EP2326740A1 - Vorrichtung und verfahren zum maskieren einer bauteilzone - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zum maskieren einer bauteilzone

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Publication number
EP2326740A1
EP2326740A1 EP09776090A EP09776090A EP2326740A1 EP 2326740 A1 EP2326740 A1 EP 2326740A1 EP 09776090 A EP09776090 A EP 09776090A EP 09776090 A EP09776090 A EP 09776090A EP 2326740 A1 EP2326740 A1 EP 2326740A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
component
thermal spraying
masking
room temperature
zone
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP09776090A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Andreas Jakimov
Manuel Hertter
Stefan Schneiderbanger
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
MTU Aero Engines AG
Original Assignee
MTU Aero Engines GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by MTU Aero Engines GmbH filed Critical MTU Aero Engines GmbH
Publication of EP2326740A1 publication Critical patent/EP2326740A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C4/00—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge
    • C23C4/01—Selective coating, e.g. pattern coating, without pre-treatment of the material to be coated
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T50/00—Aeronautics or air transport
    • Y02T50/60—Efficient propulsion technologies, e.g. for aircraft

Definitions

  • the present invention relates to a device for masking a component zone of a component which is coated with a thermal spray coating.
  • the present invention relates to the masking and partial coating of components manufactured and used in the aerospace industry, such as gas turbines or aircraft engines.
  • the invention further relates to a method which uses the above-mentioned device for masking and partially coating component surfaces by thermal spraying, in particular components that are manufactured and used in the aerospace industry, such as gas turbines or aircraft engines.
  • Thermal spraying is a coating process in which a spray additive is continuously melted and spun onto a surface to be coated. Due to the accumulation of flattened and lamellar droplets, superimposed layers which form the so-called sprayed layer, which may be harder, more brittle and more porous than the starting material, are formed on the surface to be coated.
  • thermal spraying different spray methods are summarized, which differ in the type of spray additive, the production or the energy carrier such as arc spraying, laser spraying, flame spraying, high-velocity flame spraying or plasma spraying in a vacuum or under a controlled
  • the characteristic properties, such as the porosity, the structure of the structure, the density, the phase composition, the hardness, the modulus of elasticity and the residual stress of the layers formed by this process depend on many parameters, including thermal energy , the powder material used, the kinetic energy, the type of process gases, the substrate material to be coated and the pretreatment thereof.
  • thermal spraying is, on the one hand, that each material can both be sprayed and sprayed, that, with few exceptions, the materials to be coated remain thermally unchanged and, above all, that almost every component size and component geometry can be coated , Furthermore, good reproducibility, high quality standards and excellent automation of the coating process can be achieved with this method. Finally, several elements can be included or combined in the sprayed layers, so that the thermal spraying is characterized by a very flexible use.
  • thermal spraying processes are of great importance both in the manufacture of new parts and in the design, as well as in the repair of high-quality worn parts.
  • the fields of application and applications of thermal spraying are therefore diverse and range from decorative layers for household and kitchen appliances on emergency running and wear protective layers in automotive technology to Abst-, high-temperature protection and expedikorrektur füren in aerospace engineering.
  • the overlay mask consists of a multilayer cover film consisting of a metallic and a resin film, which is attached to large area uncoated parts.
  • Such support masks are not suitable for more complicated surfaces to be protected without additional conformance and mounting options and can not be reused as a rule.
  • No. 5,203,944 discloses, for example, the use of a plurality of masks for constructing a three-dimensional structure which consist of a plastic film which on the one hand comprises a removable carrier material and on the other hand an adhesive surface.
  • a disadvantage is that material deterioration of the adhesive tapes and adhesives occurs at higher temperatures.
  • masking consisting of adhesive tapes or reinforced adhesive tapes can be destroyed frequently and quickly in the course of the spraying process. They must therefore be removed frequently and replaced.
  • the adhesive residues left behind by the adhesive tapes or the like must be removed on the protected component surfaces by means of complicated cleaning processes, mechanical or chemical. This required surface treatment is associated with a high technical and time and therefore increased costs.
  • the chemicals used in the cleaning process are generally polluting and the risk of damaging the surfaces in a mechanical process is very high.
  • Another covering method known from the prior art provides for a masking of a lacquer or of a binder-containing mixture to be applied to the areas to be protected, as described, for example, in US Pat. No. 4,464,430.
  • the strongly adhering coating material must be removed from the masking or the masking itself. This is usually done by means of solvents that cause costly disposal measures and must be disposed of together with the resulting waste as hazardous waste.
  • Common masks are thus subject in thermal spraying either a high adhesion of the coating material and are therefore only temporarily dimensionally stable or they have a surface on which no coating material can adhere.
  • a cleaning of the masks used after the thermal spraying is usually possible, but associated with an intensive time and cost.
  • the unfavorable bouncing of the spray particles on the masking surface causes undesirable degradation of the film quality at the areas adjacent to the masking.
