EP2344281A1 - Maske für das kinetische kaltgaskompaktieren - Google Patents

Maske für das kinetische kaltgaskompaktieren

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EP2344281A1
EP2344281A1 EP09796937A EP09796937A EP2344281A1 EP 2344281 A1 EP2344281 A1 EP 2344281A1 EP 09796937 A EP09796937 A EP 09796937A EP 09796937 A EP09796937 A EP 09796937A EP 2344281 A1 EP2344281 A1 EP 2344281A1
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EP
European Patent Office
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mask
working side
coated
coating
carbide
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EP09796937A
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EP2344281B1 (de
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Andreas Jakimov
Manuel Hertter
Stefan Schneiderbanger
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MTU Aero Engines AG
Original Assignee
MTU Aero Engines GmbH
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    • B05—SPRAYING OR ATOMISING IN GENERAL; APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05B—SPRAYING APPARATUS; ATOMISING APPARATUS; NOZZLES
    • B05B12/00—Arrangements for controlling delivery; Arrangements for controlling the spray area
    • B05B12/16—Arrangements for controlling delivery; Arrangements for controlling the spray area for controlling the spray area
    • B05B12/20—Masking elements, i.e. elements defining uncoated areas on an object to be coated
    • 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
    • C23C24/00—Coating starting from inorganic powder
    • C23C24/02—Coating starting from inorganic powder by application of pressure only
    • C23C24/04—Impact or kinetic deposition of particles

Definitions

  • the present invention relates to a mask for the kinetic cold gas compacting with a body for covering a non-coated portion of a substrate to be coated with a coating side exposed to the coating ff and a method for kinetic cold gas compacting in which a corresponding mask is used.
  • the kinetic cold gas compaction or kinetic cold gas spraying is known from the prior art for coating materials and in particular also components of gas turbines or aircraft turbines.
  • the kinetic cold gas compacting is described for example in US 5,302,414.
  • the method is characterized in that the coating material is moved in the form of a powder with the aid of a carrier gas at high speed, but temperatures below the melting point of the coating material on the substrate to be coated, wherein the particles hit when the coating particles due to the high speed as well as the surface area of the substrate to be coated are deformed, so that there is a flow of the materials and an adhesion of the coating material on the substrate.
  • conventional covers such as adhesive tape covers or silicone masks, such as those used in thermal spraying, for example, are not sufficient because they can not withstand the high particle speeds.
  • the covering device is structurally
  • the surface of the mask is formed so that the surface with the direction of impact of the particles forms an acute angle, so that the impinging particles do not adhere to the mask, but only deflected.
  • the present invention is based on the finding that adhesion of the coating material, that is to say the particles which strike the substrate to be coated at high speed in the unmelted state, only takes place on the mask when the adhesion mechanism underlying the kinetic cold gas compacting can take place.
  • adhesion of the coating material that is to say the particles which strike the substrate to be coated at high speed in the unmelted state
  • both the impinging particles and the surface are plastically deformed in order to ensure that the materials flow into one another and thus adhere to the materials.
  • the invention starts here and proposes a mask which is formed so hard on the side facing the coating source, ie the working side, that none of the kinetic cold gas compaction used Surface deformation, ie no plastic deformation of the working side can take place. This avoids that the surface material of the mask and the impinging coating particles deform and flow into one another and thus form an adhesive layer.
  • the mask can either be formed so that a hard coating on the working side or a suitably formed edge region is present or that the mask is formed overall with a corresponding hardness, the mask then can be homogeneously formed over the thickness.
  • a use or nitriding hardened steel or a corresponding hard material can be provided.
  • the mask can be used and / or nitriding hardened on the working side. If the mask is not through-hardened, a steel suitable for use or nitriding would then be present in the area of the main body, while the surface area of the working side would have hardened accordingly.
  • the hard material for forming the mask or forming a hard surface layer on the working side of the mask may be formed by diamond, diamond-like carbon, cubic boron nitride, silicon carbide, alumina, boron carbide, tungsten carbide, vanadium carbide, titanium carbide, titanium nitride and / or zirconia or combinations thereof be.
  • the hard material may also be enriched in a corresponding surface.
  • Cr 3 C 2 -NiCr, Co28Mol8Cr3.5Si (T800) or the like can be used as the material for the hard working side.
  • Figure 2 is a cross-sectional view of a second mask according to the invention when used in kinetic cold gas compacting.
