EP2871257A1 - Method of coating with subsequent remelting method - Google Patents
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- C23C4/00—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge
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- C23C24/00—Coating starting from inorganic powder
Definitions
- the invention relates to a coating method in which a first layer is applied and this is converted by remelting.
- Cold gas spraying is a coating process in which the coating material is applied to a substrate in powder form at a very high speed of 1000m / s to 2500m / s.
- a process gas heated to a few hundred degrees is accelerated to supersonic speed by expansion in a Laval nozzle and then the powder particles are injected into the gas jet.
- the injected powder material is thereby accelerated to such a high speed that it forms a relatively dense and firmly adhering layer in comparison with other thermal spraying methods, even without a preliminary onset or melting on impact with the substrate.
- the kinetic energy at the time of impact is not sufficient for complete melting of the particles so that there is no metallurgical bond with the base material.
- Laser remelting is characterized by exact energy input into a material, so that a desired remelting depth can be set exactly. Due to the large cooling rates and the spatially small melt volume during laser beam remelting, the solidification processes are primarily initiated by a nucleation favored by the melt pool edge. As a result, pores in particular are removed from the remelted areas and, in the case of nickel-base superalloys, the microstructure freezes virtually without pores. In addition, special microstructures can be set by the locally large heat gradients.
- the object is achieved by a method according to claim 1.
- the advantage of the invention allows a large-scale coating and local remelting at locations where only certain improved material properties are desired.
- the figure shows schematically the procedure of the method.
- thermal spraying / cold gas spraying By means of thermal spraying / cold gas spraying, a layer layer is applied to a base material. Subsequently, the layer is remelted by remelting so that either a metallurgical connection to the base material is achieved and / or special microstructural properties are set.
- gradient layers can also be built up.
- a component 1 is produced.
- the component 1 is preferably a turbine component and has a substrate 4 preferably made of a nickel- or cobalt-based superalloy.
- a first layer layer 7 ' is applied by means of a material jet 10.
- cold gas spraying or other thermal spraying methods such as HVOF, LPPS, APS, VPS, PLC, SPPS.
- cold gas spraying is mentioned below.
- a further cold gas-sprayed layer layer 7 can be applied to the remelted layer 16, which is then again remelted 7".
- the underlying layer layer 7 'in particular only partially melted in an upper area with.
- the remelting can take place over a large area, i. the complete layer layers 7 ', 7 "are remelted or only a local remelting takes place at locations where certain material properties are desired, such as, in particular, freedom from pores or a certain hardness or a certain grain structure, which have better creep properties.
- the heat-relevant property can be improved in a certain direction.
Abstract
Durch die Kombination von Beschichtungsverfahren und Umschmelzverfahren können bekannte Beschichtungsverfahren verwendet werden, die durch das Umschmelzverfahren verbesserte Eigenschaften aufweisen.Through the combination of coating processes and remelting processes, known coating processes can be used which have improved properties due to the remelting process.
Description
Die Erfindung betrifft ein Beschichtungsverfahren, bei dem zuerst eine Schicht aufgebracht wird und diese mittels Umschmelzen umgewandelt wird.The invention relates to a coating method in which a first layer is applied and this is converted by remelting.