  • the object of the present invention is therefore to provide an apparatus and a method for masking of components to be thermally sprayed, in particular components for the aerospace industry, such as for gas turbines or aircraft engines, which avoids the disadvantages of the prior art , Furthermore, a solution is to be provided which enables a safe, fast, clean, reproducible and cost-effective partial coating of the components.
  • the device according to the invention for masking components to be thermally sprayed consists at least in part of a material which is elastically deformable at room temperature and is produced in a slight undersize in a form suitable for the partial regions of the component to be protected. Due to the at least partially possible elastic deformation of the device at room temperature, a simple, material-protecting, and tight fitting attachment of the device to the corresponding pre-sprayed to be protected components is guaranteed. Due to the at least partial elasticity and the slight undersize of the device, no fastening devices are needed, neither on the component nor on the device itself, to keep the device in the intended location.
  • the device according to the invention for masking components to be sprayed during the injection process has at least one inelastic surface on which the spray particles impinging on the device surface adhere and which are thereby prevented from entering the adjacent sprayed layers.
  • an undesirable deterioration of the quality of the adjacent to the device spray surfaces is prevented.
  • the device is finally easy, fast and residue-free by elastic deformation of the protected component surfaces can be separated. The risk of damaging the component surface is thereby ensured by the simple attachment of the device to the component and by the absence of a surface treatment of the protected component zones after the thermal spraying process.
  • the device is degraded undamaged by at least one thermal spraying process of the component to be protected and is used again in a new thermal spraying process.
  • a device consisting partly of one of the materials listed below and of a non-elastic part, for example one or more metal surfaces, which are held together and form the device for masking.
  • the device material consists of at least one of the following materials: silicone resin, thermally crosslinkable elastomers, thermosets, thermoplastics, natural rubber with additives, silicone elastomers, polyamide (PA), polycarbonate (PC), polymethylmethacrylate (PMMA) ), Polyoxymethylene (POM), polytetrafluoromethylene (PTFE), silicone polymers, vinyl-silicone polymers, polyesters, epoxy resin, quartz silica, dimethylvinyl, xylenes, polyethers, polyethylene, polyvinyl chloride (PVC), polystyrene (PS ), Polypropylene (PP), polysulfides. Ethylene-propylene rubber.
  • silicone elastomers can be easily created on a positive mold with appropriate undersize and simply use in the inventive way by a different choice of the impact surface material.
  • a plastic may be used which is elastic at low temperatures and at higher temperature to the 8O 0 C 5 as it is present during thermal spraying hardens.
  • the masking can be easily attached and removed, but is so inelastic by the curing during the injection process that it does not come to bounce off the impinging spray particles.
  • a reversible plastic which has the abovementioned properties but which reacts at low temperature, ie after cooling becomes elastic. This simplifies the removal and reuse of the mask and also facilitates the cleaning of the device.
  • the device is at least partially reinforced with metallic, glass or plastic fibers.
  • metallic fiber laid parallel to one another increases the stability of the device in that direction, but retains the elasticity perpendicular to that direction.
  • a cylindrical device for masking a part of a cylinder with embedded and non-elastic fibers along its longitudinal axis would, for example, be attached to this cylinder by radial elastic deformation.
  • At least a part of the surface of the device for masking is provided with an additional protective layer which promotes adherence of the spray particles during the thermal spraying process and which can be sprayed from the surface of the device by a suitable mechanical and / or detach chemical cleaning process.
  • This additional layer consists, for example, of a solvent-sensitive lacquer, of a water-receptive layer, of a dried, previously sprayed-on emulsion which can be dissolved either with water or with a solvent.
  • a method for masking components to be thermally sprayed provides a device, which is at least partially elastic at room temperature and undersized with respect to a component to be protected, in order to improve the quality of the sprayed layers adjacent to the masking and to ensure a reproducible production process.
  • elastic deformation of the corresponding device is attached to the corresponding component and is held tightly lying in this position during the injection process due to their elastic properties and their small undersize. This is especially for geometrically difficult components, such as turbine blades, the convex and have concave profile curvatures and torsions over the blade length, particularly advantageous.
  • the device is cleaned after completion of the thermal spraying process and subsequent cooling and degradation of the sprayed component in a cleaning process of the spray coating thereon.
  • a cleaning method is to elastically deform the device so that the sprayed layer peels off its surface.
  • Another cleaning method includes, for example, holding the device to be cleaned in a water or solvent bath whose temperature is varied.
  • Another cleaning method is to use ultra-sonic to aid in the cleaning procedure.
  • Fig. 1 is a schematic representation of a component to be partially coated on the lower part of a device according to the invention for masking a component zone is mounted;
  • Fig. 2 is a schematic detail view of the device of Fig. 1 prior to its attachment to the component.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a component 2 to be partially coated by means of thermal spraying, to the lower part of which a device 1 according to the invention for covering the lower component zone is attached.
