EP3227474B1 - Bauteil einer turboeinrichtung, brennkraftmaschine mit einer turboeinrichtung und verfahren zum herstellen eines turboeinrichtungsbauteils - Google Patents

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EP3227474B1
EP3227474B1 EP15837130.2A EP15837130A EP3227474B1 EP 3227474 B1 EP3227474 B1 EP 3227474B1 EP 15837130 A EP15837130 A EP 15837130A EP 3227474 B1 EP3227474 B1 EP 3227474B1
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Definitions

  • the invention relates to a component for a turbo device comprising a compressor and a turbine, with a component body consisting at least partially of a titanium-aluminum alloy, in which the titanium-aluminum alloy has a titanium content of 40 at.% To 60 at.
  • the component on its component surface at least partially has a protective layer produced by means of a plasma electrolytic oxidation (PEO), wherein the component has a first material recess which has a bearing bore, characterized in that the component has at least one further material recess which configures a cavity located inside the component body in order to reduce the masses of the component to be accelerated, at least one surface of the component bounding the at least one further material recess partly by means of the plasma electrolyte Isch oxidation (PEO) generated protective layer.
  • PEO plasma electrolytic oxidation
  • the invention further relates to an internal combustion engine with a turbine device, which comprises a compressor and a turbine.
  • the invention further relates to a method for producing a turbo device component, in particular a component of a turbo device comprising a compressor and a turbine, made of a titanium-aluminum alloy with a titanium content of 40 at.% And up to 60 at. % and with an aluminum content of 5 at.% to 50 at.% or from a titanium-aluminum alloy with a titanium content of 40 at.% to 55 at.% and with an aluminum content from 35 at.% to 50 at.%, wherein an aluminum oxide-containing protective layer is formed on the turbo device component, characterized in that said aluminum oxide-containing protective layer is provided on a surface of the turbine device component concealed by an undercut of the turbine device component is produced.
  • an exhaust gas turbocharger of an internal combustion engine which in the form of a rotor or a rotating impeller part comprises a compressor and a turbine wheel, which are rotatably connected to each other via a shaft.
  • the turbine wheel is in this case made of a titanium aluminide, so a special titanium-aluminum alloy executed.
  • oxide formation at elevated temperatures results in a complex mixed oxide layer consisting essentially of alumina, titania, nitrides, various alumina precipitates, and intermetallic phases.
  • the strategy is to inhibit an activity of oxides which increase rapidly under elevated temperatures, such as the titanium oxide, while at the same time inhibiting the activity or the occurrence of slow-growing oxides, in particular the aluminum oxide, at the direct interface between the component and the surrounding medium, ie the component surface, preferably should be increased.
  • oxidation protection namely surface protection, in particular oxidation protection by application layers (type 1), diffusion layers (type 2) and halogen effect layers (type 3).
  • the layer material is deposited on the substrate or component surface as part of a coating process.
  • the composite layer produced hereby adheres, for. As by mechanical interlocking, by adhesive forces or by diffusion areas in combined heat treatment.
  • diffusion layers are formed by an enrichment of various elements in the surface edge zone of the component at elevated temperatures.
  • the substances provided for this purpose diffuse into the substrate or component, so that a generally thin, gradual edge zone can be brought about with a composition differing from the substrate.
  • the third type differs from this conceptually strong and uses the so-called halogen effect (type 3).
  • halogen-effect layers halides are added to the surface of the substrate or of the component at temperatures lower than the starting temperature. Selective aluminum transport via the gas phase (halogen effect) then forms a thin aluminum oxide layer with good diffusion barrier effect during the actual use of the relevant component or through a preceding heat treatment, whereby a good oxidation protection can be provided on the component.
  • ion implantation is one of the most effective methods to increase the oxidation resistance of titanium aluminides.
  • ion implantation is a structurally very complex and expensive process.
  • processes have been developed in which halogens are first applied to the surface by means of an exchange or powder packing process and only then, or as in the powder packing in the rule at the same time be enriched by a thermal treatment in the peripheral zone. Both methods offer the possibility of the treatment of complex surfaces and are comparatively more cost effective to accomplish.
  • a disadvantage of dipping and powder packing processes is the time-consuming choice of suitable parameters and the process control.
  • the halide concentrations In order to achieve a positive effect on the oxidation resistance, the halide concentrations must move within a relatively well-defined range. If the halogen concentration is too low, the protective aluminum oxide film will not be fully built up, while over-concentration may adversely affect the general corrosion resistance of a titanium aluminide device.
  • a thin to thick protective layer by a reaction of the surrounding the component atmosphere such.
  • a fluid in particular a gas, formed with the substrate or with the component material. This means that no additional material is deposited on the surface but the material is converted to the surface itself (conversion).
  • the proposed formation mechanism may be initiated by an electrical current flow.
  • thick and therefore technically usable protective layers can be formed as in the case of the application layers (type 1), which, in contrast to these, however, have a significantly higher layer adhesion due to the gradual transition between the substrate and the conversion layer and, furthermore, independent of the sometimes complex contour of the Component are.
  • conversion layers are less expensive and thicker with comparable oxidation protection, which additionally provides wear and corrosion protection and, under certain circumstances, a certain electrical or thermal insulation effect.
  • a titanium aluminide component in particular a turbine wheel of a turbocharger, is subjected to an electrochemical anodization, which builds up a protective layer containing aluminum oxide, so that the component is good is protected from oxidation. Furthermore, it is pointed out that this component is protected according to the previous description with respect to such conversion layers from harmful and undesirable attacks of environmental conditions.
  • a disadvantage of such anodization layers is, for example, that the layer produced thereby accordingly has a high pore content due to the process. In this respect, even under optimal process parameters only a limited oxidation protection can be realized, which is usually significantly inferior to the most effective methods, such as ion implantation. Furthermore, as part of the anodization only a limited wear and corrosion protection can be produced.
  • one of the biggest disadvantages is a critical rupture and a limited formation of the anodization layer, in particular in the region of edges and sharp transitions, which often leads to a sufficiently good oxidation protection is not given especially at critical component sites.
  • the invention has the object of further developing generic components or methods for producing related components in order to overcome at least the above-mentioned disadvantages.
  • the invention is based on the special object of being able to reliably coat even components that are complicated in construction, which have cavities hidden by undercuts which differ from bearing bores, in order to be able to produce a sufficient protective layer even behind such undercuts.
  • the object of the invention is achieved on the one hand by a component for a turbo device comprising a compressor and a turbine, with a component body consisting at least partially of a titanium-aluminum alloy, in which the titanium-aluminum alloy has a titanium content of 40 at.
  • the component on its component surface at least partially has a plasma-electrolytic oxidation (PEO) produced protective layer
  • the component has a first material recess, which embodies a bearing bore, characterized in that the component has at least one further material recess which configures a cavity located within the component body in order to reduce the masses of the component to be accelerated, wherein the at least one further Material recess limiting surface of the component at least partially a medium s the plasma-electrolytic oxidation (PEO) generated protective layer.
  • PEO plasma-electrolytic oxidation
  • Components made of a titanium-aluminum alloy can be particularly advantageously protected by means of the protective layer produced by plasma electrolytic oxidation with an oxidation barrier in the context of the invention.
  • PEO plasma-electrolytic oxidation
  • the protective layer produced in the meaning of the invention by means of the plasma-electrolytic oxidation meets in an excellent manner at least the most important requirements in terms of oxidation protection, corrosion protection, wear protection, thermal or electrical insulation, thermal resistance, a layer adhesion or the like of a titanium-aluminum Alloy of manufactured components.
  • the present layer may in particular be an oxide-ceramic layer which is produced by a corresponding transformation of the base material.
  • surfaces with an extremely filigree and / or complex geometry can be finished, so that subsequent or final processing is no longer necessary.
  • titanium-aluminum alloy or synonymously “aluminum-titanium alloy” is characterized in particular by the titanium and aluminum components described above, wherein in particular the material titanium aluminide is thereby covered. Titanium aluminides are widely known from the prior art, so that they are not further explained at this point.
  • turbocharger in the context of the invention describes in particular different types of turbochargers, such as an exhaust gas turbocharger, wherein such turbochargers are characterized in that they comprise a compressor and a turbine.
  • Generic turbo devices are widely known from the prior art, so that in the present case on their structure and operation is not discussed in more detail.
  • component covers a variety of fixed and movable components of such a turbo device, which is shown in more detail later.
  • the object of the invention is a method for producing a turbo device component, in particular a component of a turbo device comprising a compressor and a turbine according to one of the features described here, of a titanium-aluminum alloy with a titanium content of 40 at. % to 60 at.% and with an aluminum content of 5 at.% to 50 at.% or from a titanium-aluminum alloy with a titanium content of 40 at.% to 55 at.
  • an aluminum oxide-containing protective layer is produced, wherein the method is characterized in that this aluminum oxide-containing protective layer by means of a plasma Electrolytic oxidation (PEO) is generated, characterized in that said protective layer containing alumina on a concealed by an undercut of the turbine device component surface of Turbineneinrich production component is generated.
  • PEO plasma Electrolytic oxidation
  • the proposed method in particular thermally highly loaded components of a turbo device procedurally extremely simple and inexpensive to be protected by a suitable protective layer.
  • a plasma process is used in a conductive medium.
  • the component made of a titanium-aluminum alloy can also be protected only partially by an excellent oxidation barrier, wherein the protective layer produced here in the context of the invention can also be produced particularly cost-effective on the component.
  • Titanium aluminide in the sense of the invention is to be understood as meaning, in particular, a titanium-aluminum or aluminum-titanium alloy which has at least titanium and aluminum in the following percentage amount in atomic percent (at.%), Titanium in particular in a range of .gtoreq 38 at.% To ⁇ 59 at.% As well as aluminum may also be present in a range from ⁇ 35 at.% To ⁇ 50 at.% In the component material.
  • the present method can also be applied to a titanium, magnesium and a gamma titanium aluminide alloy with appropriate adaptation of the process parameters and, if appropriate, a coordinated pretreatment.
  • areas of the component which are not to be treated by the present protective layer can be protected during the process by an appropriately formed masking.
  • a layer growth can be temporarily controlled or regulated such that different, but also identical, layer thicknesses can be produced on the component.
  • turbo devices equipped with such optimized weight-optimized, dynamically rapidly rotating components have a significantly improved response, which in turn enables internal combustion engines equipped with them to be operated more advantageously.
  • an internal combustion engine having a turbo device, which comprises a compressor and a turbine, wherein the internal combustion engine characterized in that the turbo device comprises at least one component according to one of the features described here, since such equipped internal combustion engines operate more effectively ,
  • the object of the invention is further comprised of a component of a turbo device comprising a compressor and a turbine, with a component body consisting at least partially of a titanium-aluminum alloy, with a first material recess which configures a bearing bore, which coincides with its Longitudinal extent in the axial direction along a rotational axis of the component extends, the component having at least one of the bearing bore ausgestaltende first Materialaus foundedung different further material recess which configures a lying within the component body cavity to reduce the masses of the component to be accelerated.
  • this component can obtain a very good oxidation barrier, especially where a surface of the component bordering at least one further material recess has at least partially a protective layer produced by means of a plasma electrolytic oxidation (PEO).
  • PEO plasma electrolytic oxidation
  • such a component which, for example, as dynamically stressed impeller, such.
  • a compressor or turbine runner is configured, can be particularly easily prepared by the present protective layer and protected from critical oxidation.
  • this component is at least partially made of a titanium aluminide and exposed as dynamically stressed component as a hot gas stream, such as an exhaust stream, an internal combustion engine.
  • the titanium-aluminum alloy has a titanium content of 40 at.% To 55 at.% And an aluminum content of 35 at.% To 50 at.%.
  • Such a titanium-aluminum alloy designed from a Titanaluminid which are particularly suitable for dynamically stressed or rotationally dynamic moving components of a turbo device, as they allow a particularly easy-built moving component of the turbo device.
  • the object of the invention in particular of a component of a turbo device comprising a compressor and a turbine, with a component body consisting at least partially of a titanium-aluminum alloy, with a first material recess which configures a bearing bore extends with its longitudinal extent in the axial direction along an axis of rotation of the component, and with at least one further material recess, which is different from the bearing bore ausgestaltende Materialaus strictlyung, this component being explicitly characterized in that the at least one further material recess defining surface of Component has at least partially a generated by means of a plasma electrolytic oxidation (PEO) protective layer.
  • PEO plasma electrolytic oxidation
  • the titanium-aluminum alloy of this component preferably has a titanium content of 40 at.% To 55 at.% And an aluminum content of 35 at.% To 50 at.%.
  • the weight reduction compared to previous high-temperature materials allows the use of titanium aluminides to increase the efficiency in the respective application as well as the potential for saving energy and thus reducing the environmental impact.
  • the component comprises a rotating impeller part of the compressor and / or the turbine of the turbine device, wherein the component in any cross section along its axis of rotation at least 65% or 80% of contour elements of its component symmetrical to the axis of rotation of the component are configured ,
  • Titanium aluminides in particular have the potential in numerous technical applications because of their low density of about 3.8 g / cm 3 and due to good mechanical properties at temperatures of 450 ° C to 950 ° C about superalloys such as nickel-based alloys (density 8 , 19 g / cm 3 ) and other heat-resistant materials, as high-temperature materials to replace.
  • superalloys such as nickel-based alloys (density 8 , 19 g / cm 3 ) and other heat-resistant materials, as high-temperature materials to replace.
  • titanium aluminides mean that, even at elevated temperatures, they now achieve comparable mechanical properties to those of some well-known nickel-based alloys.
  • the component is produced either by a casting process, in particular investment casting, or powder metallurgy, in particular by a metal powder injection molding or by a generative production process, in particular by electron beam sintering or by selective laser melting preferably in final contour or at least near net shape.