Das Kaltgasspritzen ist ein Beschichtungsverfahren, bei dem der Beschichtungswerkstoff in Pulverform mit sehr hoher Geschwindigkeit von 1000m/s bis 2500m/s auf ein Substrat aufgetragen wird. Dazu wird ein auf wenige hundert Grad aufgeheiztes Prozessgas durch Expansion in einer Lavaldüse auf Überschallgeschwindigkeit beschleunigt und anschließend werden die Pulverpartikel in den Gasstrahl injiziert. Der injizierte Pulverwerkstoff wird dabei auf eine so große Geschwindigkeit beschleunigt, dass dieser im Vergleich zu anderen thermischen Spritzverfahren auch ohne vorangehendes An- oder Aufschmelzen beim Aufprall auf das Substrat eine relativ dichte und fest haftende Schicht bildet. Die kinetische Energie zum Zeitpunkt des Aufpralls reicht für ein vollständiges Aufschmelzen der Partikel aber nicht aus, so dass es zu keiner metallurgischen Verbindung mit dem Grundwerkstoff kommt.Cold gas spraying is a coating process in which the coating material is applied to a substrate in powder form at a very high speed of 1000m / s to 2500m / s. To this end, a process gas heated to a few hundred degrees is accelerated to supersonic speed by expansion in a Laval nozzle and then the powder particles are injected into the gas jet. The injected powder material is thereby accelerated to such a high speed that it forms a relatively dense and firmly adhering layer in comparison with other thermal spraying methods, even without a preliminary onset or melting on impact with the substrate. However, the kinetic energy at the time of impact is not sufficient for complete melting of the particles so that there is no metallurgical bond with the base material.
Das Laserstrahl-Umschmelzen zeichnet sich durch exakte Energieeinbringung in ein Material aus, so dass eine gewünschte Umschmelztiefe exakt eingestellt werden kann. Aufgrund der großen Abkühlgeschwindigkeiten und des räumlich kleinen Schmelzvolumens beim Laserstrahl-Umschmelzen werden die Erstarrungsprozesse vornehmlich durch eine vom Schmelzbadrand her begünstigte Keimbildung eingeleitet. Dies führt dazu, dass speziell Poren aus den umgeschmolzenen Bereichen entfernt werden und bei Nickelbasis-Superlegierungen das Gefüge nahezu porenfrei erstarrt. Zudem können durch die lokal großen Wärmegradienten spezielle Gefügestrukturen eingestellt werden.Laser remelting is characterized by exact energy input into a material, so that a desired remelting depth can be set exactly. Due to the large cooling rates and the spatially small melt volume during laser beam remelting, the solidification processes are primarily initiated by a nucleation favored by the melt pool edge. As a result, pores in particular are removed from the remelted areas and, in the case of nickel-base superalloys, the microstructure freezes virtually without pores. In addition, special microstructures can be set by the locally large heat gradients.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung ein Verfahren aufzuzeigen, das verbesserte Eigenschaften für die Anbindung der Schichten untereinander und/oder an das Substrat aufweist.It is therefore an object of the invention to provide a method which has improved properties for the bonding of the layers to one another and / or to the substrate.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1.The object is achieved by a method according to claim 1.
In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Maßnahmen aufgelistet, die beliebig miteinander kombiniert werden können, um weitere Vorteile zu erzielen.In the dependent claims further advantageous measures are listed, which can be combined with each other in order to achieve further advantages.
Der Vorteil der Erfindung erlaubt ein großflächiges Beschichten und lokales Umschmelzen an Stellen, wo nur bestimmte, verbesserte Werkstoffeigenschaften erwünscht sind.The advantage of the invention allows a large-scale coating and local remelting at locations where only certain improved material properties are desired.
Durch die Kombination von Beschichtungsverfahren und Umschmelzverfahren können bekannte Beschichtungsverfahren verwendet werden, die durch das Umschmelzverfahren verbesserte Eigenschaften aufweisen.Through the combination of coating processes and remelting processes, known coating processes can be used which have improved properties due to the remelting process.
Es zeigt die Figur schematisch den Ablauf des Verfahrens.The figure shows schematically the procedure of the method.
Vorgeschlagen wird eine Kombination der Verfahren thermisches Spritzen/Kaltgasspritzen und Umschmelzen. Mittels thermischem Spritzen/Kaltgasspritzen wird eine Schichtlage auf einen Grundwerkstoff aufgetragen. Anschließend wird durch Umschmelzen die Schicht so umgeschmolzen, dass entweder eine metallurgische Anbindung an den Grundwerkstoff erzielt wird und/oder spezielle Gefügeeigenschaften eingestellt werden.It proposes a combination of the methods of thermal spraying / cold gas spraying and remelting. By means of thermal spraying / cold gas spraying, a layer layer is applied to a base material. Subsequently, the layer is remelted by remelting so that either a metallurgical connection to the base material is achieved and / or special microstructural properties are set.