  • the component 2 is the blade of a rotor of a gas turbine, wherein only the blade 2 was shown.
  • FIG. 1 shows the length of the blade D and the length of the device L e applied therefrom for masking a component zone.
  • the upper rear portion of the blade is coated with a thermally sprayed wear resistant layer of chromium carbide nickel aluminum.
  • the device 1 for masking the lower part of the blade 2 is made entirely of polyamide and its height corresponds to half the blade height.
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a device 1 according to the invention for masking a component zone before it is attached to the blade 2.
  • FIG. 2 also shows the length LN of the elastic device not yet attached.
  • the shape of the device 1 corresponds to the shape of the airfoil 2, wherein the device 1 is hollow over its entire height.
  • the shape of the recess also corresponds to that of the airfoil 2, wherein the device 1 is provided with a lower dimension, so that LN ⁇ L e applies and thus the recess also has smaller dimensions than the airfoil 2.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1) und ein Verfahren zum Maskieren einer Bauteilzone beim thermischen Spritzen eines Bauteils (2), welche vom Spritzstrahl nicht erfasst werden soll, wobei die Vorrichtung (1) bei Raumtemperatur zum Anbringen an dem Bauteil (2) zumindest teilweise elastisch verformbar ist, wobei die Vorrichtung (1) während des thermischen Spritzens zumindest eine unelastische Fläche aufweist, so dass die auftreffende Spritzpartikeln an ihrer Oberfläche haften bleiben, und wobei die Vorrichtung (1) nach dem thermischen Spritzen rückstandsfrei von der abgedeckten Bauteilzone abnehmbar ist. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Maskieren einer Bauteilzone beim thermischen Spritzen eines Bauteils (2) sowie die Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung (1) und des erfindungsgemäßen Verfahrens insbesondere zur Herstellung, Reparatur oder Beschichtung insbesondere von Bauteilen (2) von Gasturbinen oder Flugtriebwerke. Hierdurch wird eine einfache wiederverwendbare Lösung geschaffen, welche die Nachteile des Standes der Technik vermeidet.

Description

VORRICHTUNG UND VERFAHREN ZUM MASKIEREN EINER BAUTEILZONE
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Maskieren einer Bauteilzone eines Bauteils, das mit einer thermischen Spritzschicht beschichtet wird. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere das Maskieren und das partielle Beschichten von Bauteilen, die in der Luft- und Raumfahrtindustrie hergestellt und verwendet werden, wie zum Beispiel Gasturbinen oder Flugtriebwerke. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren, welches die oben genannte Vorrichtung, zum Maskieren und teilweisen Beschichten von Bauteiloberflächen mittels thermischen Spritzens verwendet, insbesondere von Bauteilen, die in der Luft- und Raumfahrtindustrie hergestellt und verwendet werden, wie zum Beispiel Gasturbinen oder Flugtriebwerke.
Das thermische Spritzen ist ein Beschichtungsverfahren, bei dem ein Spritzzusatz kontinuierlich geschmolzen und auf eine zu beschichtende Oberfläche geschleudert wird. Durch die Anhäufung von abgeflachten und lamellenförmigen Tröpfchen entstehen auf der zu beschichtenden Oberfläche aufeinanderliegende Lagen, welche die sogenannte Spritzschicht ausbilden, die härter, spröder und poröser als das Ausgangsmaterial sein kann. Unter dem Begriff „thermisches Spritzen" sind unterschiedliche Spritzverfahren zusammengefasst, die sich nach Art des Spritzzusatzwerkstoffes, der Fertigung oder des Energieträgers unterscheiden wie zum Beispiel das Lichtbogenspritzen, das Laserspritzen, das Flammspritzen, das Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen oder das Plasmaspritzen im Vakuum oder unter einer kontrollierten Atmosphäre. Die kennzeichnenden Eigenschaften, wie zum Beispiel die Porosität, der Gefügeaufbau, die Dichte, die Phasenzusammensetzung, die Härte, der E-Modul und die Eigenspannung der durch dieses Verfahren entstandenen Schichten, hängen von vielen Parametern ab, unter anderem von der thermischen Energie, dem verwendeten Pulverwerkstoff, der kinetischen Energie, der Art der Prozessgase, dem zu beschichtenden Substratwerkstoff und von der Vorbehandlung desselben ab. Die Vorteile des thermischen Spritzens liegen zum einen darin, dass sich jedes Material sowohl bespritzen als auch verspritzen lässt, dass weiterhin die zu beschichtenden Mate- rialen dabei mit wenigen Ausnahmen thermisch nicht verändert werden und vor allem dass nahezu jede Bauteilgröße und jede Bauteilgeometrie beschichtet werden kann. Weiterhin können mit diesem Verfahren eine gute Reproduzierbarkeit, hohe Qualitätsstandards und eine hervorragende Automatisierbarkeit des Beschichtungsprozesses erreicht werden. Schließlich können mehrere Elemente in den Spritzschichten enthalten sein oder kombiniert werden, so dass das thermische Spritzen durch einen sehr flexiblen Einsatz gekennzeichnet ist.