  • the surface of the present component partially or completely comprises an oxide-containing protective layer, which is produced by plasma electrolytic oxidation.
  • the present component can be produced particularly precisely if the final contour is produced by EDM or by electrochemical machining (ECM).
  • the fact that the component has at least one of the bearing bore ausausende first material recess different further material recess, which configures a lying within the component body cavity, in particular to be accelerated masses of the component can be significantly reduced. Since in this case during the acceleration of the component less moments of inertia must be overcome, the turbo device as a whole receives a better response.
  • a preferred embodiment provides in this context that the at least one further material recess is arranged radially further outside relative to the axis of rotation of the component than the first material recess which configures the bearing bore. In this way, particularly favorably placed cavities can be provided within the component or its component body.
  • the at least one further material recess is arranged axially at the same height as the first material recess which configures the bearing bore.
  • the at least one further material recess is a cavity of the component, which is accessible from a side of the component remote from a blade element. This makes it particularly well possible to produce a protective layer generated by means of a plasma electrolytic oxidation within the component, so that the entire surface of the component or its component body, which limits the inner cavity, can be protected by means of an oxidation barrier.
  • the side of the component facing away from the blade elements in this case describes the rear side of the component, the front side of the component comprising the blade elements of an impeller part of a compressor or of a turbine.
  • the at least one further material recess is a cavity of the component, which in the axial direction by a Undercut of the component body, in particular of a suspended on the component body hub part is at least partially hidden. This allows a particularly high material savings and thus a high weight reduction can be achieved on the component.
  • a protective layer in particular an aluminum oxide-containing protective layer, can be produced by means of the present plasma electrolytic oxidation even on hard-to-reach surface regions of the component, these surface regions being covered by undercuts of the component from the outside.
  • an advantageous variant of the method also provides that this protective layer containing aluminum oxide is produced on a surface of the turbine device component that is hidden by an undercut of the turbine device component.
  • the component can be produced with particular weight reduction, if the at least one further material recess is a cavity of the component, which at least partially passes through the axis of rotation of the component.
  • the present titanium-aluminum alloy or in particular the titanium aluminide can be alloyed differently depending on the area of application of the component.
  • a favorable titanium aluminide alloy in addition to other elements of the Periodic Table and any impurities in a respective frequency of ⁇ 1 at .-% one or more of the following alloying elements.
  • the titanium-aluminum alloy niobium, tantalum, tungsten, zirconium and / or molybdenum each having a content of more than 0 at .-% to 11 at .-% have.
  • iron, chromium, vanadium and / or manganese each having a proportion of more than 0 at .-% to 4 at .-% have.
  • the titanium-aluminum alloy may cumulatively or alternatively comprise boron or carbon or silicon each having a content of more than 0 at.% To 1 at.%.
  • the sum of the components present in the component corresponds to an amount of ⁇ 100 at.%, whereby the abovementioned compounds can be present within the abovementioned limits in any desired combinations and in each case at least partially together.
  • alumium oxide-containing protective layer By producing such an alumium oxide-containing protective layer can be prevented in particular in a titanium aluminide component that, as for titanium aluminides in the context of a thermal load in particular at high titanium content or low aluminum content of about below 50 at .-% or of 42 at .-% is known to form an excessive proportion of titanium oxide on the surface.
  • both the high temperature self-forming oxide layers and the high-level protective layers formed by a surface treatment step, such as titanium dioxide, are not very resistant to oxidation.
  • a relatively thin to thick oxide-containing protective layer in the range of a few microns to several hundred microns on a titanium-aluminum alloy component, especially from a titanium aluminide, can be produced inexpensively. And this is advantageously also possible almost independently of the outer geometry of the component.
  • the present oxide-containing protective layer has a good oxidation resistance due to its content of aluminum oxide.
  • the present protective layer may be so pronounced that the proportion of aluminum oxide is ⁇ 35% by volume.
  • a component which consists at least partially of a titanium aluminide as described below: Titanium in a range of greater than or equal to 40 at.% To less than or equal to 55 at.%, With aluminum present in a range greater than or equal to 35 at.% To less than or equal to 50 at.%, And wherein Further, niobium, tantalum, tungsten, zirconium or molybdenum in a range of greater than or equal to 0 at .-% to less than or equal to 11 at .-% and iron, chromium, vanadium or manganese in a range of greater than or equal to 0 at % to less than or equal to 4 at.% and boron or carbon or silicon in a range of greater than or equal to 0 at.% to less than or equal to 1 at.%.
  • the abovementioned compounds can in this case be present within the abovementioned limits in any desired combinations and in each case also at least partially together.
  • such components made entirely or partially of titanium aluminide may be formed by, for example, casting methods, e.g. investment casting, or powder metallurgy, e.g. by metal powder injection molding (MIM), or machining, e.g. by milling or turning, are made of appropriate semi-finished products.
  • casting methods e.g. investment casting
  • powder metallurgy e.g. by metal powder injection molding (MIM)
  • MIM metal powder injection molding
  • machining e.g. by milling or turning
  • the protective layer produced by means of a plasma-electrolytic oxidation on a component can be of various shapes, as explained here.
  • the protective layer produced comprises an oxide ceramic layer, in particular an Al 2 O 3 layer.
  • an oxide ceramic layer in particular an Al 2 O 3 layer.
  • the protective layer resulting from the conversion of the component surface has a thickness of 0.1 to 300 ⁇ m, in particular 1 to 10 ⁇ m.
  • the component comprises a component of the compressor and / or the turbine of the turbo device through which the medium flows.
  • a component to be coated is a housing part through which exhaust gases, coolants, lubricants flow, such as a water-cooled turbine housing part or a compressor housing part.
  • a housing part through which exhaust gases, coolants, lubricants flow such as a water-cooled turbine housing part or a compressor housing part.
  • a component of a turbomachine comprising a compressor and a turbine
  • the component comprises an at least partially made of a titanium-aluminum alloy has existing component body
  • the titanium-aluminum alloy has a titanium content of 40 at .-% to 60 at .-% and an aluminum content of 5 at .-% to 50 at .-%
  • the component comprises a component of the compressor and / or turbine of the turbo device through which fluid flows, since such a component or medium can also be advantageously protected by a protective layer produced by plasma electrolytic oxidation and thus further developed.
  • a medium flowing through the component may be, for example, an exhaust gas, a coolant, a lubricant or the like.
  • this component may be a housing part of a compressor or a turbine of a correspondingly configured turbo device through which exhaust gases, coolants, lubricants or the like flow.
  • the present invention can be used particularly advantageously.
  • This relates in particular to the partial coating of flow-leading inner cross sections of a correspondingly designed housing part such.
  • a coating by means of plasma electrolytic oxidation in the region of plane surfaces of a connecting flange of the turbine housing part to a housing of an internal combustion engine is also advantageous.
  • a protective layer produced by means of a plasma electrolytic oxidation can also be used excellently for thermal insulation.
  • a protective layer can be used to insulate cooling water passages of the turbine housing or exhaust passages of the turbine housing.
  • the present protective layer is particularly intimately connected to the respective component, which is particularly advantageous in the case of components subjected to high thermal stress, since these are often already subjected to elastic deformation during normal operation of a turbo device.
  • thermal stresses between a base material and a related protective layer can be avoided, since the protective layer produced by plasma electrolytic oxidation has almost the same coefficient of expansion as the actual titanium-aluminum alloy from which the component is made ,
  • the present protective layer is advantageous in that less heat energy is removed from exhaust gases via the housing part into the environment, so that behind the turbo device hotter exhaust gases for heating the catalyst are available, whereby this much faster his can reach optimum operating temperature.
  • the component comprises a bearing part, in particular bearing parts of a shaft-hub connection, of the compressor and / or the turbine of the turbo device.
  • a bearing part in particular bearing parts of a shaft-hub connection
  • the present protective layer produced by plasma electrolytic oxidation.
  • the component comprises a bearing part, in particular bearing parts of a shaft-hub connection, of the compressor and / or the turbine of the turbo device.
  • Such components can be further developed by the present layer advantageous.
  • a related first process variant provides that a used electrolyte contains a silicon-containing compound as electrolyte base in the range of 0-300 g / l and potassium hydroxide (KOH), water glass (Na2SiO3), phosphoric acid (H3PO4), sodium phosphate (Na3PO4), hydrofluoric acid (HF).
  • KOH potassium hydroxide
  • Na2SiO3 water glass
  • H3PO4 phosphoric acid
  • Na3PO4 sodium phosphate
  • HF hydrofluoric acid
  • Disodium ethylenediaminetetraacetate Na2H2EDTA
  • tetrasodium ethylenediamine tetraacetate Na4EDTA
  • calcium disodium ethylenediamine tetraacetate CaNa2EDTA
  • ammonium metavanadate NH4VO3
  • disodium molybdate Na2MoO4
  • disodium tungstate Na2Wo4
  • hydrogen peroxide H2O2
  • citric acid C6H8O7
  • glycerol C3H8O3 in any combination in the range of 0 - 20 g / L, but in detail less than the electrolyte base, and urotropin in the range (0 - 400 g / L).
  • a used electrolyte contains a phosphorus-containing compound as electrolyte base in the range of 0-300 g / l and potassium hydroxide (KOH), water glass (Na2SiO3), phosphoric acid (H3PO4), sodium phosphate (Na3PO4), hydrofluoric acid (HF), ammonium hydroxide (NH4OH), boric acid (H3BO3), sulfuric acid (H2SO4), zirconium sulfate (ZrSO4), zirconium tungstate (ZrWO4), ammonium fluoride (NH4F), sodium hydrogenphosphate (NaH2PO4), sodium fluoride diammonium hydrogenphosphate (NH4) 2HPO4 , Urea (CH4N2O), potassium phosphate (K3PO4), potassium pyrophosphate (K4O7P2), dipotassium phosphate (K2HPO4), sodium aluminate (Na2A12O4 or Na
  • a used electrolyte, an aluminum-containing compound as an electrolyte base in the range of 0 - 300 g / L and potassium hydroxide (KOH), water glass (Na2SiO3), phosphoric acid (H3PO4), sodium phosphate (Na3PO4), hydrofluoric acid (HF ), Ammonium hydroxide (NH4OH), boric acid (H3BO3), sulfuric acid (H2SO4), zirconium sulfate (ZrSO4), zirconium tungstate (ZrWO4), ammonium fluoride (NH4F), sodium hydrogenphosphate (NaH2PO4), sodium fluoride diammonium hydrogenphosphate (NH4) 2HPO4, urea (CH4N2O), potassium phosphate (K3PO4), potassium pyrophosphate (K4O7P2), dipotassium phosphate (K2HPO4), sodium aluminate (Na2A12O4 or NaA
  • KOH potassium hydrox
  • a used electrolyte is a zirconium- or sulfur-containing compound in the range of 0-300 g / l and potassium hydroxide (KOH), water glass (Na2SiO3), phosphoric acid (H3PO4), sodium phosphate (Na3PO4), hydrofluoric acid (HF), ammonium hydroxide (NH4OH), boric acid (H3BO3), sulfuric acid (H2SO4), zirconium sulfate (ZrSO4), zirconium tungstate (ZrWO4), ammonium fluoride (NH4F), sodium hydrogenphosphate (NaH2PO4), sodium fluoride diammonium hydrogenphosphate (NH4) 2HPO4, urea (CH4N2O) , Potassium phosphate (K3PO4), potassium pyrophosphate (K4O7P2), dipotassium phosphate (K2HPO4), sodium aluminate (Na2A12O4 or
  • a constant or temporally alternating direct current in the range of 0.1 mA to 250 A, in particular 10 mA to 120 A or a DC voltage in the range of 10 to 1200 V, in particular from 80 V to 800 V or a DC power in the range of 1 mW to 300 kW, in particular 8 mW to 96 kW is used.
  • the electrolyte used to convert the component surface has a temperature range from greater than or equal to 0 ° C. to less than or equal to 100 ° C., in particular greater than or equal to 0 ° C. to less than or equal to 70 ° C. It is understood that the features of the solutions described above or in the claims can optionally also be combined in order to implement the presently achievable advantages and effects in a cumulative manner.
  • FIG. 1 While in the FIG. 1 shown layer structures 2, 3 and 4 are generated substantially by a material deposition on the component surface, the in the FIG. 2 Layer structure 5 shown produced by a conversion of the component material in the region of its surface, whereby a substantially more intimate bonding of the surface or oxidation protection layer to the relevant component 1 is achieved.
  • FIG. 3 Schemes 10 additionally shown in the prior art illustrate an overview of scientific investigations for the evaluation of various surface treatments for the protection against oxidation, in which the FIG. 2 Type 4, however, not listed, since this type 4 appeared to be less interesting in the art.
  • a hexagonal honeycomb structure 15 characteristic for the anodization and process-related hexagonal structure 15 can be seen on the receptacle 14 shown there, in the middle of which there is a large approximately round pore 16.
  • a pore channel 17 designed in this respect the material transports required for the layer structure take place during the process, so that the porosity is unavoidable on the one hand and has a high areal proportion, for example, and thus has a poorer corrosion resistance compared to plasma-electrolytic oxide layers.
  • FIG. 4 14 shows the recording shown in FIG. 5 illustrated further picture 19 that the surface 20 is rougher and thicker. Furthermore, it can be seen that the existing pore structure 21, which is theoretically also unavoidable due to the plasma discharges during the process, is disordered on the one hand and that, compared to the anodization layer (FIG. FIG. 4 ) accounts for a significantly lower proportion of space. Due to the layer build-up mechanism (plasma discharges) and the lower porosity, such a layer not only becomes harder and stronger, but also more resistant to corrosion or oxidation.
  • FIG. 6 the surface of a turbine wheel for a turbocharger after machining is shown.