Folgende Gefügeeigenschaften können somit gezielt verändert werden:
- die Dichte des aufgetragenen Materials wird durch die Reduktion der Poren vergrößert, entsprechend nimmt somit auch die thermischen Leitfähigkeit zu;
- durch das Umschmelzen vergrößert sich die Kornstruktur, wodurch bessere Kriecheigenschaften erzielt werden;
- durch richtungsabhängiges Umschmelzen können die Werkstoffeigenschaften (wie insbesondere Kriechfestigkeit) gezielt in eine Richtung verbessert werden, da die Körner in Verfahrrichtung der Laserstrahlung erstarren.
- the density of the applied material is increased by the reduction of the pores, correspondingly also the thermal conductivity increases;
- the remelting increases the grain structure, resulting in better creep properties;
- By direction-dependent remelting, the material properties (in particular creep resistance) can be purposefully improved in one direction, since the grains solidify in the direction of travel of the laser radiation.
Durch ein weiteres Auftragen von Schichten mittels Kaltgasspritzen oder anderen thermischen Spritzverfahren und anschließendem Umschmelzen können zudem Gradientenschichten aufgebaut werden.By further applying layers by means of cold gas spraying or other thermal spraying methods and subsequent remelting, gradient layers can also be built up.
In der Figur ist schematisch der Ablauf des Verfahrens gezeigt.In the figure, the sequence of the method is shown schematically.
Es wird eine Komponente 1 hergestellt.A component 1 is produced.
Die Komponente 1 ist vorzugsweise eine Turbinenkomponente und weist ein Substrat 4 vorzugsweise aus einer nickel- oder kobaltbasierten Superlegierung auf.The component 1 is preferably a turbine component and has a
Auf die Oberfläche 5 des Substrats 4 wird eine erste Schichtlage 7' mittels eines Materialstrahls 10 aufgebracht.On the
Dies kann durch Kaltgasspritzen oder andere thermische Spritzverfahren wie HVOF, LPPS, APS, VPS, SPS, SPPS erfolgen. Hier wird in nicht einschränkender Weise im Folgenden das Kaltgasspritzen erwähnt.This can be done by cold gas spraying or other thermal spraying methods such as HVOF, LPPS, APS, VPS, PLC, SPPS. Here, in a non-limiting manner, cold gas spraying is mentioned below.
In einem weiteren Schritt wird mittels eines Schweißstrahls 13, insbesondere eines Laserstrahls 13, die zuerst aufgebrachte Schichtlage 7' umschmolzen, wobei ebenfalls höchstens ein Teil des Substrats 4 mit aufgeschmolzen wird. Dabei wird eine umgeschmolzene Schicht 16 erzeugt.In a further step, by means of a
In einem weiteren Schritt kann eine weitere kaltgasgespritzte Schichtlage 7" auf die umgeschmolzene Schicht 16 aufgebracht werden, die 7" dann wiederum umgeschmolzen wird.In a further step, a further cold gas-sprayed
Dabei wird die untenliegende Schichtlage 7' insbesondere nur teilweise in einem oberen Bereich wieder mit aufgeschmolzen.In this case, the underlying layer layer 7 'in particular only partially melted in an upper area with.