Aus diesen Gründen haben thermische Spritzverfahren eine große Bedeutung sowohl in der Neuteil- Fertigung und Gestaltung, als auch in der Reparatur hochwertiger verschlissener Teile. Die Einsatzgebiete und Anwendungen des thermischen Spritzens sind daher vielfältig und reichen von Dekorationsschichten für Haushalts- und Küchengeräte über Notlauf- und Verschleiß-Schutzschichten in der Automobiltechnik bis hin zu Anstreif-, Hochtemperaturschutz- und Maßkorrekturschichten in der Luft- und Raumfahrttechnik.
Häufig ist es jedoch erforderlich, bestimmte Teilbereiche während des thermischen Spritzprozesses nicht mitzubeschichten. Dafür wurden Techniken entwickelt, welche entsprechende Bauteilzonen vor dem Spritzstrahl schützen. Es werden hierzu - meistens nach einer spezifischen Oberflächenbehandlung der zu spritzenden Bauteilen - die entsprechenden zu schützenden Bauteilzonen mit Abdeckungen ausgestattet, die zur Ab- grenzung von Schichtflächen und Bereichen, welche nicht vom Spritzstrahl erfasst werden sollen, dienen.
Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Techniken zum Abdecken dieser nicht zu beschichtenden Bereichen bekannt. Zum einen kommen Auflagemasken aus unterschiedlichen nicht elastischen Materialien in Betracht, wie beispielsweise in der JP 3158451 offenbart. In diesem Dokument besteht die Auflagemaske aus einer mehrschichtigen Abdeckfolie, die aus einer metallischen und einer Harzfolie besteht und die an großflächigen nicht zu beschichtenden Teilen angebracht wird. Solche Auflagemasken sind für kompliziertere zu schützende Flächen ohne zusätzliche Formanpassung und Befestigungsmöglichkeiten nicht geeignet und können in der Regel nicht wiederverwendet werden.
Es ist weiterhin eine Maskierung aus der US 6645299 B2 bekannt, die aus einem dün- nen Stahlblech besteht, das in eine dem zu schützenden Bauteil konturgemäße Form gebracht wird und mit einer Einspannvorrichtung an dem zu schützenden Material befestigt wird. Derartige Maskierungen weisen den Nachteil auf, dass passende Aufnahmevorrichtungen für die Befestigung an dem Bauteil vorhanden sein müssen und dass Beschädigungen am Bauteil vor oder nach dem Spritzprozess bedingt durch das Befes- tigen und das Abnehmen der Maskierung nicht auszuschließen sind. Außerdem ist die Wiederverwendbarkeit der Maskierung wegen der Materialanhäufung auf der Maskierung während des Spritzprozesses begrenzt. Weiterhin besteht bei Wiederverwendung der Maskierung die Gefahr, dass sich bereits vorhandene Partikel während des weiteren Spritzprozesses von der Maskierungsoberfläche ablösen. Derartige Verschmutzungen verschlechtern die Qualität der angrenzenden Spritzschichten und verringern vor allem die Reproduzierbarkeit des Beschichtungsvorganges.
Andere Auflagemasken aus dem Stand der Technik werden aus Metallen und deren Legierungen hergestellt, wie die aus der JP 6010111 bekannte Maskierung, werden entwe- der direkt an der zu schützenden Fläche angebracht oder konturgerecht dem Bauteil angepasst und mit Abstandszonen versehen, die ein Anhaften der Spritzschicht mit der Maskierung verhindern, und gleichzeitig die nicht zu spritzenden Bereiche vor dem Spritzstrahl schützen. Die Konstruktion und der Aufbau derartiger Abdeckvorrichtungen erfordern entsprechende Vorlaufzeiten und lohnen sich erst ab hohen Stückzahlen. Die Maskierungen müssen außerdem nach einigen Spritzvorgängen aufwändig gereinigt werden. Eine andere einfache Möglichkeit besteht darin, die nicht zu beschichtenden Teile mit klebenden Masken bestehend aus Klebebändern oder dergleichen, die direkt auf die nicht zu beschichtenden Teile aufgeklebt werden, zu verwenden. Eine derartige Abde- ckungstechnik ist aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Aus der US
5203944 wird beispielsweise die Verwendung von mehreren Masken zur Konstruktion einer dreidimensionalen Struktur offenbart, welche aus einer Kunststoff-Folie bestehen, die einerseits ein abnehmbares Trägermaterial aufweist und anderseits eine klebende Fläche. Ein Nachteil ist allerdings, dass eine Material-Beeinträchtigung der Klebebän- der und Klebestoffe bei höheren Temperaturen eintritt. Zusätzlich ist es bekannt, dass Maskierungen bestehend aus Klebebändern oder aus verstärkten Klebebändern häufig und schnell im Lauf des Spritzverfahrens zerstört werden können. Sie müssen deshalb häufig entfernt und ersetzt werden. Außerdem müssen die von den Klebebändern oder dergleichen hintergelassenen Klebereste auf den geschützten Bauteilflächen mittels aufwändiger Reinigungsprozesse, mechanischer oder chemischer Art, beseitigt werden. Diese erforderliche Oberflächen-Nachbehandlung ist mit einem hohen technischen und zeitlichen Aufwand und demnach erhöhten Kosten verbunden. Außerdem sind die für den Reinigungsprozess verwendeten Chemikalien in der Regel umweltbelastend und das Risiko die Oberflächen bei einem mechanischen Prozess zu beschädigen sehr hoch.