  • the production-related geometric deviations 3rd and 4th order such as grooves 25 or grooves, scales and dome 26th
  • the component 1 can be produced by a generative method, in particular by electron beam sintering or selective laser melting. These processes have only recently become available, since titanium aluminide powders have so far not been processed by generative processes. Only by the temperature of the powder, ie using a preheating, and using inert gases or vacuum to avoid, inter alia, the oxidation of the powder, cracks and high residual stresses can be avoided by thermal gradients and other disadvantages and the necessary energy to completely melt the powder grains be provided by the electron or laser beam.
  • the components can be produced in final contour or near-net-shape, so that the final contour can be reworked efficiently and in a resource-saving manner by machining, forming, physical or electrochemical processes, as schematically shown in FIG Representation after the FIG. 7 is shown.
  • FIG. 7 Now also the schematic sequence of the Selective Laser Melting is shown.
  • Input variables of the process are, on the one hand, the geometry of the component 1 to be realized, and also the powder 25, from which the component 1 is constructed.
  • a component platform 26 is filled with powder 25 and subsequently drawn off with a wiper 27 in order to achieve a uniform surface.
  • a laser 74 moves the component contour in the respective working plane 75 and melts the powder grains along its path, so that they combine to form a solid 76.
  • the entire platform lowers by a certain distance 77 and is filled up again to the edge with powder 25, so that a new level can be built up by the laser 74 and connected to the component 1. This cycle is repeated until the desired workpiece has been built from the lowest to the highest level and the finished component 1 is available.
  • the provided component 1 has a surface which has been produced by electrochemical or spark erosion processing in a liquid medium.
  • EDM electrochemical machining
  • FIG. 8 The illustrated illustration shows the surface of a turbine wheel for a turbocharger after electrochemical machining (ECM). It can be clearly seen that manufacturing-related geometry deviations 80 of the 3rd and 4th order are scarcely present, as in the case of the cutting processes. Instead, process-related pits 81 (pitting) are discernible due to the electrochemical removal mechanism. By contrast with the machining process, productivity is not determined by the machinability of the material. Since titanium aluminides are very difficult to machine, the ECM process has higher productivity and better achievable surface quality than other titanium aluminide processing methods. In particular, near-net-shape components, which were produced, for example, by means of selective laser melting, can thus be produced extremely efficiently and save resources and materials.
  • ECM electrochemical machining
  • the provided component 1 has the form of an impeller 90, in particular a turbine or compressor wheel, designed for a rotational movement. That is, it has, with respect to the contour elements in the cross-sectional area along its axis of rotation 91 predominantly, for example, to 65% or 80% or more, an axis symmetry, as shown in FIG FIG. 9 is shown.
  • This illustration shows a cross section of a turbine wheel, for example for a Turbocharger. Due to the design, the turbine wheel predominantly has a symmetry with regard to the contour elements in the cross-sectional area.
  • the symmetry axis corresponds to the axis of rotation 91.
  • Non-symmetrical elements - due to the curved shape of the blades - are schematically marked by a box 92.
  • the component provided is also a turbine or compressor wheel of a turbocharger (US Pat. FIG. 10 ).
  • FIG. 10 schematically a possible embodiment of a turbine wheel for a turbocharger is shown.
  • the central bore 101 for receiving a shaft and the characteristic curved blades 102 for converting the recovered by the expansion of the hot exhaust gas energy in a rotational movement of the rotor (rotor composite turbine wheel and shaft).
  • FIGS. 11 and 12 schematically a cross-section of another possible embodiment of a turbine wheel for a turbocharger is shown.
  • the solid portions 131 and the hub in the form of an inner bore 132 for receiving a steel shaft (not shown) can be seen.
  • the provided component has a structurally optimized design in the form of a cavity 133 in the component core, which runs rotationally symmetrically between the hub and the blade attachment. This cavity 133 is opened by openings 134 at the bottom or rear of the component, wherein webs 135 remain at right angles.
  • FIG. 13 there is shown schematically a cross section of another possible embodiment of a turbine wheel for a turbocharger.
  • the solid portions 141 and the hub in the form of an inner bore 142 for receiving the steel shaft (not shown) can be seen.
  • the provided component has a structure-optimized design in the form of cavities 143 within the blades. Each blade has a small bore 144 on the underside of the blade.
  • the component provided in particular a turbine or compressor wheel, has a structurally optimized shape, in particular a cavity in the component core, which is rotationally symmetrical between the hub and the blade attachment (see also FIG FIGS. 11 and 12 ) and / or within the blades (see in particular FIG. 13 ) on.
  • This cavity can generally be broken in different planes perpendicular to the axis of rotation of struts or islands of material for stiffening and stabilizing the component.
  • the component 301 has a component body 303 made of a titanium-aluminum alloy, which is present as titanium aluminide.
  • the component 301 has a bearing bore 304 for receiving a shaft part (not shown), wherein the bearing bore 304 extends as a correspondingly formed material recess 305 with its longitudinal extent 306 in the axial direction 307 of the component 301.
  • the bearing bore 304 thus extends in alignment and in the direction of a rotation axis 308 of the component 301.
  • the component 301 has additional material recesses 310 (numbered only as an example) which configure cavities 311 (numbered only by way of example) within the component body 303 or the component 301.
  • the material recess 310 is arranged radially further outward than the bearing bore 304 with respect to the axis of rotation 308 of the component 301.
  • the cavities 311 are open from the rear side 312 of the component 301 and thus accessible, wherein the material recess 310 that configures the cavities 311 can be introduced into the component body 303 by different methods.
  • the cavities 311 are accessible from the side 314 facing away from the blade elements 313, namely the rear side 312 of the component 301.
  • the material recess 310 or the respective cavities 311 of this example differ from intermediate spaces 315, which are arranged between the individual blade elements 313 as a result of the design.
  • the component 301 shown here is not provided with a protective layer produced by plasma electrolytic oxidation (PEO).
  • PEO plasma electrolytic oxidation
  • another component 401 is also illustrated in the form of an impeller part 402 of a turbine (not shown) of a turbo device (also not shown).
  • the component 401 also has a component body 403 of a titanium-aluminum alloy, which is present as titanium aluminide.
  • the component 401 has a bearing bore 404 for receiving a shaft part (not shown), wherein the bearing bore 404 extends as a correspondingly formed material recess 405 with its longitudinal extent 406 in the axial direction 407 of the component 401.
  • the bearing bore 404 thus extends in alignment and in the direction of a rotation axis 408 of the component 401.
  • this component 401 In order to be able to provide this component 401 as well as possible in terms of weight optimization, it has additional material recesses 410 (numbered only by way of example) which are configured within the component body 403 of the component 401 lying cavities 411 (numbered only as an example).
  • the material recesses 410 are arranged radially further outside relative to the axis of rotation 408 of the component 401 than the bearing bore 404.
  • the cavities 411 are open from the rear side 412 of the component 401 and thus accessible, wherein the material recess 410 that configures the cavities 411 can be introduced into the component body 403 by different methods.
  • the cavities 411 are accessible from the side 414 facing away from the blade elements 413, namely the back 412 of the component 401.
  • the material recess 410 or the cavities 411 in this case differ from intermediate spaces 415, which are arranged between the individual blade elements 413 as a result of the design.
  • the cavities 411 are at least partially hidden by the component body undercuts 422 of the component body 403 in the axial direction 407, all can Regions of the surfaces 420 delimiting the cavities 411 are protected by a protective layer 421 produced by means of plasma electrolytic oxidation (PEO).
  • PEO plasma electrolytic oxidation
  • the undercuts 422 are limited in this embodiment by the plurality of cross struts 423 (only exemplified).
  • the component 450 shown is likewise an impeller part 402 of a turbine (not shown) of a turbo device (likewise not shown), wherein the component 401 also again has a component body 403 of a titanium-aluminum alloy, which is present as titanium aluminide.
  • the component 450 is characterized in that it has a hub part 451, which is designed in the form of a bearing collar 452.
  • this hub part 451 is separated from the main body part 453 of the component 450, and is connected to the main body part 453 substantially only by the cross braces 423.
  • undercuts 422 are formed not only by the individual transverse struts 423 but also by the hub portion 451.
  • a special feature of the component can still be seen in that the cavities 411 of the component 450 in the axial direction 407 by an undercut 422, which are at least partially hidden by the suspended hub portion 451.
  • the cavities 411 can be completely and completely coated.
  • the material recesses 410 in this case form cavities 411 of the component 450, which pass through the axis of rotation 408 of the component 450 and thus also bearing bore 404 at least partially.
  • turbochargers come into contact with the hot exhaust gas from the combustion chamber of an internal combustion engine, which is why contacting components of titanium aluminide are particularly exposed to an oxidative attack.
  • the turbine wheels made of titanium aluminide are joined together with a steel shaft to form a so-called rotor.
  • a protective layer can be formed on the turbine wheel both before the jointing and after the jointing.
  • the runners can be fixed to the shaft and the turbine wheels partially or completely, in particular up to the joint of steel shaft and turbine wheel, immersed in an electrolyte and acted upon by the connection to a power source with an electric current, as shown FIG. 20 is shown.
  • This illustration shows, in particular, that the rotor, comprising the turbine shaft 112 of titanium aluminide fastened to the steel shaft 111, and a simple ronde-shaped counterelectrode 113 made of stainless steel are introduced into the electrolyte basin 114.
  • the rotor is further immersed in the electrolyte 115 only partially, here up to the joint of steel shaft 111 and turbine wheel 112, so that the steel shaft 111 does not come into contact with the electrolyte 115 and, like the counter electrode 113, is operatively connected to the power source 116 ,
  • FIG. 21 Another possible arrangement for producing a protective layer according to the method described above is described.
  • the rotor having the turbine shaft 123 made of titanium aluminide attached to the steel shaft 121 and a simple round-shaped counter-electrode 124 made of stainless steel are introduced into the electrolyte tank 125.
  • the rotor is almost completely immersed in the electrolyte 126, wherein the steel shaft 121 is covered with an insulating tape such that the steel shaft 121 does not come into contact with the electrolyte 126 and still is covered beyond the entry point into the electrolyte 126.
  • the component electrode is connected to the power source 127 as well as the counter electrode 124.
  • a closed, in particular aluminum oxide-rich protective layer can be formed on a turbine wheel made of titanium aluminide in the context of the present invention.
  • the joint can be covered with a suitable insulating material, for example a polymer, cover film, wax, adhesive tape or similar materials, so that the component with the steel shaft is immersed in the electrolyte until the end of the covered area.
  • a suitable insulating material for example a polymer, cover film, wax, adhesive tape or similar materials
  • the turbine wheel can be used by electrical contacting of the steel shaft as an electrode.
  • a dense and durable protective layer is formed on the turbine wheel of the turbocharger, which not only reliably increases the oxidation resistance, but also protects better protection against the otherwise usual in the turbocharger damage effects such as corrosion, dripping and particle impact and abrasion.
  • production-related disturbance variables such as geometrical deviations in the machining processes or pits or etching pits as in the ECM, or the surface layer as present after the spark erosion, are repaired by the plasma electrolytic conversion and the surface homogenized process-related, so that an intermediate additional cleaning or activation process can be avoided under favorable circumstances.
  • FIG. 22 schematically another possible, advantageous structure for carrying out the presently described method is shown.
  • the component electrode in the form of a cuboidal component 161 and the counter electrode 162 in the form of a rod made of stainless steel are suspended in the electrolyte 163 in a suitable electrolyte tank 164 and completely covered by this.
  • the two electrodes are electrically connected to a power source 165.
  • a suction device 166 and a heat exchanger 167 are provided for disposal of the resulting process gases or for controlling the temperature of the basin.
  • FIG. 23 schematically another possible arrangement for generating a protective layer according to the method proposed in the context of the invention is shown.
  • two turbine wheels 171 and 172 are combined to form one electrode and completely inserted into the electrolyte 173, so that the component electrode and the counter electrode have the identical shape and composition (titanium aluminide).
  • FIG. 2 shows the surface of a titanium aluminide component treated according to the above-described method by means of scanning electron microscopy (SEM) at medium magnification 181 and high magnification 182 and the spectrum of a flat EDX analysis.
  • SEM scanning electron microscopy
  • the pore density and the pore diameter 183 on the titanium aluminide surface are atypically low or small.
  • the EDX analysis shows that mixed oxides of titanium and aluminum are expected to form on surface 184.
  • FIG. 25 is the surface area of a titanium aluminide component treated according to the above-described method by means of scanning electron microscopy (SEM) again in medium magnification 191 and high magnification 192 and the spectrum of a surface EDX analysis after a burning process of 100 hours at 950 ° C. It can be seen that the morphology of the surface 193 changes and a closed and compared to the thermally unloaded surface (see, in particular FIG. 24 ) has formed an alumina-rich barrier layer 194.
  • SEM scanning electron microscopy
  • FIG. 26 is the percentage weight gain of samples 201 and 202 treated in accordance with the above-described Embodiment 2 and Embodiment 3, respectively, of a TNM titanium aluminide alloy 203 and a GE titanium aluminide alloy 204 after firing at 1000 for 10 hours ° C reproduced. It becomes clear that both treated samples show a significantly lower weight increase due to oxidation than the untreated reference 205 in both alloys due to the protective layer produced.
  • the frequency distribution of the elements present in the EDX line scan along the cross section of a titanium aluminide surface treated according to the method described above is shown after a firing process of 10 hours at 1000 ° C.
  • 211 marks the surface of the formed protective layer and 214 the interface between protective layer and substrate of the approximately 15 ⁇ m thick layer. It can be clearly seen that a protective layer with a low proportion of titanium oxide 212 and high aluminum oxide content 213 has formed toward the surface of the component.
  • the component configured in this way is subjected to an electrochemical plasma treatment by an electric current flow in an aqueous electrolyte.
  • an electrochemical plasma treatment by an electric current flow in an aqueous electrolyte.