  • FIG. 1 shows a cross-sectional view of a first embodiment of a mask 1 according to the invention, which has a main body 2, in which a through-opening 4 is provided.
  • the passage opening 4 permits a coating in this area of the mask 1, while in the other areas 5 and 6 there is a shielding of the coating material with respect to a substrate to be coated arranged underneath the mask.
  • the page designated by the reference numeral 7 of the mask 1 is the working side, ie the side facing the coating source.
  • a coating 3 is provided, which is formed from a relative to the base body 2 harder material.
  • the coating 3 is a hard material layer, such as, for example, a chromium-nickel steel hardened with chromium carbides or other suitable hard material layers.
  • the mask 1 can consist of a case-hardenable or nitriding-hardenable steel, wherein the edge region 3 is hardened accordingly by case-hardening or nitriding.
  • the working side 7 has a sufficiently high hardness in order to prevent the coating particles impinging on the mask from adhering to the mask 1.
  • FIG. 2 shows a second embodiment of a mask 10 according to the invention, which is of homogeneous design, that is to say it has the same material over its entire thickness.
  • this may be a through-hardened insert or nitriding steel.
  • the mask 10 in turn has a passage opening 11 which defines the coating area for the substrate 20 arranged thereunder. Only in this coating area, which is defined by the fürgangsöffhung 11, a surface layer 21 is formed from the Beschichstungssto ff in the coating of the substrate 20.
  • the coating material is accelerated by a non-illustrated device for kinetic cold gas compaction or kinetic cold gas spraying in the direction of the substrate 20, wherein of the corresponding device, only the nozzle 12 is shown.
  • the particle beams 13 are prevented from entering the substrate 20 by the shading areas 15 and 16 of the mask 10. Due to the hard formation of the mask 10, no deformation of the particles on the hard working side 17 and thus no deposition of an adhesive layer will take place in the impact areas 14 of the particle beams 13.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Maske (1, 10) für das kinetische Kaltgaskompaktieren mit einem Körper (2) zur Abdeckung eines nicht zu beschichtenden Bereichs eines zu beschichtenden Substrats (20) mit einer dem Beschichtungsstoff ausgesetzten Arbeitsseite (7, 17) wobei zumindest die Arbeitsseite (7, 17) eine Härte aufweist, die so ausgelegt ist, dass beim Auftreffen der Beschichtungspartikel keine plastische Verformung der Arbeitsseite (7, 17) erfolgt oder die Arbeitsseite (7, 17) oder die gesamte Maske (1, 10) aus einem einsatz- oder nitriergehärteten Stahl oder aus einem Hartstoff gebildet sind und/oder einen Hartstoff umfassen. Darüber hinaus umfasst die vorliegende Erfindung auch ein entsprechendes Verfahren unter Einsatz einer derartigen Maske (1, 10).

Description

MASKE FÜR DAS KINETISCHE KALTGASKOMPAKTIEREN
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Maske für das kinetische Kaltgaskompaktieren mit einem Körper zur Abdeckung eines nicht zu beschichtenden Bereichs eines zu beschichtenden Substrats mit einer dem Beschichtungssto ff ausgesetzten Arbeitsseite sowie ein Verfahren zum kinetischen Kaltgaskompaktieren bei dem eine entsprechende Maske eingesetzt wird.
STAND DER TECHNIK
Das kinetische Kaltgaskompaktieren bzw. kinetische Kaltgasspritzen ist aus dem Stand der Technik zur Beschichtung von Materialien und insbesondere auch von Bauteilen von Gasturbinen bzw. Flugturbinen bekannt. Das kinetische Kaltgaskompaktieren ist beispielsweise in der US 5,302,414 beschrieben. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass der Beschich- tungswerkstoff in Form eines Pulvers mit Hilfe eines Trägergases mit hoher Geschwindigkeit, aber Temperaturen unterhalb des Schmelzpunktes des Beschichtungsstoffes auf das zu beschichtende Substrat bewegt wird, wobei beim Auftreffen der Beschichtungspartikel aufgrund der hohen Geschwindigkeit die Partikel genauso wie der Oberflächenbereich des zu beschichtenden Substrats verformt werden, so dass es zu einem Ineinanderfließen der Materialien und zu einer Haftung des Beschichtungsmaterials auf dem Substrat kommt.
