensioniert sind, dass die Prozesselektroden 12a bis 12e mit Spiel durch sie hindurchgeführt sind. Auch die Justageplatten 134, 136, 138 behindern daher in einem ersten Zustand ein axiales Verschieben der Prozesselektroden 12a bis 12e nicht. Die mögliche axiale Verschiebung der Prozesselektroden 12a bis 12e wird lediglich durch flanschartige Ansätze 135, 137, 139 in demjenigen Bereich der Prozesselektroden 12a bis 12e, der sich im Inneren des Trägers 129 befindet, begrenzt.The
Die Justageplatten 134, 136, 138 werden an zwei Seiten von einem Rahmen 140 gehalten, gegenüber dem die mittlere Justageplatte 136 verschoben werden kann. Die Verschiebung der Justageplatte 136 erfolgt parallel zu den Justageplatten 134 und 138 und senkrecht zur Richtung der axialen Verschiebung der Prozesselektroden 12a bis 12e. Zudem weist der Rahmen 140 eine Fixiereinheit 142, beispielsweise in Form einer oder mehrerer Fixierschrauben, auf, welche ein Fixieren der Position der mittleren Justageplatte 136 relativ zur Position der beiden äußeren Justageplatten 134, 138 ermöglicht.The
Die Prozesselektrodenanordnung 90 des zweiten Ausführungsbeispiels kann an die Geometrie des Werkstücks 1 angepasst werden, indem die mittlere Justageplatte 136 in eine Stellung gebracht wird, in der die Löcher in den einzelnen Justageplatten 134, 136, 138 sowie die Löcher in den beiden Trägerplatten 131, 133 derart relativ zueinander zentriert sind, dass ihre Öffnungen fluchtend zueinander angeordnet sind. In diesem ersten Zustand wird die Gegenelektrodenanordnung 90 mit leichtem Druck derart an das Werkstück 1 angedrückt, dass sie mit den mit den Öffnungen 14a bis 14e versehenen Enden der Prozesselektroden 12a bis 12e an dem Werkstück 1 anliegen. Die Geometrie des Werkstückes 1 sorgt dabei für eine axiale Verschiebung der Prozesselektroden 12a bis 12e, die zu einer Anpassung der Position der Öffnungen 14a bis 14e an die Geometrie des Werkstückes führt. Anschließend wird die mittlere Justageplatte 136 parallel zu den beiden äußeren Justageplatten 134, 138 verschoben, sodass die Öffnungen der Justageplatten 134, 136, 138 nicht mehr miteinander fluchten. In diesem zweiten Zustand der Justageplatten 134, 136, 138 werden die Prozesselektroden 12a bis 12e an eine Seite der Lochränder der äußeren Justageplatten 134, 138 angedrückt. Gleichzeitig werden die Prozesselektroden 12a bis 12e an die Lochränder der mittleren Justageplatte angedrückt. Da die Lochränder der äußeren Justageplatten 134, 138 in der entgegengesetzten Richtung wie die Lochränder der mittleren Justageplatte 136 gegen die Prozesselektroden 12a bis 12e drücken, werden die Prozesselektroden 12a bis 12e zwischen den Lochrändern der äußeren Justageplatten 134, 138 einerseits und den Lochrändern der inneren Justageplatte 136 andererseits eingeklemmt. Die mittlere Justageplatte 136 wird in diesem Zustand mittels der Fixiereinrichtung 142 fixiert. Auf diese Weise sind die Prozesselektroden 12a bis 12e gegen axiale Verschiebung gesichert. Mit der so an die Geometrie des Werkstückes 1 angepassten Gegenelektrodenanordnung 9 wird dann das elektrochemische Beschichtungsverfahren wie mit Bezug auf das erste Ausführungsbeispiel beschrieben durchgeführt.The
In einer Abwandlung des zweiten Ausführungsbeispiels ist es auch möglich, die beiden äußeren Justageplatten 134, 138 verschiebbar auszugestalten und die mittlere Justageplatte 136 unverschiebbar auszugestalten. Eine weitere Alternative besteht darin, statt der Justageplatten netzartige Konstruktionen zu verwenden, die beispielsweise aus Drähten oder Seilen hergestellt sind und Maschen aufweisen, durch welche die im Inneren des Trägers befindlichen Bereiche der Prozesselektroden hindurchgeführt sind. Durch Verspannen der einzelnen Seile bzw. Drähte gegeneinander lässt sich der Öffnungsquerschnitt der Maschen vermindern, sodass die Drähte bzw. Seile gegen die Außenseite der Prozesselektroden drücken und so eine die axiale Verschiebung der Prozesselektroden verhindernde Reibung bereitstellen.In a modification of the second embodiment, it is also possible to make the two
Claims (13)
- Method for electrochemical coating of a workpiece surface (2), with microscale or nanoscale particles being introduced into the coating,