  • the actual conversion of the surface i. H. the electrochemical reaction, in the context of short-lived (about 1 micron), high-energy (8000 K) plasma discharges, which screen the surface in all areas in contact with the electrolyte from areas.
  • Such a process may therefore be termed plasma electrolytic oxidation (PEO).
  • PEO plasma electrolytic oxidation
  • ANOF anodization under spark discharge
  • MAO micro-are oxidation
  • the method described above is carried out in a controlled manner and furthermore particularly suitable for reliably and completely or partially providing components with a protective layer irrespective of their geometry and size.
  • the choice of suitable electrolytes and process parameters may favor the formation of aluminum oxide over the formation of titanium oxide and other oxides of the alloy and / or electrolyte components, so that on the component surface in particular a protective layer rich in aluminum oxide is formed (see FIG. 27 ).
  • electrolytes suitable for the plasma electrolytic oxidation To classify the electrolytes suitable for the plasma electrolytic oxidation, the term "electrolyte base" is used.
  • electrolyte base is a substance of a class of substances which is most abundant in g / L in addition to water and urotropin in an electrolyte.
  • An electrolyte consisting of 10 g / L Na 2 SiO 3, 4 g / L H 3 PO 4, 2 g / L KOH, and 30 g / L urotropin in demineralized water has a silicate base.
  • a titanium aluminide surface is present in a suitable electrolyte comprising a silicon compound, e.g. Sodium waterglass (Na2SiO3), as an electrolyte base under electric current flow through the formation of reaction products of components of the electrolyte and of the substrate in an oxide-containing protective layer, e.g. having alumina, convert.
  • a silicon compound e.g. Sodium waterglass (Na2SiO3)
  • a titanium aluminide surface is in a suitable electrolyte comprising a phosphorus compound, e.g. Phosphoric acid (H3PO4), as an electrolyte base under electric current flow through the formation of reaction products of components of the electrolyte and the substrate in an oxide-containing protective layer, for. B. alumina, let convert.
  • a suitable electrolyte comprising a phosphorus compound, e.g. Phosphoric acid (H3PO4)
  • H3PO4 Phosphoric acid
  • a titanium aluminide surface is in a suitable electrolyte comprising an aluminum compound, e.g. Sodium aluminate (Na2A12O4 or NaAl (OH) 4), as an electrolyte base under electric current flow through the formation of reaction products of components of the electrolyte and the substrate in an oxide-containing protective layer, for. B. alumina, let convert.
  • an aluminum compound e.g. Sodium aluminate (Na2A12O4 or NaAl (OH) 4
  • a titanium aluminide surface may be in a suitable electrolyte comprising a zirconium compound, e.g. Zirconium sulfate (ZrSO4) as an electrolyte base under electric current flow by the formation of reaction products of components of the electrolyte and of the substrate in an oxide-containing protective layer, e.g. having alumina, convert.
  • a zirconium compound e.g. Zirconium sulfate (ZrSO4)
  • a titanium aluminide surface is present in a suitable electrolyte comprising a sulfur compound, e.g. Sulfuric acid (H2S04), as an electrolyte base under electric current flow through the formation of reaction products of components of the electrolyte and the substrate in an oxide-containing protective layer, for. B. alumina, let convert.
  • a sulfur compound e.g. Sulfuric acid (H2S04)
  • H2S04 Sulfuric acid
  • an electrolyte is initially provided, for example in a basin intended for this purpose.
  • This basin may, in addition to the elements listed below for additional process control both a cooling, as well as a circulation and a suction for the process gases ( FIG. 22 ).
  • the particular aqueous electrolyte has one of the above-mentioned electrolyte bases, for example an acid or base of a silicon, phosphorus, aluminum, zirconium or sulfur compound in the quantitative range 0-300 g / l.
  • the electrolyte may contain potassium hydroxide (KOH), water glass (Na25iO3), phosphoric acid (H3PO4), sodium phosphate (Na3PO4), hydrofluoric acid (HF), ammonium hydroxide (NH4OH), boric acid (H3B03), sulfuric acid (H2S04), zirconium sulfate (ZrSO4), zirconium tungstate (ZrWO4), ammonium fluoride (NH4F), sodium hydrogen phosphate (NaH2PO4), sodium fluoride dianimonium hydrogen phosphate (N H4) 2H P04, urea (CH4N2O), potassium phosphate (K3P04), potassium pyrophosphate ( K407P2), dipotassium phosphate (K2H PC4), sodium aluminate (N82A1204 or NaAl (OH) 4
  • KOH potassium hydroxide
  • water glass Na25iO3
  • phosphoric acid H3PO4
  • At least one or more electrically contacted titanium aluminide components are then immersed so as to be completely or partially wetted by the electrolyte.
  • the introduced into the electrolyte components are to be understood as electrodes and are summarized below in any number under the term component electrode.
  • an electrolyte may be used which has halide ions.
  • the electrolyte may comprise chloride, bromide or fluoride ions.
  • halide ions By introducing halide ions into the acidic or basic electrolyte, these halide ions can advantageously be incorporated into the protective layer, thus promoting the formation of a dense aluminum oxide layer, in particular for the protection against oxidation.
  • a protective layer can be produced in this way, which is predominantly made of aluminum oxide or at least has a high proportion of aluminum oxide, or has a small proportion of titanium dioxide.
  • the above-described halogen effect (type 3) can be integrated in the context of such a conversion layer (type 4), wherein the advantageous properties of the conversion layer (good wear and corrosion resistance and electrical or thermal insulation) are combined and can be dispensed with at the same time known from the prior art complex processes for ion implantation.
  • the method in this embodiment is particularly simple and inexpensive, especially in comparison to previously available technologies.
  • one or more electrodes for example graphite electrodes or metallic electrodes, as well as titanium aluminide components, may also be introduced into the electrolyte, ie partially or completely submerged, for counter contacting of the component electrode. These are summarized below in any number under the term counter electrode ( FIG. 24 ).
  • An electrical supply unit with control electronics is also connected to the component and counterelectrode.
  • a work is carried out in the following, in particular, between the contacting of the component electrode via the electrolyte and the contacting of the counter electrode.
  • the component electrode is switched either as an anode or a cathode alternately in a constant or temporally alternating manner, and a DC current or a DC voltage or a DC power is set by the supplying electrical unit, ie. H.
  • the electrical supply unit is regulated to a defined but temporally variable current or voltage or power value, wherein the component electrode does not change their polarity.
  • this work is done between the contacting of the component electrode and the counter electrode such that the supply unit is regulated to a current, voltage or power controlled pulse signal, ie, a unipolar or bipolar pulse pattern, with each change of polarity the Controlled variable from a current or voltage or power value to a current or Voltage or power can pass.
  • a current, voltage or power controlled pulse signal ie, a unipolar or bipolar pulse pattern
  • the shape of such a pulse may correspond to a rectangle, a sawtooth, a trapezoid or a half-wave or a superimposition of these and may amount in terms of the RMS or peak value at a voltage setting between 10 to 1200 V, in particular between 80 and 800 V, as well be set freely at a current specification between 0.1 mA to 250 A, in particular 10 mA to 120 A, and at a power specification between 1 mW and 300 kW, in particular between 8 mW and 96 kW, with both effective or peak value, as well as the pauses (pulse off) and pulse times (pulse on) can change with each new pulse during the process.
  • the resulting frequencies between two successive pulses are between 0.01 Hz and 100 kHz, in particular between 0.1 Hz and 10 kHz.
  • this work is done between the contacting of the component electrode and the counter electrode such that the supply unit is regulated to a current, voltage or power controlled sinusoidal signal with any offset in the form of a DC, DC or DC component, ie a wavy pattern, with each change in polarity, the controlled variable from a current or voltage or power value can go to a current or voltage or power value.
  • the shape of such a wave can correspond to an ideal sine or a sine which is deformed by various mathematical operations and can be in terms of magnitude or peak value at a voltage specification between 10 to 1200 V, in particular between 80 and 800 V, and at a current specification between 0.1 mA to 250 A, in particular 10 mA to 120 A, as well as at a power specification between 1 mW and 300 kW, in particular between 8 mW and 96 kW, freely set, with both RMS or peak value, as well as the period of the half wave at can change each new half-wave during the process.
  • the resulting frequencies between two successive pulses are between 0.01 Hz and 100 kHz, in particular between 0.1 Hz and 10 kHz.
  • the formation of an oxidation layer can take place such that a particularly aluminum oxide-rich protective layer grows closed on the component and thus a particularly dense and therefore safe protective layer is formed.
  • the component can be safely and long-term stable protected against external influences such as unwanted oxidation safely used in large series with appropriate quality requirements.
  • practicable reaction rates can be achieved by using the abovementioned parameter ranges, so that the method is also suitable for series processes, in particular in this refinement.
  • the applied constant or pulse or waveform current or voltage or power signal is maintained for a predetermined period of time, thus setting a characteristic thickness of the protective layer. Furthermore, a targeted control of the process parameters such as electrolyte temperature, circulation and concentration of individual electrolyte components can help to set suitable reaction conditions and thus a reproducible quality.
  • the method described is used such that a layer thickness of the protective layer produced of 0.1 to 300 .mu.m, in particular 1 to 10 .mu.m, is set in a targeted manner by the selection of suitable parameters.
  • the layer remains elastic and can cause greater stresses, such as those caused by the different thermal expansion coefficients of the component and protective layer, in particular as in thermal load cycles with high heating and cooling rates, for example in the turbocharger, either by a self-elongation or by cracking compensate.
  • Such temperature ranges may also have a positive effect on the formation of an aluminum oxide-rich protective layer.
  • the abovementioned temperature ranges are advantageous, in particular for joined attachments of the component, for example in the case of a grooved Stahlanabauteil, which is at least partially made of steel.
  • the relatively low temperature ranges avoid both a negative impact on the structure and the microstructural properties of both the titanium aluminide and the steel.
  • the process of plasma electrolytic oxidation in a defined titanium aluminide current, voltage or power controlled by the surface treatment all or parts of the surface of the component can be selectively oxidized or protected, so that the machined component safely protected against oxidation and thus is particularly long-term stability.
  • the protective layer can be formed without the influence of the geometry of the component, so that the method can be carried out essentially with each component.
  • a hub part 550 is shown which, at least in this exemplary embodiment, is completely coated on its surface by a protective layer produced by means of plasma-electrolytic oxidation. Even the illustrated oil inlet holes 551 (only exemplified) are thereby protected, wherein the present protective layer is applied filigree so that a reworking of the hub portion 550 at any surface area of the hub portion is required.
  • the cross-sectional morphology of the protective layer is shown, here a structure is achieved, which has the remains of coating channels (tubes, see arrow 552).
  • the in the FIG. 31 The morphology shown concerns an anodically produced PEO layer 553.
  • a morphology of a cathodic PEO layer 554 is shown having a closed structure on the surface which is similar to a structure created by a diffusion process (closed tube).
  • variable layer thicknesses and a uniform layer thickness can be produced on the component or on the component.
  • a turbo device 660 is shown by way of example, on which both inner contours 661 of a compressor 662 and related outer contours 663 are treated or protected by a protective layer produced by plasma electrolytic oxidation.
  • the actual component body of the treated component has a kind of sandwich construction, which has the protective layer on both its outer contour 663 and on its inner contour 661, the normal titanium-aluminum alloy being present between these two protective layers.
  • the turbo device 660 also has a corresponding turbine 664.
  • the titanium-aluminum alloy is shown in transverse cross-section in an uncoated state.
  • FIG. 34 The sandwich structure is easy to recognize, with the in the FIG. 33 shown material cross section or cross section is shown here in the coated state.
  • FIGS. 35 and 36 a corresponding material cross section or cross section both in the uncoated state and in the coated state ( FIG. 36 ), wherein the present protective layer is produced here only on the side of the inner contour 661.
  • the layer thickness of the present protective layer can be produced by selecting different process parameters both as thin layers (50 to 30 ⁇ ) and as thick layers (up to 300 ⁇ ).
  • the main advantage of the coating of the present compressor or compressor housing is the fact that the compressor housing is armored.
  • the dielectric strength of the component is significantly improved, which in turn reduces the risk that in case of failure of a rotating impeller part parts of this impeller part can penetrate the compressor housing.
  • the present protective layer By means of the present protective layer, it is possible to achieve a layer hardness of from 500 HV to 2000 HV, whereby a component coated in this way experiences a very high resistance to bombardment.
  • TMMB-1 gamma titanium aluminide alloy
  • alloys may be, for example, GE 45 22 or GE 48 22 in order to produce in particular a component in the form of a rotating impeller part.
  • This described embodiment often has the disadvantage that the oxide ceramic layer formed is removed by the finishing (contour grinding turbine wheel) and the balancing and the component is not protected at this point against corrosion and oxidation.
  • the ceramization of the turbine wheel 700 as a single part (without shaft 701 made of steel) could have the advantage that the foreign material of the shaft (for example, a steel alloy) does not adversely affect the oxidation result (see in particular also Figure 38 ).
  • the contacting of the turbine wheel 700 can take place at different locations.
  • a possible contacting of the component takes place in a bore 702 in the interior of the turbine wheel.
  • the bore 702 can be designed as a blind hole 702A or as a through hole.
  • blind hole 702 it should be noted that the hole does not have a negative influence on the strength of the component.
  • a similar contact also applies to a through hole.
  • the particular design of the hole can be introduced with a mechanical machining process (turning, milling, grinding, etc.).
  • the bore is already introduced during the production of the blank, for example by a casting method or by the MIM and EBM method.
  • a particularly good contact is ensured by an introduced into the bore or in the blind hole 702 anode member 703.
  • the oxidation of the turbine shell blank by the PEO process may be performed in a bath 705 using a suitable frame for placing the turbine wheel in the basin 705, a process tuned electrolyte 706, and a corresponding cathode 707 (eg, stainless steel or graphite).
