EP2344281B1 - Maske für das kinetische kaltgaskompaktieren - Google Patents

Maske für das kinetische kaltgaskompaktieren Download PDF

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EP2344281B1
EP2344281B1 EP09796937.2A EP09796937A EP2344281B1 EP 2344281 B1 EP2344281 B1 EP 2344281B1 EP 09796937 A EP09796937 A EP 09796937A EP 2344281 B1 EP2344281 B1 EP 2344281B1
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EP
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mask
working side
coating
hardened
cold gas
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Andreas Jakimov
Manuel Hertter
Stefan Schneiderbanger
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MTU Aero Engines AG
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MTU Aero Engines AG
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • 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 kinetic cold gas compaction with a body for covering a non-coated portion of a substrate to be coated with a coating material exposed working side, 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 for example in the US 5,302,414 described.
  • 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 as well as the surface area of the substrate to be coated is deformed so that the materials flow into one another and the coating material adheres to 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 to be provided with a structured surface, wherein the surface of the mask is designed such that the surface encloses an acute angle with the direction of impact of the particles, so that the impinging particles do not adhere to the mask, but instead only to be distracted.
  • the present invention is based on the finding that adhesion of the coating material, that is to say the particles which impinge on 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 impinge on 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 so hard on the side facing the coating source, ie the working side, that no surface deformation, ie no plastic deformation of the working side, takes place in the kinetic cold gas compaction used can. 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 there is a hard coating on the working side or a correspondingly formed edge region or that the mask is formed overall with a corresponding hardness, the mask then can be homogeneously formed over the thickness.
  • the mask is on the working side use and / or nitriding hardened. Since the mask is not cured, in the region of the base body is suitable for use or nitriding hardening steel, while the surface area of the working side has hardened accordingly.
  • FIG. 1 shows in a cross-sectional view 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 through-hole 4 allows a coating in this region of the mask 1, while in the remaining regions 5 and 6, a shielding of the coating material with respect to a arranged under the mask to be coated substrate is present.
  • the page designated by the reference numeral 7 of the mask 1 is the working side, ie the side which faces the coating source.
  • a coating 3 may be provided, which is formed from a relative to the base body 2 harder material.
  • the base body may also be a modified edge region 3, which has a much higher hardness compared to the base body 2.
  • the base body consists of a steel intended for use or nitriding, but not heard, the edge region 3 being 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, which is formed homogeneously, that has the same material over its entire thickness. It is 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 therebelow. Only in this coating region, which is defined by the passage opening 11, is a surface layer 21 of the coating material formed during 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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Description

    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 Beschichtungsstoff 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 Beschichtungswerkstoff 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.
  • Aus der DE 10 2006 037 532 A1 ist ein Verfahren zur Erzeugung einer elektrischen Funktionsschicht auf einer Oberfläche eines Substrats bekannt, wobei hier eine elastische Maske verwendet wird und es zum Anhaften der Partikel auf dieser Oberfläche 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 WO 2009/143817 A1 aufgegriffen worden. Die dort vorgeschlagene Lösung sieht vor, die Abdeckvorrichtung mit einer strukturierten 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, besteht 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 sowie ein Verfahren zum kinetischen Kaltgaskompaktieren mit den Merkmalen des Anspruchs 2.
  • Die vorliegende Erfindung geht aus von der Erkenntnis, dass eine Anhaftung des Beschichtungsstoffs, 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 Inelnanderfließen 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 Beschichtungspartikel 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 ein 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 ist ein einsatz- oder nitriergehärteter Stahl vorgesehen.
  • Die Maske ist an der Arbeitsseite einsatz- und/oder nitriergehärtet. Da die Maske nicht durchgehärtet ist, liegt im Bereich des Grundkörpers ein für die Einsatz- oder Nitrierhärtung geeigneter Stahl vor, während der Oberflächenbereich der Arbeitsseite entsprechend ausgehärtet ist.
    • 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 jedoch nicht 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 Beschichtungsmaterials 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 kann eine Beschichtung 3 vorgesehen sein, die aus einem gegenüber dem Grundkörper 2 härteren Material gebildet ist.
  • 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. Hierbei besteht der Grundkörper aus einem für die Einsatz- oder Nitrierhärtung vorgesehenen, aber nicht gehörteten Stahl, 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 Maske 10, welche homogen ausgebildet ist, also über ihre gesamte Dicke den gleichen Werkstoff aufweist. Es handelt sich hierbei um einen durchgehärteten Einsatz- oder Nitrierstahl. Die Maske 10 weist wiederum eine Durchgangsöffnung 11 auf, welche den Beschichtungsbereich für das darunter angeordnete Substrat 20 definiert. Nur in diesem Beschichtungsbereich, der durch die Durchgangsöffnung 11 definiert ist, wird bei der Beschichtung des Substrats 20 eine Oberflächenschicht 21 aus dem Beschichtungsstoff 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.

Claims (2)

  1. Maske (1) für das kinetische Kaltgaskompaktieren mit einem Körper zur Abdeckung eines nicht zu beschichtenden Bereichs eines zu beschichtenden Substrats mit einer dem Beschichtungsstoff ausgesetzten Arbeitsseite (7),
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Arbeitsseite (7) aus einem einsatz- oder nitriergehärteten Stahl gebildet ist, wodurch zumindest die Arbeitsseite (7) eine Härte aufweist, die so ausgelegt ist, dass beim Auftreffen der Beschichtungspartikel keine plastische Verformung der Arbeitsseite (7) erfolgt, wobei die Maske (1) einen Grundkörper (2) aufweist, der aus einem für die Einsatz- oder Nitrierhärtung vorgesehenen, aber nicht gehärteten Stahl gebildet ist, auf dem eine Beschichtung oder ein Randbereich (3) für die Arbeitsseite (7) angeordnet ist.
  2. 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 (1) zur Abschattung nicht zu beschichtender Bereiche verwendet wird, welche eine Arbeitsseite (7) aufweist, die aus einem einsatz- oder nitriergehärteten Stahl gebildet ist und mit einen Grundkörper (2), der aus einem für die Einsatz- oder Nitrierhärtung vorgesehenen, aber nicht gehärteten Stahl gebildet ist, auf dem eine Beschichtung oder ein Randbereich (3) für die Arbeitsseite (7 ) angeordnet ist, wodurch die Arbeitsseite (7) eine Härte aufweist, die so ausgelegt ist, dass beim Auftreffen der Beschichtungspartikel keine plastische Verformung der Arbeitsseite (7) erfolgt.
EP09796937.2A 2008-11-10 2009-11-07 Maske für das kinetische kaltgaskompaktieren Not-in-force EP2344281B1 (de)

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DE102008056652A DE102008056652A1 (de) 2008-11-10 2008-11-10 Maske für das kinetische Kaltgaskompaktieren
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EP2344281A1 EP2344281A1 (de) 2011-07-20
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EP (1) EP2344281B1 (de)
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WO (1) WO2010051804A1 (de)

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