Eine andere aus dem Stand der Technik bekannte Abdeckmöglichkeit sieht vor, eine Maskierung aus einem Lack oder aus einem bindemittelhaltigen Gemisch auf den zu schützenden Bereichen aufzubringen, wie dies zum Beispiel in der US 4464430 beschrieben ist. Auch hier muss nach dem thermischen Spritzprozess das stark anhaftende Beschichtungsmaterial von der Maskierung beziehungsweise die Maskierung selbst entfernt werden. Dies geschieht meistens mittels Lösungsmitteln, die aufwändige Entsorgungsmaßnahmen hervorrufen und die zusammen mit den anfallenden Abfälle als Sondermüll entsorgt werden müssen.
Weiterhin ist aus dem Stand der Technik die US 6060117 bekannt, welche eine hitzebeständige Maskierung offenbart, die aus einer organischen und mit einer harten Schutz- Schicht bedeckten Duroplastenschicht besteht auf der die Partikeln des Spritzstrahls nicht haften können. Diese Maskierung weist die Nachteile auf, teuer in der Produktion zu sein und durch das Abprallverhalten der Spritzpartikeln eine negative Auswirkung auf die angrenzende Spritzschicht zu verursachen und eine Verringerung ihrer Qualität durch Einbau von ungeschmolzenen Partikeln mit schlechter Kohäsion zu bewirken. Außerdem muss die offenbarte Maskierung zusammen mit einer Halterung verwendet werden.
Es sind noch weitere Maskierungstechniken aus dem Stand der Technik bekannt, die für spezielle Anwendungen entwickelt worden sind. Aus der US 5691018 ist beispielsweise eine aus einem Silikongummi bestehende Abdeckung bekannt, die zum Schutz eines Teiles einer Spritzvorrichtung verwendet wird. Allerdings werden hier keine Bauteilzonen abgedeckt und der Silikongummi weist aufgrund der elastischen Oberfläche ein ungünstiges Reflexionsverhalten der darauf auftreffenden Spritzpartikel auf. Die EP 0776704B1 und die US 5573814 offenbaren schließlich eine Maskierung von Zylinderbohrungen beim internen thermischen Spritzen, die aus einem aufblasbaren und zu- sammenfaltbaren luftdichten Sack aus hitzebeständigem Gewebe besteht, welcher aus gegenüberliegenden Seiten mit einer Opferschicht aus wärmebeständigem nichthaften- dem Material besteht. Diese zusammenfaltbaren, luftdichten Säcke entfalten ihre Schutzwirkung im aufgeblähten Zustand während des Spritzprozesses und werden durch eine speziell hierfür entwickelte Regel- und Aufblasvorrichtung betrieben.