  • the coating process can also take place in one cell - here, in contrast to the coating in the bath, the electrolyte is supplied to the component.
  • the component to be coated may be subjected to a pickling process prior to the actual coating process in order to improve the formation of oxide ceramics.
  • the oxidation of the impeller in the area of the turbine wheel by means of the PEO process can be carried out in a bath, using a suitable frame for placing the running tool in the pool, a process-matched electrolyte and a corresponding cathode (for example stainless steel or graphite).
  • the component to be coated (turbine wheel) can be subjected to a pickling process before the actual coating process in order to improve the formation of oxide ceramics.
  • One possibility is to add aluminum to the electrolyte used or to add silicon to it.
  • the component in an advantageous embodiment as a finished rotor blade made of a titanium alloy, is alitiert prior to ceramizing with a conventional method in the turbine wheel - it is coated with aluminum or A12O3 layer formers before ceramizing and then in the alit mandat area using PEO Process ceramifies to form a layer with A1203 excess.
  • the areas not to be coated (wave) must be masked during alitization as well as during ceramization, so that neither aluminum (alitiation) nor oxide ceramics (ceramizing) can form on these protected surfaces - for example by a rubber / plastic seal - Or kept away from the electrolyte by deliberate immersion in the Kerammaschinesbad.
  • the turbine wheel of a turbocharger rotor is made of a TNM alloy (cf. FIG. 10 ).
  • a titanium aluminide powder of a TNM alloy is first prepared by atomizing and provided for selective laser melting.
  • Selective Laser Melting see also FIG. 7
  • a turbine wheel is then produced from the atomized powder according to a topology-optimized design. This design can be obtained by means of an algorithm for topology or structure optimization.
  • the real load collective is assumed in a FEM simulation, a cavity in the component core is deposited under certain boundary conditions in the algorithm, and the original design of the turbine wheel is modified while removing material until a weight-optimized Design is achieved with an inner cavity (see. FIGS. 11 and 12 ).
  • This design is implemented by means of selective laser melting with a general allowance of 0.1 mm near the final contour (near-net-shape) in the form of the component.
  • the component is sized with a suitable tool for electrochemical machining in a suitable plant, that is, the allowance is removed to form a high surface quality and so the final contour is produced (see Figure 8).
  • the component is cleaned and rinsed and without another activation step, such as pickling, for example, in a device according to FIG. 20 given.
  • the already assembled rotor group consisting of a steel shaft and the attached titanium aluminide turbine wheel is immersed in the electrolyte tank only just below the joint of the rotor, so that the steel shaft does not come into contact with the electrolyte.
  • an aluminum oxide-rich protective layer (cf. FIG. 27 ) generated on the component. Due to the protective layer produced, a closed aluminum oxide layer is already formed in the insert after a short time (cf. FIG. 25 ), which better protects the weight-optimized turbine wheel against particle and droplet impact from the hot exhaust gas and against oxidation compared to an untreated turbine wheel.
  • a titanium aluminide component of a GE 48-2-2 alloy is treated according to the method described above by means of plasma electrolytic oxidation.
  • the electrolyte may be composed as described above.
  • a bipolar square-wave pattern controlled at an RMS voltage value of XX is applied at a frequency of 6 Hz, so that there are two components for each electrode alternately sets a positive and then a negative current value based on the applied voltage.
  • a titanium aluminide component made of a TNM alloy is treated according to the method described above by means of plasma electrolytic oxidation.
  • a component as a component and a stainless steel blank as a counter electrode in the electrolyte hung and connected to the power source.
  • the component electrode is in this case partially covered by an insulating tape such that the covered area is present both in the electrolyte and outside thereof (cf. FIG. 21 ).
  • the electrolyte may be composed as described above and has, in particular, halides as suggested above.
  • a bipolar sawtooth pattern with a frequency of 2.5 kHz is applied for 15 minutes in such a way that the current remains constant in the electrically positive (anodic) region of the bipolar pattern and in the negative region the voltage remains constant at a suitable peak value of XX A resp XXV.
  • energy is removed from the process via a heat exchanger.
  • the electrolyte is circulated via a pumping section and the resulting process gases via a suction device derived over the basin.
  • a compressor wheel for an exhaust gas turbocharger made of a 45 XD alloy comprising 45 at.%, 47 at.% Aluminum, 2 at.% Niobium, 2 at.% Manganese and 0.8 at.% TiB 2 is prepared according to the method described above treated plasma electrolytic oxidation.
  • two identical parts each as a component and as a counter electrode is completely hung in the electrolyte and connected to the power source.
  • the electrolyte may be composed as described above.
  • a sinusoidal alternating current with a frequency of 1.5 Hz is applied for 150 minutes such that the regulated current value increases from the beginning to the end of the process from 0 A to a suitable RMS value of XX A, ie passes through a ramp.
  • the sinusoidal current is shifted by an equally ramped DC component (offset) such that the minimum current value in each period is always equal to zero and never becomes negative.
  • offset an equally ramped DC component
  • energy is extracted from the process via a heat exchanger.
  • the electrolyte is circulated via a pumping section and the resulting process gases are discharged via a suction device above the basin.
  • the result is a thick, rough and alumina-rich protective layer with a thickness of 250 .mu.m to 280 .mu.m , which has a significantly lower tendency to oxidation than the untreated reference and due to their thickness good wear protection against particle or droplet impact.

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Description

  • Die Erfindung betrifft einerseits ein Bauteil für eine einen Verdichter und eine Turbine umfassenden Turboeinrichtung, mit einem zumindest teilweise aus einer Titan-Aluminium-Legierung bestehenden Bauteilkörper, bei welchem die Titan-Aluminium-Legierung einen Titananteil von 40 at.-% bis 60 at.-% sowie einen Aluminium-Anteil von 5 at.-% bis 50 at.-% aufweist, wobei das Bauteil an seiner Bauteiloberfläche zumindest teilweise eine mittels einer Plasma-Elektrolytische-Oxidation (PEO) erzeugte Schutzschicht aufweist, wobei das Bauteil eine erste Materialausnehmung aufweist, welche eine Lagerbohrung ausgestaltet, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil wenigstens eine weitere Materialaussparung aufweist, welche einen innerhalb des Bauteilkörpers liegenden Hohlraum ausgestaltet, um die zu beschleunigenden Massen des Bauteils zu reduzieren, wobei eine die wenigstens eine weitere Materialaussparung begrenzende Oberfläche des Bauteils zumindest teilweise eine mittels der Plasma-Elektrolytische-Oxidation (PEO) erzeugte Schutzschicht aufweist.
  • Die Erfindung betrifft ferner eine Brennkraftmaschine mit einer Turbineneinrichtung, welche einen Verdichter und eine Turbine umfasst.
  • Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Verfahren zum Herstellen eines Turboeinrichtungs-Bauteils, insbesondere eines Bauteils einer einen Verdichter und eine Turbine umfassenden Turboeinrichtung, aus einer Titan-Aluminium-Legierung mit einem Titan-Anteil von 40 at.-% und bis 60 at.-% sowie mit einem Aluminium-Anteil von 5 at.-% bis 50 at.-% oder aus einer Titan-Aluminium-Legierung mit einem Titan-Anteil von 40 at.-% bis 55 at.-% sowie mit einem Aluminium-Anteil von 35 at.-% bis 50 at.-%, bei welchem an dem Turboeinrichtungs-Bauteil eine Aluminiumoxid haltige Schutzschicht erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, dass diese Aluminiumoxid haltige Schutzschicht an einer durch eine Hinterschneidung des Turbineneinrichtungs-Bauteils verdeckten Oberfläche des Turbineneinrichtungs-Bauteils erzeugt wird.
  • Gattungsgemäße Bauteile sind aus dem Stand der Technik bereits bekannt.
  • Beispielsweise ist aus der DE 10 2008 059 617 A1 ein Abgasturbolader einer Brennkraftmaschine bekannt, welcher in Form eines Rotors bzw. eines rotierenden Laufradteils ein Verdichterrad und ein Turbinenrad umfasst, welche über eine Welle drehfest miteinander verbunden sind. Das Turbinenrad ist hierbei aus einem Titanaluminid, also einer speziellen Titan-Aluminium-Legierung, ausgeführt. Hierdurch wird erzielt, dass der Rotor vergleichsweise preiswert herstellbar ist, was besonders wünschenswert ist, da es sich bei einem derartigen Rotor um ein Massenprodukt handelt. Nachteilig hierbei ist es jedoch, dass Titanaluminide oberhalb von ca. 750 °C jedoch eine mit erhöhter Temperatur zunehmende Oberflächenoxidation aufweist, welche was wiederum oftmals zu frühzeitigem Materialversagen führt.
  • Diese geringe Oxidationsbeständigkeit, aber auch das Bestreben sowohl den Verschleißals auch den Korrosionsschutz (z. B. Heißgaskorrosion) zu verbessern sowie die elektrische und thermische Widerstandsfähigkeit dieser Werkstoffklasse zu erhöhen, haben zu zahlreichen Bemühungen geführt, Oberflächen von Bauteilen aus Titanaluminiden durch geeignete Oberflächenbehandlungsverfahren zu schützen.
  • In diesem Zusammenhang haben insbesondere wissenschaftliche Untersuchungen gezeigt, dass eine Oxidbildung bei erhöhten Temperaturen zu einer komplexen Mischoxidschicht führt, welche im Wesentlichen aus Aluminiumoxid, Titanoxid, Nitriden, verschiedenen Aluminiumoxidausscheidungen und intermetallischen Phasen besteht.
  • Um eine solche nachteilige Oxidbildung zu vermeiden bzw. abzumildern, sind aus dem Stand der Technik bereits Methoden bekannt, mittels welchen es mehr oder weniger gut gelingt, die Oxidationsbeständigkeit von Bauteilen zu erhöhen. Hierbei wird im Wesentlichen die Strategie verfolgt, eine Aktivität von unter erhöhten Temperaturen schnell wachsenden Oxiden, wie etwa dem Titanoxid, zu hemmen, während zugleich die Aktivität bzw. das Vorkommen langsam wachsender Oxide, wie insbesondere dem Aluminiumoxid, an der unmittelbaren Grenzfläche von Bauteil zu umgebenden Medium, also der Bauteiloberfläche, vorzugsweise erhöht werden soll.
  • Hierbei kann im Wesentlichen zwischen drei Arten zum Oberflächen- und insbesondere Oxidationsschutz unterschieden werden, nämlich den Oberflächen- insbesondere Oxidationsschutz durch Auftragsschichten (Typ 1), Diffusionsschichten (Typ 2) und Halogeneffekt-Schichten (Typ 3).
  • Bei den Auftragsschichten (Typ 1) wird das Schichtmaterial im Rahmen eines Beschichtungsvorgangs auf der Substrat- bzw. Bauteiloberfläche abgeschieden. Der hierbei erzeugte Schichtverbund haftet, z. B. durch mechanische Verklammerung, durch Adhäsionskräfte oder durch Diffusionsbereiche bei kombinierter Wärmebehandlung.
  • Hingegen werden Diffusionsschichten (Typ 2) durch eine Anreicherung verschiedener Elemente in der Oberflächenrandzone des Bauteils bei erhöhten Temperaturen ausgebildet. Die hierfür vorgesehenen Stoffe diffundieren in das Substrat bzw. Bauteil, sodass eine in der Regel dünne, graduelle Randzone mit einer vom Substrat abweichenden Zusammensetzung herbeigeführt werden kann.
  • Der dritte Typ unterscheidet sich hiervon konzeptionell stark und nutzt den sogenannten Halogeneffekt (Typ 3). Bei derartigen Halogeneffekt-Schichten werden der Oberfläche des Substrats bzw. des Bauteils bei Temperaturen kleiner der Einsatztemperatur Halogenide zugesetzt. Durch einen selektiven Aluminium-Transport über die Gasphase (Halogeneffekt) bildet sich dann während des eigentlichen Einsatzes des betreffenden Bauteils oder durch eine vorgeschaltete Wärmebehandlung eine dünne Aluminiumoxidschicht mit guter Diffusionssperrwirkung aus, wodurch ein guter Oxidationsschutz an dem Bauteil bereitgestellt werden kann.
  • Die meisten der bisher verwendeten Methoden bzw. Verfahren zum Erzeugen derartiger Schichtsysteme sind jedoch sehr teuer, weil derartige Methoden bzw. Verfahren einen relativ hohen Automatisierungsgrad, eine Vakuumanwendung, einen hohen Energieeintrag oder dergleichen erfordern.
  • Ferner weisen viele dieser Schichtsysteme eine für die Anwendung unzulängliche Qualität auf, welche sich z. B. in Form von Abplatzungen während thermischer Zyklen etwa aufgrund mangelnder Schichthaftung oder in Form einer geringen Abriebsfestigkeit oder ähnlichem bemerkbar machen.
  • Beispielsweise wurden im Rahmen des öffentlich geförderten Projekts "Oxidationsschutzschichten für TiAl" (DFG BO 1979/13-2, 01.01.2012-31.12.2012) Spritzschichten zum Oxidationsschutz von Titanaluminid entwickelt und getestet. Hierbei hat sich allerdings nachteilig gezeigt, dass solche Spritzschichten aufgrund ihrer hohen Schichtdicke und mittelmäßigen Schichthaftung zum Abplatzen neigen, insbesondere bei zyklischer thermischer Last. Ein weiterer Nachteil sind der prozessbedingt hohe Energieeintrag und die notwendige Automatisierung des Spritzkopfes, welche insbesondere die Anwendung bei geometrisch komplexen Teilen erschwert.