characterized
in that, during the coating process, a plurality of jets composed of a jet medium, which comprises the microscale or nanoscale particles to be introduced, are directed at the workpiece surface (2). - Method according to Claim 1,
characterized
in that the jet medium is formed solely by the microscale or nanoscale particles. - Method according to Claim 1,
characterized
in that the microscale or nanoscale particles are dispersed in an electrolytic treatment solution, and the jet medium is formed by the electrochemical treatment solution with the microscale or nanoscale particles dispersed in it. - Method according to one of Claims 1 to 3, characterized
in that the quantity of microscale or nanoscale particles introduced into the coating is varied by means of the jet pressure. - Method according to Claim 4,
characterized
in that the jet pressure is varied during the electrochemical coating process. - Method according to one of Claims 1 to 5, characterized
in that the composition of the jet medium is varied during the electrochemical coating process. - Arrangement for coating a workpiece, for carrying out the method according to Claims 1 to 6, having an opposing electrode arrangement (9) having a number of process electrodes (12) for electrochemical treatment of a workpiece (1), in which the workpiece (1) forms a working electrode, and an electrolyte container in which the opposing electrode arrangement is arranged,
characterized in that- a process medium supply device (17) is provided in order to supply a process medium to the process electrodes (12),- the process electrodes (12) are in the form of tubular elements (11) with channels (13) extending in their interiors, and have in each case one end facing the process medium supply device (17) and one end facing away from the process medium supply device (17), with an opening (14) arranged therein, and- in the area of these ends of the tubular elements (11) which face the process medium supply device (17), the channels (13) are each connected to the process medium supply device (17), and open into the opening (14) at the end of the tubular elements (11) facing away from the process medium supply device, wherein- the process electrodes (12) and the channels (13) arranged therein specifically introduce the process medium in each case in the form of a jet into the area between the process electrodes and the working electrode. - Arrangement (9) according to Claim 7,
characterized
in that the channels (13) taper in the area in front of the openings (14). - Arrangement according to Claim 8,
characterized
in that the shape of the channels (13) in the area of the openings (14) and/or the shape of the openings (14) themselves are/is chosen with respect to the jet quality to be achieved. - Arrangement according to one of Claims 7 to 9, characterized
in that an adjustment device is provided for adjusting the pressure of the process medium in the process medium supply device (17). - Arrangement according to one of Claims 7 to 10, characterized
in that the tubular elements (11) of the process electrodes (12) are in the form of needles. - Arrangement according to one of Claims 7 to 11, characterized
in that the tubular elements (11) of the process electrodes (12) are passed through a common wax-filled mount (29) and have securing elements (35, 37, 39) which secure the process electrodes (12) against axial movement with respect to the wax (27) in the solidified state. - Arrangement according to one of Claims 7 to 12, characterized
in that the tubular elements (11) of the process electrodes (12) are passed through holes in at least one common mounting plate (131, 133), with a small clearance being provided between the edges of the holes and the respective tubular elements (11), and in that a clamping apparatus (134, 136, 138) is provided, by means of which the tubular elements can be pressed against the edges of the holes with a force such that they are secured against axial movement with respect to the mounting plate (131, 133) because of the friction that occurs in this case.
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