Entsprechend sind herkömmliche Abdeckungen, wie Klebebandabdeckungen oder Silikonmaskierungen, wie sie beispielsweise beim thermischen Spritzen Verwendung finden nicht ausreichend, da sie den hohen Partikelgeschwindigkeiten nicht standhalten können.
Andererseits werden stabile Materialien, wie beispielsweise Metalle oder Kunststoffe selbst beschichtet, so dass sich auf der Maske eine fest anhaftende Beschichtung ergibt und dazu führt, dass diese Masken entsorgt werden müssen.
Dieses Problem ist in der deutschen Patentanmeldung DE 10 2008 025510.6 aufgegriffen worden. Die dort vorgeschlagene Lösung sieht vor, die Abdeckvorrichtung mit einer struktu- rierten Oberfläche zu versehen, wobei die Oberfläche der Maske so ausgebildet ist, dass die Oberfläche mit der Auftreffrichtung der Partikel einen spitzen Winkel einschließt, so dass die auftreffenden Partikel nicht auf der Maske anhaften, sondern lediglich abgelenkt werden.
Obwohl diese Lösung bereits gute Ergebnisse liefert, beseht ein weiterer Bedarf an Alternativlösungen für entsprechende Masken für das kinetische Kaltgaskompaktieren welche möglicherweise einfacher herzustellen sind.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
AUFGABE DER ERFINDUNG
Es ist deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Maske für das kinetische Kaltgaskompaktieren bzw. ein entsprechendes Verfahren zum kinetischen Kaltgaskompaktieren bereitzustellen, bei welchen die Probleme des Standes der Technik überwunden werden und insbesondere mehrfach verwendbare Masken bereitgestellt werden, die eine einfache Herstellung sowie Verwendung ermöglichen.
TECHNISCHE LÖSUNG
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Maske mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. des Anspruchs 6 sowie ein Verfahren zum kinetischen Kaltgaskompaktieren mit den Merkmalen des Anspruchs 8 bzw. den Merkmalen des Anspruchs 10. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die vorliegende Erfindung geht aus von der Erkenntnis, dass eine Anhaftung des Beschich- tungsstoffs, also der im nicht aufgeschmolzenen Zustand mit hoher Geschwindigkeit auf das zu beschichtende Substrat auftreffenden Partikel an der Maske nur erfolgt, wenn der dem kinetischen Kaltgaskompaktieren zugrunde liegende Haftungsmechanismus stattfinden kann. Dieser setzt voraus, dass sowohl die auftreffenden Partikel als auch die Oberfläche plastisch deformiert werden, um ein gegenseitiges Ineinanderfließen der Materialien und damit Haftung der Materialien zu gewährleisten. Entsprechend setzt die Erfindung hier an und schlägt eine Maske vor, die an der der Beschichtungsquelle zugewandten Seite, d. h. der Arbeitsseite, derart hart ausgebildet ist, dass bei der verwendeten kinetischen Kaltgaskompaktierung keine Oberflächendeformation, d. h. keine plastische Verformung der Arbeitsseite stattfinden kann. Damit wird vermieden, dass das Oberflächenmaterial der Maske und die auftreffenden Be- schichtungspartikel sich verformen und ineinander fließen und so eine haftende Schicht ausbilden.
Da lediglich die entsprechende Arbeitsseite der Maske die erforderliche Härte aufweisen muss, kann die Maske entweder so ausgebildet sein, dass eine harte Beschichtung an der Arbeitsseite oder eine entsprechend ausgebildeter Randbereich vorliegt oder dass die Maske insgesamt mit einer entsprechenden Härte ausgebildet ist, wobei die Maske dann über die Dicke homogen ausgebildet sein kann.
Zur Erzielung einer ausreichenden Härte auf der Arbeitsseite kann ein einsatz- oder nitriergehärteter Stahl oder ein entsprechender Hartstoff vorgesehen sein.
Insbesondere kann die Maske an der Arbeitsseite einsatz- und/oder nitriergehärtet sein. Sofern die Maske nicht durchgehärtet ist, würde dann im Bereich des Grundkörpers ein für die Einsatz- oder Nitrierhärtung geeigneter Stahl vorliegen, während der Oberflächenbereich der Arbeitsseite entsprechend ausgehärtet wäre.