  • Aus der Offenlegungsschrift DE 10 2012 002 284 A1 ist auch ein aus einem Titanaluminid hergestelltes Turbinenrad bekannt, auf oder in dessen Oberfläche ein Halogenid insbesondere aus der Gruppe Fluor, Chlor oder Brom auf- bzw. eingebracht wird, und auf dessen Oberfläche eine Oxidschicht durch den zuvor beschriebenen Halogeneffekt im Rahmen einer Wärmebehandlung ausgebildet wird. Für ein derartiges Auf- bzw. Einbringen von Halogenen wird z. B. eine Ionenimplantation genutzt.
  • Im methodenübergreifenden Vergleich ist die Ionenimplantation eines der effektivsten Verfahren, um die Oxidationsbeständigkeit der Titanaluminide zu steigern. Allerdings ist eine derartige Ionenimplantation ein konstruktiv sehr aufwändiges und teures Verfahren. Um eine gleiche bzw. eine vergleichbare Effektivität wie hinsichtlich der Ionenimplantation zu erreichen, aber die Prozesskosten zu verringern, wurden Verfahren entwickelt, bei denen Halogene durch einen Tausch- oder Pulverpackprozess zunächst auf die Oberfläche aufgebracht werden und erst anschließend, oder wie beim Pulverpacken in der Regel gleichzeitig, durch eine thermische Behandlung in der Randzone angereichert werden. Beide Methoden bieten die Möglichkeit der Behandlung von komplexen Oberflächen und sind vergleichsweise zudem noch kostengünstiger zu bewerkstelligen.
  • So konnten z. B. bei ersten Versuchen in einem Flüssigphasentauchprozess mit verdünnter HF-Lösung bereits ähnliche positive Ergebnisse wie an implantierten Proben erzielt werden. Allerdings wurde bisher nur der grundsätzliche Nachweis einer Erhöhung der Oxidationsbeständigkeit anhand der Bildung einer Aluminiumoxidschicht erbracht.
  • Nachteilig bei Tauch- und Pulverpackprozessen ist allerdings die aufwändige Wahl geeigneter Parameter sowie die Prozesskontrolle. Um einen positiven Effekt auf die Oxidationsbeständigkeit zu erzielen, müssen sich die Halogenidkonzentrationen in einem relativ genau definierten Bereich bewegen. Ist die Halogenkonzentration zu niedrig, wird der schützende Aluminimoxidfilm nicht vollständig aufgebaut, während eine Überkonzentration die allgemeine Korrosionsbeständigkeit eines Titanaluminid-Bauteils nachteilig herabsetzen kann.
  • Darüber hinaus besitzen alle Methoden bzw. Verfahren, welche auf dem Halogeneffekt basieren, den Nachteil, dass die ausgebildeten Aluminiumoxidfilme nur sehr dünn sind und neben einer begrenzten Verbesserung der Korrosionsbeständig weder einen guten Verschleißschutz bieten noch einen größeren Einfluss auf eine elektrische oder thermische Isolation des Titanaluminid-Bauteils bewirken.
  • Jedoch durch den Wettbewerbsdruck im Allgemeinen sowie im Speziellen durch die Anforderungen der überwiegend mittelständig geprägten Industrie, welche sich mit der Herstellung, der Weiterverarbeitung oder nur allgemein mit Produkten aus Titanaluminiden beschäftigt, werden jedoch Schichtsysteme gefordert, welche den Anforderungen der Einsatzgebiete hinsichtlich eines Oxidationsschutzes, Korrosionsschutzes, Verschleißschutzes, einer thermischen oder elektrischen Isolierung, einer thermischen Beständigkeit, einer Schichthaftfestigkeit uvm. gerecht werden und gleichzeitig kostengünstig realisierbar sind.
  • Eine Möglichkeit derartige Schutzschichten gemäß diesen Anforderungen realisieren zu können, ist durch sogenannte Konversionsschichten (Typ 4) gefunden worden, durch welche die vorstehend genannten drei Arten hinsichtlich Typ 1, Typ 2 und Typ 3 ergänzt sind, wobei dieser Typ 4 in der Wissenschaft und industriellen Umsetzung bisher nahezu unberücksichtigt geblieben ist.
  • Bei diesen Konversionsschichten wird im Gegensatz zu den Auftragsschichten eine dünne bis dicke Schutzschicht durch eine Reaktion der das Bauteil umgebenden Atmosphäre, wie z. B. ein Fluid, insbesondere ein Gas, mit dem Substrat bzw. mit dem Bauteilmaterial ausgebildet. Dies bedeutet, dass kein zusätzliches Material auf der Oberfläche abgeschieden sondern das Material im Bereich der Oberfläche an sich umgewandelt wird (Konversion).
  • In einer leitfähigen Flüssigkeit beispielsweise kann der vorgesehene Bildungsmechanismus auch durch einen elektrischen Stromfluss initiiert werden. Auf diese Weise können dicke und somit technisch nutzbare Schutzschichten wie bei den Auftragsschichten (Typ 1) ausgebildet werden, welche im Gegensatz zu diesen durch den graduellen Übergang zwischen Substrat und Konversionsschicht jedoch eine deutlich höhere Schichthaftung aufweisen und ferner unabhängig von der zum Teil komplexen Kontur des Bauteils sind.
  • Im Gegensatz zu Diffusions- und Halogeneffektschichten (Typ 2 bzw. Typ 3) sind Konversionsschichten bei vergleichbarem Oxidationsschutz kostengünstiger und dicker, wodurch zusätzlich ein Verschleiß- bzw. Korrosionsschutz und unter Umständen eine gewisse elektrische oder thermische Isolationswirkung gegeben ist.
  • In diesem Zusammenhang ist aus der DE 10 2012 218 666 A1 eines der wenigen Beispiele für eine solche Konversionsschicht zum Oberflächenschutz eines Bauteils aus Titanaluminid bekannt. In der DE 10 2012 218 666 A1 wird ein Titanaluminid-Bauteil, insbesondere ein Turbinenrad eines Turboladers, einer elektrochemischen Anodisation unterworfen, welche eine Aluminiumoxid haltige Schutzschicht aufbaut, so dass das Bauteil gut vor Oxidation geschützt ist. Weiterhin ist dort darauf verwiesen, dass dieses Bauteil gemäß der vorherigen Beschreibung hinsichtlich solcher Konversionsschichten auch vor schädlichen und unerwünschten Angriffen der Umgebungsbedingungen geschützt wird.
  • Obwohl durch die elektrochemische Anodisation eine technisch nutzbare Schicht bereitgestellt wird, welche im Gegensatz zu den bisher genannten Methoden bzw. Verfahren nicht nur kostengünstig ist, sondern darüber hinaus neben dem Oxidations- und Verschleißschutz noch weitere positive Eigenschaften aufweist, verbleiben die für dieses Verfahren üblichen Limitierungen. Ein Nachteil solcher Anodisationsschichten ist beispielsweise, dass die hierdurch entsprechend hergestellte Schicht verfahrensbedingt einen hohen Porenanteil aufweist. Insofern kann selbst unter optimalen Verfahrensparametern ein nur begrenzter Oxidationsschutz realisiert werden, welcher in der Regel den effektivsten Methoden, wie beispielsweise Ionenimplantation, deutlich unterlegen ist. Des Weiteren kann im Rahmen der Anodisation ein nur begrenzter Verschleiß- und Korrosionsschutz hergestellt werden. Einer der größten Nachteile liegt jedoch in einem kritischen Aufbrechen und einem begrenzten Ausbilden der Anodisationsschicht insbesondere im Bereich von Kanten und spitzen Übergängen, was oftmals dazu führt, dass gerade an kritischen Bauteilstellen ein ausreichend guter Oxidationsschutz nicht gegeben ist.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, gattungsgemäße Bauteile bzw. Verfahren zum Herstellen diesbezüglicher Bauteile weiterzuentwickeln, um wenigstens die vorstehend genannten Nachteile zu überwinden.
  • Ferner liegt der Erfindung die spezielle Aufgabe zugrunde, selbst kompliziert bauende Bauteile, welche durch Hinterschneidungen verdeckt liegende Hohlräumen, die sich von Lagerbohrungen unterschieden, aufweisen, zuverlässig beschichten zu können, um eine ausreichende Schutzschicht selbst hinter solchen Hinterschneidungen erzeugen zu können.
  • Die Aufgabe der Erfindung wird einerseits durch ein Bauteil für eine einen Verdichter und eine Turbine umfassenden Turboeinrichtung, mit einem zumindest teilweise aus einer Titan-Aluminium-Legierung bestehenden Bauteilkörper gelöst, bei welchem die Titan-Aluminium-Legierung einen Titan-Anteil von 40 at.-% bis 60 at.-% sowie einen Aluminium-Anteil von 5 at.-% bis 50 at.-% aufweist, wobei das Bauteil an seiner Bauteiloberfläche zumindest teilweise eine mittels einer Plasma-Elektrolytische-Oxidation (PEO) erzeugte Schutzschicht aufweist, wobei das Bauteil eine erste Materialausnehmung aufweist, welche eine Lagerbohrung ausgestaltet, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil wenigstens eine weitere Materialaussparung aufweist, welche einen innerhalb des Bauteilkörpers liegenden Hohlraum ausgestaltet, um die zu beschleunigenden Massen des Bauteils zu reduzieren, wobei eine die wenigstens eine weitere Materialaussparung begrenzende Oberfläche des Bauteils zumindest teilweise eine mittels der Plasma-Elektrolytische-Oxidation (PEO) erzeugte Schutzschicht aufweist.
  • Bauteile aus einer Titan-Aluminium-Legierung können mittels der durch Plasma-Elektrolytischer-Oxidation erzeugten Schutzschicht besonders vorteilhaft mit einer Oxidationssperre im Sinne der Erfindung geschützt werden.
  • Der Verfahrensablauf einer Plasma-Elektrolytischen-Oxidation, im Nachfolgenden auch nur kurz "PEO" genannt, ist im Wesentlich aus dem Stand der Technik bekannt.
  • Die im Sinne der Erfindung mittels der Plasma-Elektrolytischen-Oxidation erzeugte Schutzschicht erfüllt in hervorragender Weise zumindest die wichtigsten Anforderungen hinsichtlich eines Oxidationsschutzes, Korrosionsschutzes, Verschleißschutzes, einer thermischen oder elektrischen Isolierung, einer thermischen Beständigkeit, einer Schichthaftfestigkeit oder dergleichen an auch einer Titan-Aluminium-Legierung hergestellten Bauteilen.
  • Bei der vorliegenden Schicht kann es sich insbesondere um eine Oxidkeramik-Schicht handeln, welche durch eine entsprechende Umwandlung des Grundwerkstoffes erzeugt wird.
  • Vorteilhafterweise können mittels der vorliegenden Schutzschicht selbst Oberflächen mit einer äußerst filigranen und/oder komplexen Geometrie gefinisht werden, so dass eine Nach- bzw. Endbearbeitung nicht weiter erforderlich ist.
  • Die hier genannten Zahlenangaben "von bis" schließen den jeweils genannten oberen und unteren Grenzwert mit ein.
  • Der Begriff "Titan-Aluminium-Legierung" oder auch synonym hierzu "Aluminium-Titan-Legierung" zeichnet sich insbesondere durch die vorstehend beschriebenen Titan- und Aluminium-Anteile aus, wobei insbesondere auch der Werkstoff Titanaluminid hierdurch erfasst ist. Titanaluminide sind aus dem Stand der Technik vielfältig bekannt, so dass diese an dieser Stelle nicht weiter erläutert sind.
  • Der Begriff "Turboeinrichtung" beschreibt im Sinne der Erfindung insbesondere unterschiedliche Arten von Turboladern, wie beispielsweise einen Abgasturbolader, wobei sich derartige Turbolader dadurch auszeichnen, dass sie einen Verdichter und eine Turbine umfassen. Gattungsgemäße Turboeinrichtungen sind aus dem Stand der Technik vielfältig bekannt, sodass vorliegend auf deren Aufbau und Funktionsweise nicht näher eingegangen ist.
  • Dementsprechend erfasst der vorliegende Begriff "Bauteil" unterschiedlichste feststehende sowie bewegliche Bauteile bzw. Komponenten einer derartigen Turboeinrichtung, die später noch detaillierter gezeigt ist.
  • Die Aufgabe der Erfindung wird andererseits von einem Verfahren zum Herstellen eines Turboeinrichtungs-Bauteils, insbesondere eines Bauteils einer einen Verdichter und eine Turbine umfassenden Turboeinrichtung nach einem der hier beschriebenen Merkmale, aus einer Titan-Aluminium-Legierung mit einem Titan-Anteil von 40 at.-% bis 60 at.-% sowie mit einem Aluminium-Anteil von 5 at.-% bis 50 at.-% oder aus einer Titan-Aluminium-Legierung mit einem Titan-Anteil von 40 at.-% bis 55 at.-% sowie mit einem Aluminium-Anteil von 35 at.-% bis 50 at.-% gelöst, bei welchem an dem Turboeinrichtungs-Bauteil eine Aluminiumoxid haltige Schutzschicht erzeugt wird, wobei sich das Verfahren dadurch auszeichnet, dass diese Aluminiumoxid haltige Schutzschicht mittels einer Plasma-Elektrolytischer-Oxidation (PEO) erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, dass diese Aluminiumoxid haltige Schutzschicht an einer durch eine Hinterschneidung des Turbineneinrichtungs-Bauteils verdeckten Oberfläche des Turbineneinrichtungs-Bauteils erzeugt wird.
  • Durch das vorgeschlagene Verfahren können insbesondere thermisch hoch belastete Bauteile einer Turboeinrichtung verfahrenstechnisch äußerst einfach und preiswert durch eine geeignete Schutzschicht geschützt werden.
  • Vorteilhafterweise wird im Sinne der Erfindung zur Erzeugung einer derartigen Schutzschicht, insbesondere einer Oxid haltigen Schutzschicht, also einer hervorragenden Oxidationssperre, auf bzw. an einem Bauteil aus einer Titan-Aluminium-Legierung ein Plasmaprozess in einem leitfähigen Medium genutzt.