Ebenso ist es möglich (nicht dargestellt), zuerst zwei kaltgasgespritzte Schichtlagen 7', 7" aufzutragen und diese beide umzuschmelzen, da die Umschmelztiefe des Schweißstrahls 13 oft größer sein kann als die Beschichtungsdicken der Schichtlagen 7', 7".It is also possible (not shown) to first apply two cold gas-sprayed
Das Umschmelzen kann großflächig erfolgen, d.h. es werden die kompletten Schichtlagen 7', 7" umgeschmolzen oder es findet nur ein lokales Umschmelzen an Stellen statt, wo bestimmte Werkstoffeigenschaften erwünscht sind, wie insbesondere Porenfreiheit oder eine gewisse Härte oder eine bestimmte Kornstruktur, die bessere Kriecheigenschaften aufweisen.The remelting can take place over a large area, i. the
Ebenso kann durch ein richtungsabhängiges Umschmelzen die Wärmestoffeigenschaft in eine bestimmte Richtung verbessert werden.Likewise, by a direction-dependent remelting the heat-relevant property can be improved in a certain direction.
Durch die Kombination von Beschichtungsverfahren und Umschmelzverfahren können bekannte Beschichtungsverfahren verwendet werden, die durch das Umschmelzverfahren verbesserte Eigenschaften aufweisen.Through the combination of coating processes and remelting processes, known coating processes can be used which have improved properties due to the remelting process.
Claims (10)
zum Herstellen einer Schicht (16, 16') auf einer Oberfläche (5) eines Substrats (4),
bei dem in einem ersten Schritt zumindest eine erste Schichtlage (7') aufgetragen wird,
wobei die zumindest eine Schichtlage (7') in einem weiteren Verfahrensschritt umgeschmolzen wird.method
for producing a layer (16, 16 ') on a surface (5) of a substrate (4),
in which in a first step at least a first layer layer (7 ') is applied,
wherein the at least one layer layer (7 ') is remelted in a further method step.
bei dem die erste Schichtlage (7') durch Kaltgasspritzen erzeugt wird.Method according to claim 1,
in which the first layer layer (7 ') is produced by cold gas spraying.
bei dem die erste Schichtlage (7') durch ein thermisches Spritzverfahren hergestellt wird.Method according to claim 1,
in which the first layer layer (7 ') is produced by a thermal spraying process.
bei dem das Umschmelzverfahren durch einen Laserstrahl (13) erfolgt.Method according to one or more of the preceding claims,
in which the remelting process is carried out by a laser beam (13).
bei dem die erste Schichtlage (7') direkt vor dem optionalen Aufbringen weiterer Schichtlagen (7") umgeschmolzen wird.Method according to one or more of the preceding claims,
in which the first layer layer (7 ') is remelted directly before the optional application of further layer layers (7 ").
bei dem zuerst zumindest zwei Schichtlagen (7', 7") aufgebracht werden,
die dann erstmalig zusammen umgeschmolzen werden.Method according to one or more of the preceding claims 1 to 5,
in which first at least two layer layers (7 ', 7 ") are applied,
which are then remelted together for the first time.
bei dem die Schichtlage (7') oder die Schichtlagen (7', 7") nur lokal umgeschmolzen werden.Method according to one or more of the preceding claims,
in which the layer layer (7 ') or the layer layers (7', 7 ") are remelted only locally.
bei dem auch das Substrat (4) höchstens teilweise umgeschmolzen wird.Method according to one or more of the preceding claims,
in which also the substrate (4) is at most partially remelted.
bei dem die Schritte von Auftragen von einer oder mehreren Schichtlagen (7', 7") und Umschmelzen derer einmal, insbesondere mehrmals,
wiederholt wird.Method according to one or more of the preceding claims,
in which the steps of application of one or more layer layers (7 ', 7 ") and remelting of these once, in particular several times,
is repeated.
bei dem das Umschmelzen richtungsabhängig erfolgt, insbesondere durch Verkippen eines Schweißstrahls (13) in eine Richtung gegenüber der Oberfläche (5).Method according to one or more of the preceding claims,
in which the remelting is direction-dependent, in particular by tilting a welding beam (13) in a direction opposite to the surface (5).
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