Der Hartstoff zur Bildung der Maske oder zur Bildung einer harten Oberflächenschicht an der Arbeitsseite der Maske kann durch Diamant, diamantähnlichen Kohlenstoff, kubisches Bornitrid, Siliziumcarbid, Aluminiumoxid, Borcarbid, Wolframcarbid, Vanadiumcarbid, Titan- carbid, Titannitrid und/oder Zirkondioxid oder Kombinationen daraus gebildet sein.
Darüber hinaus kann der Hartstoff auch in einer entsprechenden Oberfläche angereichert sein. Als Material für die harte Arbeitsseite kann insbesondere Cr3C2-NiCr, Co28Mol8Cr3,5Si (T800) oder ähnliches Verwendung finden.
KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
Weitere Vorteile, Kennzeichen und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden bei der nachfolgenden detaillierten Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der beigefügten Zeichnungen deutlich. Die Zeichnungen zeigen hierbei in rein schematischer Weise in Figur 1 eine Querschnittsansicht einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Maske; und in
Figur 2 eine Querschnittsansicht einer zweiten erfindungsgemäßen Maske beim Einsatz beim kinetischen Kaltgaskompaktieren.
AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
Die Figur 1 zeigt in einer Querschnittsansicht eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Maske 1, welche einen Grundkörper 2 aufweist, in dem eine Durchgangsöffnung 4 vorgesehen ist. Die Durchgangsöffnung 4 ermöglicht eine Beschichtung in diesem Bereich der Maske 1, während in den übrigen Bereichen 5 und 6 eine Abschirmung des Beschich- tungsmaterials gegenüber einem unter der Maske angeordneten, zu beschichtenden Substrat vorliegt. Entsprechend ist die mit dem Bezugszeichen 7 bezeichnete Seite der Maske 1 die Arbeitsseite, also die Seite, die der Beschichtungsquelle zugewandt ist.
Auf dieser Arbeitsseite 7 ist eine Beschichtung 3 vorgesehen, die aus einem gegenüber dem Grundkörper 2 härteren Material gebildet ist. Insbesondere handelt es sich bei der Beschichtung 3 um eine Hartstoffschicht, wie beispielsweise eine mit Chromcarbiden gehärteten Chromnickelstahl oder sonstige geeignete Hartstoffschichten.
Anstelle einer Beschichtung 3, die auf den Grundkörper 2 aufgebracht ist, kann es sich auch um einen modifizierten Randbereich 3 handeln, der gegenüber dem Grundkörper 2 eine viel höhere Härte aufweist. Insbesondere kann die Maske 1 aus einem einsatzhärtbaren oder nitrierhärtbaren Stahl bestehen, wobei der Randbereich 3 durch Einsatzhärten oder Nitrierhärten entsprechend gehärtet ist.
Wesentlich ist, dass die Arbeitsseite 7 eine ausreichend hohe Härte aufweist, um die auf die Maske auftreffenden Beschichtungspartikel nicht an der Maske 1 anhaften zu lassen.
Die Figur 2 zeigt eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Maske 10, welche homogen ausgebildet ist, also über ihre gesamte Dicke den gleichen Werkstoff aufweist. Beispielsweise kann es sich hierbei um einen durchgehärteten Einsatz- oder Nitrierstahl handeln. Die Maske 10 weist wiederum eine Durchgangsöffnung 11 auf, welche den Beschichtungsbe- reich für das darunter angeordnete Substrat 20 definiert. Nur in diesem Beschichtungsbereich, der durch die Durchgangsöffhung 11 definiert ist, wird bei der Beschichtung des Substrats 20 eine Oberflächenschicht 21 aus dem Beschichrungssto ff gebildet.
Der Beschichtungsstoff wird durch eine nicht näher dargestellte Vorrichtung zum kinetischen Kaltgaskompaktieren bzw. kinetischen Kaltgasspritzen in Richtung des Substrats 20 beschleunigt, wobei von der entsprechenden Vorrichtung lediglich die Düse 12 dargestellt ist. Die Partikelstrahlen 13 werden von den Abschattungsbereichen 15 und 16 der Maske 10 daran gehindert, auf das Substrat 20 zu gelangen. Durch die harte Ausbildung der Maske 10 wird in den Auftreffbereichen 14 der Partikelstrahlen 13 keine Verformung der Partikel auf der harten Arbeitsseite 17 und somit keine Abscheidung einer haftenden Schicht stattfinden.