  • Das aus einer Titan-Aluminium-Legierung hergestellte Bauteil kann auch nur partiell durch eine hervorragende Oxidationssperre geschützt werden, wobei die hier im Sinne der Erfindung erzeugte Schutzschicht zudem besonders kostengünstig an dem Bauteil erzeugt werden kann.
  • Als Titanaluminid ist im Sinne der Erfindung insbesondere eine Titan-Aluminium- bzw. Aluminium-Titan-Legierung zu verstehen, welche zumindest Titan und Aluminium in folgender prozentualer Menge in Atomprozent (at.-%) aufweist, wobei Titan insbesondere in einem Bereich von ≥ 38 at.-% bis ≤ 59 at.-% sowie Aluminium auch in einem Bereich von ≥ 35 at.-% bis ≤ 50 at.-% in dem Bauteilmaterial angereicht sein können.
  • Das vorliegende Verfahren kann bei entsprechender Anpassung der Prozessparameter und gegebenenfalls einer abgestimmten Vorbehandlung auch auf eine Titan-, Magnesium- sowie eine Gamma-Titanaluminid-Legierung angewendet werden.
  • Ferner können Bereiche des Bauteils, welche nicht durch die vorliegende Schutzschicht behandelt werden sollen, während der Verfahrensdurchführung durch eine entsprechend ausgebildete Maskierung geschützt werden.
  • Durch geeignet gewählte Prozessparameter kann ein Schichtwachstum temporär derart gesteuert bzw. geregelt werden, dass unterschiedliche, aber auch gleiche Schichtdicken an dem Bauteil erzeugt werden können.
  • Durch die vorliegende mittels einer Plasma-Elektrolytischen Oxidation (PEO) erzeugte Schutzschicht können insbesondere dynamisch schnell rotierende Bauteile, wie sie bei einer Turboeinrichtung verwendet sind, aus einem Titanaluminid betriebssicher eingesetzt werden, wodurch diese dynamisch rotierenden Bauteile hinsichtlich ihres Gewichts auch besonders leicht ausgestaltet sein können. Somit weisen derart mit gewichtsmäßig optimierten, dynamisch schnell rotierenden Bauteilen ausgestattete Turboeinrichtungen ein signifikant verbessertes Ansprechverhalten aus, wodurch wiederum hiermit ausgerüstete Brennkraftmaschinen vorteilhafter betrieben werden können.
  • Insofern wird die Aufgabe der Erfindung auch von einer Brennkraftmaschine mit einer Turboeinrichtung gelöst, welche einen Verdichter und eine Turbine umfasst, wobei sich die Brennkraftmaschine dadurch gekennzeichnet, dass die Turboeinrichtung wenigstens ein Bauteil nach einem der hier beschriebenen Merkmale aufweist, da derart ausgerüstete Brennkraftmaschinen effektiver arbeiten.
  • Speziell in dem vorstehend genannten Zusammenhang wird die Aufgabe der Erfindung ferner von einem Bauteil einer einen Verdichter und eine Turbine umfassenden Turboeinrichtung, mit einem zumindest teilweise aus einer Titan-Aluminium-Legierung bestehenden Bauteilkörper, mit einer eine Lagerbohrung ausgestaltenden ersten Materialausnehmung, welche sich mit ihrer Längserstreckung in Axialrichtung entlang einer Rotationsachse des Bauteils erstreckt, gelöst, wobei das Bauteil wenigstens eine von der die Lagerbohrung ausgestaltende erste Materialausnehmung verschiedene weitere Materialaussparung aufweist, welche einen innerhalb des Bauteilkörpers liegenden Hohlraum ausgestaltet, um die zu beschleunigenden Massen des Bauteils zu reduzieren.
  • Durch einen derartigen zusätzlich erzeugten Hohlraum kann eine weitere Gewichtsreduzierung an dem Bauteil erzielt werden.
  • Diese Bauteil kann selbst bei geometrisch anspruchsvoll ausgestalteten Hohlräumen insbesondere dort eine sehr gute Oxidationssperre erhalten, wenn eine die wenigstens eine weitere Materialaussparung begrenzende Oberfläche des Bauteils zumindest teilweise eine mittels eines Plasma-Elektrolytischer-Oxidation (PEO) erzeugte Schutzschicht aufweist.
  • Insbesondere ein derartiges Bauteil, welches beispielsweise als dynamisch beanspruchtes Laufrad, wie z. B. ein Verdichter- oder Turbinenlaufrad, ausgestaltet ist, kann durch die vorliegende Schutzschicht besonders einfach hergestellt und vor einer kritischen Oxidation geschützt werden.
  • Dies trifft insbesondere dann zu, wenn dieses Bauteil zumindest teilweise aus einem Titanaluminid besteht und als dynamisch beanspruchtes Bauteil etwa einem Heißgasstrom, wie beispielsweise einem Abgasstrom, einer Brennkraftmaschine ausgesetzt ist.
  • Speziell in diesem Zusammenhang ist es vorteilhaft, wenn die Titan-Aluminium-Legierung einen Titan-Anteil von 40 at.-% bis 55 at.-% sowie einen Aluminium-Anteil von 35 at.-% bis 50 at.-% aufweist.
  • Eine derartige Titan-Aluminium-Legierung gestaltet ein Titanaluminid aus, welches sich insbesondere für dynamisch beanspruchte bzw. rotationsdynamisch bewegte Bauteile einer Turboeinrichtung eignen, da sie ein besonders leicht bauendes bewegtes Bauteil der Turboeinrichtung ermöglichen.
  • An dieser Stelle sei explizit darauf hingewiesen, dass die Aufgabe der Erfindung im Speziellen von einem Bauteil einer einen Verdichter und eine Turbine umfassenden Turboeinrichtung, mit einem zumindest teilweise aus einer Titan-Aluminium-Legierung bestehenden Bauteilkörper, mit einer eine Lagerbohrung ausgestaltenden ersten Materialausnehmung, welche sich mit ihrer Längserstreckung in Axialrichtung entlang einer Rotationsachse des Bauteils erstreckt, und mit wenigstens einer weiteren Materialaussparung, welche von der die Lagerbohrung ausgestaltende Materialausnehmung verschieden ist, gelöst, wobei sich dieses Bauteil explizit dadurch gekennzeichnet, dass eine die wenigstens eine weitere Materialaussparung begrenzende Oberfläche des Bauteils zumindest teilweise eine mittels eines Plasma-Elektrolytischer-Oxidation (PEO) erzeugte Schutzschicht aufweist.
  • Bevorzugt weist die Titan-Aluminium-Legierung dieses Bauteils einen Titan-Anteil von 40 at.-% bis 55 at.-% sowie einen Aluminium-Anteil von 35 at.-% bis 50 at.-% auf.
  • Durch die Gewichtseinsparung gegenüber bisherigen Hochtemperaturwerkstoffen ermöglicht der Einsatz von Titanaluminiden sowohl eine Steigerung des Wirkungsgrades in der jeweiligen Anwendung als auch das Potenzial zur Energieeinsparung und damit zur Reduzierung der Umweltbelastung.
  • Insofern ist es vorteilhaft, wenn das Bauteil ein rotierendes Laufradteil des Verdichters und/oder der Turbine der Turbineneinrichtung umfasst, wobei das Bauteil in einem beliebigen Querschnitt entlang seiner Rotationsachse mindestens 65% oder 80 % von Konturelemente dessen Bauteils symmetrisch zu der Rotationsachse des Bauteils ausgestaltet sind.
  • Wie bereits erwähnt, sind insbesondere für die Anwendung von dynamisch bewegten Bauteilen bzw. Komponenten der Turboeinrichtung bei erhöhten Temperaturen, das heißt Temperaturen von ≥ 300 °C, leichte und oxidationsbeständige Bauteile erforderlich.
  • Speziell Titanaluminide haben in zahlreichen technischen Anwendungen das Potenzial aufgrund ihrer geringen Dichte von ca. 3,8 g/cm3 und aufgrund guter mechanischer Eigenschaften bei Temperaturen von 450 °C bis 950 °C etwa Superlegierungen, wie Nickel-Basis-Legierungen (Dichte 8,19 g/cm3) und andere warmfeste Werkstoffe, als Hochtemperaturwerkstoffe abzulösen.
  • Mögliche Anwendungen sind, insbesondere aufgrund der geringen Massenträgheit und der Hochtemperatureignung dieser Werkstoffe, besonders bewegte Teile mit hoher Leistungsdichte, wie insbesondere Turbinenschaufeln in Triebwerken oder Gaskraftwerken, Motorventile, Thermoschutzbleche, Heißgasventilatoren oder Turbinen- oder Verdichterräder in Turboladern.
  • Insbesondere hinsichtlich moderner Verbrennungsmotoren bzw. Brennkraftmaschinen, wie z. B. Diesel- oder Ottomotoren, werden speziell Abgasturbolader immer häufiger eingesetzt.
  • Als Werkstoffe für diese Anwendungen kommen nur wenige warmfeste Hochtemperaturwerkstoffe in Frage, insbesondere aber Nickel-Basis-Legierungen.
  • Durch gezielte Weiterentwicklungen der Titanaluminide erreichen diese selbst bei erhöhten Temperaturen mittlerweile vergleichbare mechanische Eigenschaften wie manche bekannte Nickel-Basis-Legierungen.
  • Erfreulicherweise ergibt sich durch die erheblich geringere Dichte der Titanaluminide ein hohes Potenzial zur Gewichtseinsparung und Effizienzsteigerung sowie zur Verringerung des Schadstoffausstoßes, insbesondere hinsichtlich derartiger Abgasturbolader.
  • Es versteht sich, dass das vorliegende Bauteil unterschiedlich hergestellt werden kann.
  • Beispielsweise ist es vorteilhaft, wenn das Bauteil entweder durch ein Gussverfahren, insbesondere Feinguss, oder pulvermetallurgisch, insbesondere durch ein Metallpulver-Spritzgießen oder durch ein generatives Produktionsverfahren, insbesondere durch Elektronenstrahlsintern oder durch Selektiv-Laser-Melting bevorzugt in Endkontur oder zumindest endkonturnah hergestellt wird.
  • Bevorzugt umfasst die Oberfläche des vorliegenden Bauteils teilweise oder vollständig eine Oxid haltige Schutzschicht, welche mittels Plasma-Elektrolytischer-Oxidation erzeugt ist.
  • Besonders präzise kann das vorliegende Bauteil hergestellt werden, wenn die Endkontur durch Funkenerosion (EDM) oder durch eine elektrochemische Bearbeitung (ECM) hergestellt ist.
  • Insbesondere dadurch, dass das Bauteil wenigstens eine von der die Lagerbohrung ausgestaltende erste Materialausnehmung verschiedene weitere Materialaussparung aufweist, welche einen innerhalb des Bauteilkörpers liegenden Hohlraum ausgestaltet, können insbesondere zu beschleunigende Massen an dem Bauteil signifikant reduziert werden. Da hierbei während der Beschleunigung des Bauteil weniger Massenträgheitsmomente überwunden werden müssen, erhält auch die Turboeinrichtung insgesamt ein besseres Ansprechverhalten.
  • Eine bevorzugte Ausführungsvariante sieht in diesem Zusammenhang vor, dass die wenigstens eine weitere Materialaussparung bezogen auf die Rotationsachse des Bauteils radial weiter außen angeordnet ist als die die Lagerbohrung ausgestaltende erste Materialausnehmung. Hierdurch können besonders günstig platzierte Hohlräume innerhalb des Bauteils bzw. seines Bauteilkörpers vorgesehen werden.
  • Zweckmäßig ist es auch, wenn die wenigstens eine weitere Materialaussparung axial auf gleicher Höhe wie die die Lagerbohrung ausgestaltende erste Materialausnehmung angeordnet ist.
  • Zweckmäßig ist es weiter, wenn die wenigstens eine weitere Materialaussparung ein Hohlraum des Bauteils ist, welcher von einer Schaufelelementen abgewandten Seite des Bauteils zugänglich ist. Hierdurch gelingt es besonders gut, eine mittels einer Plasma-Elektrolytischer-Oxidation erzeugte Schutzschicht innerhalb des Bauteils zu erzeugen, sodass die gesamte Oberfläche des Bauteils bzw. seines Bauteilkörpers, welche den innenliegenden Hohlraum begrenzt, mittels einer Oxidationssperre geschützt werden kann.
  • Die von den Schaufelelementen abgewandten Seite des Bauteils beschreibt hierbei die Rückseite des Bauteils, wobei die Vorderseite des Bauteils die Schaufelelemente eines Laufradteils eines Verdichters oder einer Turbine umfassen.
  • Eine andere bevorzugte Ausführungsvariante sieht vor, dass die wenigstens eine weitere Materialaussparung ein Hohlraum des Bauteils ist, welcher in Axialrichtung durch eine Hinterschneidung des Bauteilkörpers, insbesondere von einem an dem Bauteilkörper aufgehängten Nabenteil, zumindest teilweise verdeckt ist. Hierdurch kann eine besonders hohe Materialeinsparung und somit auch eine hohe Gewichtsreduzierung an dem Bauteil erzielt werden.
  • Vorteilhafterweise können mittels der vorliegenden Plasma-Elektrolytischen-Oxidation selbst an schwer zugänglichen Oberflächenbereiche des Bauteils eine Schutzschicht, insbesondere eine Aluminiumoxid haltigen Schutzschicht erzeugt werden, wobei diese Oberflächenbereiche von außen betrachtet von Hinterschneidungen des Bauteils abgedeckt sind.
  • Insofern sieht eine vorteilhafte Verfahrensvariante auch vor, dass diese Aluminiumoxid haltigen Schutzschicht an einer durch eine Hinterschneidung des Turbineneinrichtungs-Bauteils verdeckten Oberfläche des Turbineneinrichtungs-Bauteils erzeugt wird.