Gängige Maskierungen unterliegen also beim thermischen Spritzen entweder einer hohen Anhaftung des Beschichtungsmaterials und sind daher nur befristet formbeständig oder sie besitzen eine Oberfläche auf der kein Beschichtungsmaterial anhaften kann. Im ersten Fall ist eine Reinigung der verwendeten Maskierungen nach dem thermischen Spritzen meist möglich, jedoch mit einem intensiven Zeit- und Kostenaufwand verbunden. Im zweiten Fall verursacht das ungünstige Abprallen der Spritzpartikel an der Maskierungsoberfläche eine unerwünschte Verschlechterung der Schichtqualität an den der Maskierung angrenzenden Flächen. Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Maskieren von thermisch zu spritzenden Bauteilen zu schaffen, insbesondere von Bauteilen für die Luft- und Raumfahrtindustrie, wie zum Beispiel für Gasturbinen oder Flugtriebwerke, welches die genannten Nachteile des Standes der Technik vermeidet. Ferner soll eine Lösung bereitgestellt werden, welche eine sichere, schnelle, saubere, reproduzierbare und kostengünstige partielle Beschichtung der Bauteile ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch eine Maskierung zum Maskieren von Bauteilen gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren gemäß den Merkmalen des Anspruchs 8 gelöst. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Maskieren von thermisch zu spritzenden Bau- teilen besteht zumindest teilweise aus einem bei Raumtemperatur elastisch verformbaren Material und wird in einem geringfügigen Untermaß in einer Form passend zu den zu schützenden Teilbereichen des Bauteils hergestellt. Aufgrund der zumindest teilweise möglichen elastischen Verformung der Vorrichtung bei Raumtemperatur ist eine einfache, Materialschonende, und dicht anliegende Anbringung der Vorrichtung an den entsprechenden vor dem Spritzstrahl zu schützenden Bauteilen gewährleistet. Durch die zumindest teilweise Elastizität und das geringfügige Untermaß der Vorrichtung werden keine Befestigungsvorrichtungen benötigt, weder an dem Bauteil, noch an der Vorrichtung selbst, um die Vorrichtung in dem vorhergesehenen Platz zu halten. Außerdem weist die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Maskieren von zu spritzenden Bauteilen während des Spritzprozesses zumindest eine unelastische Fläche auf, auf der die auf der Vorrichtungsoberfläche auftreffenden Spritzpartikel haften bleiben und die dadurch verhindert werden in die angrenzenden Spritzschichten zu gelangen. Hierdurch wird eine unerwünschte Verschlechterung der Qualität der an die Vorrichtung angrenzenden Spritzflächen verhindert. Nach dem Spritzprozess ist die Vorrichtung schließlich ein- fach, schnell und rückstandsfrei durch elastische Verformung von den zu schützenden Bauteilflächen abtrennbar. Das Risiko die Bauteiloberfläche dadurch zu beschädigen ist durch das einfache Anbringen der Vorrichtung an das Bauteil und durch die Abwesenheit von einer Oberflächenbehandlung der geschützten Bauteilzonen nach dem thermischen Spritzprozess gewährleistet.
In einem vorteilhaften Ausfuhrungsbeispiel der Erfindung wird die Vorrichtung nach mindestens einem thermischen Spritzprozess unzerstört von dem zu schützenden Bauteil abgebaut und wird erneut in einem neuen thermischen Spritzprozess verwendet. Man könnte sich beispielsweise eine Vorrichtung vorstellen, bestehend teilweise aus einem der unten aufgelisteten Materialien und aus einem nicht elastischen Teil, bei- spielsweise aus einer oder aus mehreren Metallflächen, die zusammen gehalten werden und die Vorrichtung zum Maskieren ausbilden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausfuhrung der Erfindung besteht das Vorrichtungsmaterial aus mindestens einem der folgenden Materialien: Silikonharz, thermisch vernetz- bare Elastomere, Duroplaste, Thermoplaste, Naturkautschuk mit Additiven, Silikon- Elastomere, Polyamid (PA), Polycarbonat (PC), Polymethylmethacrylat (PMMA), Po- lyoxymethylen (POM), Polytetrafluormethylen (PTFE), Silikon-Polymere, Vinyl- Silikon-Polymere, Polyester, Epoxydharz, Quarz-Silika, Dimethylvinyl, Xylene, PoIy- ether, Polyethylen, Polyvinylchlorid (PVC), Polystyrol (PS), Polypropylen (PP), PoIy- sulfide. Ethylen-Propylen Kautschuk. Beispielsweise lassen sich Silikon-Elastomere einfach an einer Positivform erstellen mit entsprechendem Untermaß erstellen und durch eine andere Wahl des Aufprallflächenmaterials einfach in der erfindungsgemäßen Weise nutzen.
Bevorzugt kann ein Kunststoff verwendet werden, der bei niedriger Temperaturen elastisch ist und bei höherer Temperatur um die 8O0C5 wie sie beim thermischen Spritzen vorliegt, aushärtet. Dadurch lässt sich die Maskierung leicht anbringen und abnehmen, wird aber durch das Aushärten während des Spritzvorgangs derart unelastisch, dass es nicht zum Abprallen der auftreffenden Spritzpartikel kommt. Ferner kann besonders bevorzugt ein reversibler Kunststoff verwendet werden, der die oben genannten Eigenschaften aufweist, der aber bei niedriger Temperatur, d.h. nach dem Abkühlen, wieder elastisch wird. Dies vereinfacht das Abnehmen und Wiederverwenden der Maskierung und erleichtert zudem die Reinigung der Vorrichtung.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Vorrichtung zumin- dest teilweise mit metallischen, Glas- oder Kunststofffasern verstärkt. Beispielsweise kann man sich eine Vorrichtung vorstellen, bei der zueinander parallel gelegte Metallische Faser, die Stabilität der Vorrichtung in diese Richtung verstärkt, jedoch die Elastizität senkrecht zu dieser Richtung bewahrt. Eine zylindrische Vorrichtung zum Maskieren eines Teiles eines Zylinders mit eingebetteten und nicht elastischen Fasern entlang ihrer Längstaxis wäre beispielsweise an diesen Zylinder durch radiale elastische Verformung anzubringen.