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand der Ausführungsbeispiele detailliert beschrieben worden ist, ist für den Fachmann selbstverständlich, dass die Erfindung nicht auf diese Ausführungsbeispiele beschränkt ist, sondern dass vielmehr Abwandlungen oder Änderungen in der Weise möglich sind, dass auf einzelne Merkmale verzichtet wird oder eine andersartige Kombination von Merkmalen gewählt wird, ohne den Schutzbereich der beigefügten Ansprüche zu verlassen. Insbesondere umfasst die vorliegende Erfindung sämtliche Kombinationen aller vorgestellten Einzelmerkmale, einschließlich der der in Bezug genommenen Anmeldung DE 10 2008 025510.6.

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Maske für das kinetische Kaltgaskompaktieren mit einem Körper zur Abdeckung eines nicht zu beschichtenden Bereichs eines zu beschichtenden Substrats mit einer dem Be- schichtungsstoff ausgesetzten Arbeitsseite (7, 17), dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die Arbeitsseite (7, 17) eine Härte aufweist, die so ausgelegt ist, dass beim Auftreffen der Beschichtungspartikel keine plastische Verformung der Arbeitsseite (7,17) erfolgt.
2. Maske nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Arbeitsseite eine Beschichtung (3) oder einen modifizierten Randbereich aufweist oder die Maske homogen ausgebildet ist.
3. Maske nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Arbeitsseite (7, 17) oder die gesamte Maske aus einem einsatz- oder nitriergehärteten Stahl oder aus einem Hartstoff gebildet sind und/oder einen Hartstoff umfassen.
4. Maske nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Maske einen Grundkörper (2) aufweist, auf dem die Beschichtung oder der Randbereich (3) für die Arbeitsseite angeordnet ist, wobei der Grundkörper (2) aus einem duktilen Stahl oder aus einem für die Einsatz- oder Nitrierhärtung vorgesehenen, aber nicht gehärteten Stahl gebildet ist.
5. Maske nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Hartstoff mindestens eine Komponente aus der Gruppe umfasst, die Diamant, diamantähnlichen Kohlenstoff, kubisches Bornitrid, Siliziumcarbid, Aluminiumoxid, Borcar- bid, Wolframcarbid, Vanadiumcarbid, Titancarbid, Titannitrid und Zirkoniumdioxid umfasst.
6. Maske für das kinetische Kaltgaskompaktieren mit einem Körper zur Abdeckung eines nicht zu beschichtenden Bereichs eines zu beschichtenden Substrats mit einer dem Be- Schichtungsstoff ausgesetzten Arbeitsseite (7, 17), dadurch gekennzeichnet, dass die Arbeitsseite (7, 17) oder die gesamte Maske (1, 10) aus einem einsatz- oder nitriergehärteten Stahl oder aus einem Hartstoff gebildet sind und/oder einen Hartstoff umfassen.
7. Maske nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Hartstoff mindestens eine Komponente aus der Gruppe umfasst, die Diamant, diamantähnlichen Kohlenstoff, kubisches Bornitrid, Siliziumcarbid, Aluminiumoxid, Borcar- bid, Wolframcarbid, Vanadiumcarbid, Titancarbid, Titannitrid und Zirkoniumdioxid umfasst.
8. Verfahren zum kinetischen Kaltgaskompaktieren, bei welchem Beschichtungspartikel mit Hilfe eines Trägergases mit hoher Geschwindigkeit auf eine zu beschichtende Fläche bewegt werden, wobei die Temperatur des Trägergases und/oder der Beschichtungspartikel unter der Schmelztemperatur der Beschichtungspartikel liegt, dadurch gekennzeichnet, dass eine Maske (10) zur Abschattung nicht zu beschichtender Bereiche verwendet wird, welche eine Arbeitsseite (17) mit einer Härte aufweist, die so ausgelegt ist, dass beim Auftreffen der Beschichtungspartikel keine plastische Verformung der Schichtseite erfolgt.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Maske nach einem der Ansprüche 2 bis 5 eingesetzt wird.
10. Verfahren zum kinetischen Kaltgaskompaktieren, bei welchem Beschichtungspartikel mit Hilfe eines Trägergases mit hoher Geschwindigkeit auf eine zu beschichtende Fläche bewegt werden, wobei die Temperatur des Trägergases und/oder der Beschichtungspartikel unter der Schmelztemperatur der Beschichtungspartikel liegt, dadurch gekennzeichnet, dass eine Maske (10) nach einem der Ansprüche 6 bis 7 eingesetzt wird.
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