In einer weiteren Ausfuhrungsform der Erfindung ist zumindest ein Teil der Oberfläche der Vorrichtung zum Maskieren mit einer zusätzlichen Schutzschicht ausgestattet, die das Anhaften der Spritzpartikeln während des thermischen Spritzverfahrens begünstigt und welche sich nach dem Spritzverfahren von der Oberfläche der Vorrichtung durch einen geeigneten mechanischen und/oder chemischen Reinigungsverfahren ablösen lässt. Diese Zusatzschicht besteht beispielsweise aus einem Lösungsmittel empfindlichen Lack, aus einer wasseraufnahmefähigen Schicht, aus einer ausgetrockneten vorher aufgesprühten Emulsion, die sich entweder mit Wasser oder mit einem Lösungsmittel auflösen lässt.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Maskieren von thermisch zu spritzenden Bauteilen stellt eine bei Raumtemperatur zumindest teilweise elastische Vorrichtung bereit, welche im Bezug auf ein zu schützendes Bauteil Untermaß aufweist, um die Qualität der an die Maskierung angrenzenden Spritzschichten zu verbessern und um einen reproduzierbaren Herstellungsprozess zu gewährleisten. Durch elastische Verformung wird die entsprechende Vorrichtung an dem entsprechenden Bauteil angebracht und wird aufgrund ihrer elastischen Eigenschaften und ihres geringen Untermaßes dicht an- liegend in dieser Position während des Spritzprozesses gehalten. Dies ist insbesondere bei geometrisch schwierigen Bauteilen, wie etwa Turbinenschaufeln, die konvexe und konkave Profilwölbungen und Verwindungen über die Schaufellänge aufweisen, besonders vorteilhaft. Nach Beendigung des Beschichtungsprozesses und nach dem sowohl die Vorrichtung als auch das Bauteil wieder abgekühlt sind, wird die Vorrichtung durch elastische Verformung schnell, einfach und rückstandsfrei von der zu schützenden Bau- teilfläche abgetrennt.
In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens wird die Vorrichtung nach Beendigung des thermischen Spritzverfahrens und anschließendem Abkühlen und Abbau von dem gespritzten Bauteil in einem Reinigungsprozess von der daraufliegenden Spritzschicht gereinigt. Ein Reinigungsverfahren besteht darin die Vorrichtung so elastisch zu verformen, dass die Spritzschicht von ihrer Oberfläche abblättert. Ein weiteres Reinigungsverfahren enthält beispielsweise das Halten der zu reinigenden Vorrichtung in einem Wasser- oder Lösungsmittelbad, dessen Temperatur variiert wird. Ein weiteres Reinigungsverfahren sieht vor, Ultra-Schall zu benutzen, um die Reinigungsprozedur zu unterstützen.
Verwendung findet eine Vorrichtung oder ein Verfahren wie vorher beschrieben insbesondere bei der Herstellung, Reparatur und Beschichtung von Bauteilen von Gasturbinen oder Flugtriebwerke. Insbesondere bei der Beschaufelung von Gasturbinen ergeben sich aufgrund der konvexen und konkaven Profilwölbung, der Verwindung und der ineinander übergehenden Radien besonders große Schwierigkeiten beim Anbringen geeigneter Maskierungen. Diese Schwierigkeiten können durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Maskieren von Bauteilzonen und ein entsprechendes Verfahren überwunden werden.
Weitere die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt.
Es zeigt: Fig. 1 eine schematische Darstellung eines partiell zu beschichtenden Bauteils an dessen unterem Teil eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Maskieren einer Bauteilzone angebracht ist;
Fig. 2 eine schematische Einzeldarstellung der Vorrichtung aus Fig. 1 vor ihrem Anbringen an den Bauteil.
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines mittels thermischen Spritzens partiell zu beschichtenden Bauteils 2 an dessen unterem Teil eine erfindungsgemäßen Vorrich- tung 1 zum Abdecken der unteren Bauteilzone angebracht ist. Bei dem Bauteil 2 handelt es sich um die Schaufel eines Rotors einer Gasturbine, wobei nur das Schaufelblatt 2 dargestellt wurde. In der Fig. 1 sind zudem die Länge des Schaufelblatts D und die Länge der daraus angebrachten Vorrichtung Le zum Maskieren einer Bauteilzone angegeben. Im oberen Bereich des Schaufelblatts treten besonders hohe mechanische Bauteil- beanspruchungen auf. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel wird daher das obere hintere Teil der Schaufel mit einer thermisch gespritzten Verschleißschutzschicht aus Chromkarbid-Nickelaluminium beschichtet. Die Anordnung, die durch die Vorrichtung und die Schaufel ausgebildet ist, wird dazu von ihrer Rückseite von dem Spritzstrahl erfasst und dadurch mit einer Spritzschicht entsprechender Schichtdicke versehen. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel besteht die Vorrichtung 1 zum Maskieren des unteren Teils der Schaufel 2 vollständig aus Polyamid und ihre Höhe entspricht der Hälfte der Schaufelhöhe.
Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zum Maskieren einer Bauteilzone vor ihrem Anbringen an der Schaufel 2. In der Fig. 2 ist zudem die Länge LN der noch nicht angebrachten elastischen Vorrichtung angegeben. Die Form der Vorrichtung 1 entspricht der Form des Schaufelblattes 2, wobei die Vorrichtung 1 über ihre Gesamthöhe hohl ausgebildet. Die Form der Aussparung entspricht ebenfalls derjenigen des Schaufelblattes 2, wobei die Vorrichtung 1 mit einem Unter- maß vorgesehen ist, so dass LN < Le gilt und somit die Aussparung ebenfalls kleinere Abmessungen aufweist als das Schaufelblatt 2. Es können aber weitere Ausgestaltungen der Vorrichtung 1 vorgesehen sein, die einen anderen Verlauf des Grenzbereichs zwischen den zu beschichtenden und den nicht zu beschichtenden Bereichen ermöglicht.
Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausfuhrung nicht auf das vorstehend angegebene bevorzugte Ausführungsbeispiel. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der in den Patentansprüchen beanspruchten Lösung auch bei anders gearteten Ausführungen Gebrauch macht.

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zum Maskieren einer Bauteilzone beim thermischen Spritzen eines
Bauteils, die vom Spritzstrahl nicht erfasst werden soll, wobei die Vorrichtung bei Raumtemperatur zum Anbringen an dem Bauteil zumindest teilweise elastisch verformbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung während des thermischen Spritzens zumindest eine unelastische Fläche aufweist, so dass die auftreffende Spritzpartikeln an ihrer Oberfläche haften bleiben, und dass die Vorrichtung nach dem thermischen Spritzen rückstandsfrei von der abgedeckten Bauteilzone abnehmbar ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet dass, die Vorrichtung zum wiederholten thermischen Spritzen wieder verwendbar ist. Man kann sich dabei ein
Material vorstellen, welches mindestens die Temperatur des Spritzvorgangs beständig ist.
3. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zumindest aus einem der folgenden Materialien aufgebaut ist:
Silikonharz, thermisch vernetzbare Elastomere, Duroplaste, amorphe und teilkristalline Thermoplaste, Naturkautschuk mit Additiven, Silikon-Elastomere, Polyamid (PA), Polycarbonat (PC), Polymethylmethacrylat (PMMA), Polyoxymethylen (POM), Polytetrafluormethylen (PTFE), Silikon-Polymere, Vinyl-Silikon-Polymere, Polyester, Epoxydharz, Quarz-Silika, Dimethylvinyl, Xylene, Polyether, Polyethy- len, Polyvinylchlorid (PVC), Polystyrol (PS), Polypropylen (PP), Polysulfide, Ethy- len-Propylen Kautschuk.
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zumindest aus einem reversiblen Kunststoff aufgebaut ist, der nach dem Abkühlen, wieder elastisch wird.
5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung ferner mit metallischen, Glas- oder Kunststofffasern verstärkt ist.
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der Oberfläche der Vorrichtung eine zusätzliche Schutzschicht aufweist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzschicht aus einem Lösungsmittel empfindlichen Lack, aus einem wasseraufnahmefähigen Material oder aus einer ausgetrockneten Aufsprühbahren Emulsion besteht.
8. Verfahren zum Maskieren einer Bauteilzone beim thermischen Spritzen eines Bauteils, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: Bereitstellen einer zumindest teilweise bei Raumtemperatur elastischen Vorrichtung zum Maskieren einer Bauteilzone eines Bauteils, die im Bezug auf das Bauteil Untermaß aufweist;
Anbringen der Vorrichtung an dem entsprechenden Bauteil bei Raumtemperatur durch elastische Verformung; Aushärten von zumindest einem Teil der Vorrichtung beim thermischen Spritzen;
Abkühlen des Bauteils und der Vorrichtung;
Rückstandsfreie Entfernung der Vorrichtung von dem Bauteil bei Raumtemperatur durch elastische Verformung.
9. Verfahren nach Anspruch 7 welches ferner einen Reinigungsschritt der Vorrichtung nach ihrer Entfernung von dem Bauteil durch elastische Verformung der Vorrichtung aufweist.
10. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8 welches zusätzlich einen Reinigungsschritt der Vorrichtung nach ihrer Entfernung von dem Bauteil in einem Wasser- oder Lösungsmittelbad aufweist.
11. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des Wasser- oder Lösungsmittelbad variiert wird.
12. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zusätzlich in einem Ultra-Schall Bad behandelt wird.
13. Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6 zur Herstellung, Reparatur oder Beschichtung von Bauteilen von Gasturbinen oder Flugtriebwerke.
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