  • Das Bauteil kann besonders gewichtsreduziert hergestellt werden, wenn die wenigstens eine weitere Materialaussparung ein Hohlraum des Bauteils ist, welche die Rotationsachse des Bauteils zumindest teilweise durchquert.
  • Es versteht sich des Weiteren, dass die vorliegende Titan-Aluminium-Legierung beziehungsweise insbesondere das Titanaluminid je nach Anwendungsbereich des Bauteils unterschiedlich legiert sein kann.
  • Insofern kann insbesondere eine günstige Titanaluminid-Legierung neben anderen Elementen des Periodensystems und beliebigen Verunreinigungen in einer jeweiligen Häufigkeit von ≤ 1 at.-% eines oder auch mehrere der folgenden Legierungselemente aufweisen.
  • Beispielsweise kann die Titan-Aluminium-Legierung Niob, Tantal, Wolfram, Zirkonium und/oder Molybdän mit jeweils einem Anteil von mehr als 0 at.-% bis 11 at.-% aufweisen.
  • Kumulativ oder alternativ kann in die Titan-Aluminium-Legierung Eisen, Chrom, Vanadium und/oder Mangan mit jeweils einem Anteil von mehr als 0 at.-% bis 4 at.-% aufweisen.
  • Darüber hinaus kann die Titan-Aluminium-Legierung kumulativ oder alternativ Bor oder Kohlenstoff oder Silizium mit jeweils einem Anteil von mehr als 0 at.-% bis 1 at.-% aufweisen.
  • Hierbei entspricht die Summe der im Bauteil vorhandenen Bestandteile einer Menge von ≤ 100 at.-%, wobei die vorgenannten Verbindungen innerhalb der vorgenannten Grenzen in beliebigen Kombinationen und jeweils zumindest teilweise gemeinsam vorliegen können.
  • Durch ein Erzeugen einer derartigen Alumiumoxid haltigen Schutzschicht kann insbesondere bei einem Bauteil aus Titanaluminid verhindert werden, dass sich, wie es sich für Titanaluminide im Rahmen einer thermischen Last insbesondere bei hohem Titangehalt bzw. niedrigem Aluminiumgehalt von etwa unterhalb 50 at.-% bzw. von 42 at.-% bekannt ist, ein zu großer Anteil an Titanoxid auf der Oberfläche bilden.
  • Dies kann besonders von Vorteil sein, weil beispielsweise Mischoxidschichten mit einem zu großem Anteil von Titandioxid nicht oder nur begrenzt diffusions- bzw. gasdicht sind, wobei das Bauteil hierbei nicht wirksam abgeschirmt werden kann.
  • Aus diesem Grund sind sowohl die sich bei erhöhter Temperatur selbst ausbildenden Oxidschichten, als auch durch einen Oberflächenbehandlungsschritt gebildete Schutzschichten mit hohem Anteil von solchen Oxiden, beispielsweise Titandioxid, nicht sehr oxidationsbeständig.
  • In der Folge kann beispielsweise eine Oxidation des eigentlich durch die Schutzschicht zu schützenden Bauteils voranschreiten, wodurch das Bauteil beschädigt oder sogar zerstört werden kann.
  • Aus dem zuvor Beschriebenen wird somit deutlich, dass eine insbesondere durch Aluminiumoxid angereicherte Schutzschicht in vielen Fälle von Vorteil sein kann.
  • Besonders vorteilhaft ist es, dass durch das der Erfindung zugrunde liegende Verfahren im Gegensatz zu allen zuvor vorgestellten Methoden bzw. Verfahren eine verhältnismäßig dünne bis dicke oxidhaltige Schutzschicht im Bereich von wenigen µm bis mehreren hundert µm auf einem Bauteil aus einer Titan-Aluminium-Legierung, insbesondere aus einem Titanaluminid, kostengünstig erzeugt werden kann. Und dies ist vorteilhafterweise auch nahezu unabhängig von der äußeren Geometrie des Bauteils möglich.
  • Jedenfalls weist die vorliegende oxidhaltige Schutzschicht aufgrund ihres Anteils an Aluminiumoxid eine gute Oxidationsbeständigkeit auf.
  • Ihr wohnt zugleich aber auch eine äußerst gute Verschleiß- und Korrosionsfestigkeit inne sowie die Möglichkeit zur thermischen oder elektrischen Isolation des Bauteils.
  • Beispielsweise kann die vorliegende Schutzschicht derart ausgeprägt sein, dass der Anteil an Aluminiumoxid ≥ 35 vol.-% beträgt.
  • In einem speziellen Anwendungsfall kann gemäß dem der Erfindung zugrunde liegenden Verfahren zunächst ein Bauteil bereitgestellt, welches mindestens teilweise aus einem Titanaluminid gemäß nachfolgender Beschreibung besteht:
    Titan in einem Bereich von größer oder gleich 40 at.-% bis kleiner oder gleich 55 at.-%, wobei Aluminium in einem Bereich von größer oder gleich 35 at.-% bis kleiner oder gleich 50 at.-% vorliegt, und wobei ferner Niob, Tantal, Wolfram, Zirkonium oder Molybdän in einem Bereich von jeweils größer oder gleich 0 at.-% bis kleiner oder gleich 11 at.-% sowie Eisen, Chrom, Vanadium oder Mangan in einem Bereich von jeweils größer oder gleich 0 at.-% bis kleiner oder gleich 4 at.-% sowie Bor oder Kohlenstoff oder Silizium in einem Bereich von jeweils größer oder gleich 0 at.-% bis kleiner oder gleich 1 at.-% vorliegen.
  • Die vorgenannten Verbindungen können hierbei innerhalb der vorgenannten Grenzen in beliebigen Kombinationen und jeweils auch zumindest teilweise gemeinsam vorliegen.
  • Die Herstellung derartiger Bauteile ist für den Fachmann an sich bekannt. Beispielsweise können derartige Bauteile, die vollständig oder teilweise aus Titanaluminid bestehen, etwa durch Gussverfahren, z.B. den Feinguss, oder pulvermetallurgisch, z.B. durch das Metallpulver-Spritzgießen (MIM), oder spanend, z.B. durch Fräsen oder Drehen, aus entsprechendem Halbzeugen hergestellt werden.
  • Es versteht sich, dass die mittels einer Plasma-Elektrolytischen-Oxidation an einem Bauteil erzeugte Schutzschicht vielfältiger Gestalt sein kann, wie hier erläutert ist.
  • Besonders vorteilhaft ist es, wenn die erzeugte Schutzschicht eine Oxidkeramik-Schicht, insbesondere eine Al2O3-Schicht, umfasst. Durch diese Oxidkeramik kann eine besonders gut funktionierende Oxidationssperre an dem vorliegenden Bauteil erzielt werden.
  • Darüber hinaus ist es vorteilhaft, wenn die durch die Umwandlung der Bauteiloberfläche entstehende Schutzschicht eine Dicke von 0,1 bis 300 µm, insbesondere 1 bis 10 µm, aufweist.
  • Neben dynamisch belasteten bzw. rotierenden Bauteilen ist es im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung auch vorteilhaft, wenn das Bauteil ein mediumdurchströmtes Bauteil des Verdichters und/oder der Turbine der Turboeinrichtung umfasst.
  • Beispielsweise handelt es sich bei einem zu beschichtenden Bauteil um ein von Abgasen, Kühlmitteln, Schmierstoffen durchströmtes Gehäuseteil, wie etwa ein wassergekühltes Turbinengehäuseteil oder ein Verdichtergehäuseteil. Auch derartige Bauteil können durch die vorliegende Schutzschicht vorteilhaft weiterentwickelt werden, wie insbesondere in der Figurenbeschreibung noch explizit erläutert ist.
  • Insbesondere im Hinblick auf ein Bauteil einer einen Verdichter und eine Turbine umfassenden Turboeinrichtung, wobei das Bauteil einen zumindest teilweise aus einer Titan-Aluminium-Legierung bestehenden Bauteilkörper aufweist, und die Titan-Aluminium-Legierung einen Titan-Anteil von 40 at.-% bis 60 at.-% sowie einen Aluminium-Anteil von 5 at.-% bis 50 at.-% aufweist, ist es vorteilhaft, wenn das Bauteil ein Medium durchströmtes Bauteil des Verdichters und/oder der Turbine der Turboeinrichtung umfasst, da auch ein derartiges Bauteil bzw. Medium durchströmtes Bauteil vorteilhaft durch eine mittels einer Plasma-Elektrolytischen-Oxidation erzeugten Schutzschicht geschützt und somit weiterentwickelt werden kann.
  • Ein das Bauteil durchströmendes Medium kann im Sinne der vorliegenden Erfindung etwa ein Abgas, ein Kühlmittel, ein Schmierstoff oder dergleichen sein.
  • Insbesondere kann es sich bei diesem Bauteil um ein von Abgasen, Kühlmitteln, Schmierstoffen oder dergleichen durchströmtes Gehäuseteil eines Verdichters oder einer Turbine einer entsprechend ausgestalteten Turboeinrichtung sein.
  • Speziell bei einem zylinderkopfintegrierten, wassergekühlten Integral-Turbinengehäuse eines Abgasturboladers kann die vorliegende Erfindung besonders vorteilhaft eingesetzt werden. Dies betrifft insbesondere das partielle Beschichten von strömungsführenden Innenquerschnitten eines entsprechend ausgebildeten Gehäuseteils wie z. B. abgasführende oder wasserführende Innenkanäle, welche von einem Turbinengehäuseteil einer Turboeinrichtung ausgestaltet sind.
  • Auch eine Beschichtung mittels Plasma-Elektrolytischer-Oxidation im Bereich von Planflächen eines Anbindungsflansches des Turbinengehäuseteils an ein Gehäuse einer Brennkraftmaschine ist vorteilhaft.
  • Darüber hinaus kann eine mittels einer Plasma-Elektrolytischen-Oxidation erzeugte Schutzschicht darüber hinaus auch hervorragend zur thermischen Isolierung herangezogen werden. Beispielsweise kann eine solche Schutzschicht zur Isolierung von Kühlwasserkanälen des Turbinengehäuses oder von Abgaskanälen des Turbinengehäuses verwendet werden.
  • Besonders vorteilhaft ist es, dass die vorliegende Schutzschicht besonders innig mit dem jeweiligen Bauteil wirkverbunden ist, was insbesondere bei thermisch hochbeanspruchten Bauteilen von Vorteil ist, da diese oftmals bereits im normalen Betrieb einer Turboeinrichtung einer elastischen Verformung ausgesetzt sind. Zudem können mit der vorliegenden Schutzschicht thermische Spannungen zwischen einem Grundwerkstoff und einer diesbezüglichen Schutzschicht vermieden werden, da die mittels eines Plasma-Elektrolytischen-Oxidation erzeugte Schutzschicht nahezu den gleichen Ausdehnungskoeffizient besitzt, wie die eigentliche Titan-Aluminium-Legierung, aus welcher das Bauteil hergestellt ist.
  • Insofern besteht zwischen dem Grundwerkstoff des Bauteils und der mittels einer Plasma-Elektrolytischen-Oxidation erzeugten Schutzschicht eine atomare Bindung, sodass ein unbeabsichtigtes vorzeitiges Lösen dieser Schutzschicht von dem Grundwerkstoff nahezu ausgeschlossen werden kann.
  • Hinsichtlich eines speziellen Anwendungsfalls in Bezug auf einen Abgasturbolader ist die vorliegende Schutzschicht dahingehend von Vorteil, dass weniger Wärmeenergie aus Abgasen über das Gehäuseteil in die Umgebung abgeführt wird, sodass hinter der Turboeinrichtung heißere Abgase zum Aufheizen des Katalysators zur Verfügung stehen, wodurch dieser wesentlich schneller seine optimale Betriebstemperatur erreichen kann.
  • Ferner ist es vorliegend besonders zweckmäßig, wenn das Bauteil ein Lagerteil, insbesondere Lagerteile einer Wellen-Naben-Verbindung, des Verdichters und/oder der Turbine der Turboeinrichtung umfasst. Beispielsweise können Oberflächen von Lagerkörpern mit der vorliegenden mittels einer Plasma-Elektrolytischen-Oxidation erzeugten Schutzschicht gegenüber einem mechanischen Verschleiß sehr gut geschützt werden.
  • Insofern ist es kumulativ oder alternativ vorteilhaft, wenn das Bauteil ein Lagerteil, insbesondere Lagerteile einer Wellen-Naben-Verbindung, des Verdichters und/oder der Turbine der Turboeinrichtung umfasst. Auch derartige Bauteile können durch die vorliegende Schicht vorteilhaft weiterentwickelt werden.
  • Nachfolgend sind eine Vielzahl an weiteren vorteilhaften Verfahrensvarianten hinsichtlich spezifischer Anwendungsfälle wie folgt beschrieben.
  • Eine diesbezügliche erste Verfahrensvariante sieht vor, dass ein benutztes Elektrolyt eine siliziumhaltige Verbindung als Elektrolytbasis im Mengenbereich von 0 - 300 g/L sowie Kaliumhydroxid (KOH), Wasserglas (Na2SiO3), Phosphorsäure (H3PO4), Natriumphosphat (Na3PO4), Flusssäure (HF), Ammoniumhydroxid (NH4OH), Borsäure (H3BO3), Schwefelsäure (H2SO4), Zirkoniumsulfat (ZrSO4), Zirkoniumwolframat (ZrWO4), Ammoniumfluorid (NH4F), Natriumhydrogenphosphat (NaH2PO4), Natriumfluorid Diammoniumhydrogenphosphat (NH4)2HPO4, Harnstoff (CH4N2O), Kaliumphosphat (K3PO4), Kaliumpyrophosphat (K4O7P2), Dikaliumphosphat (K2HPO4), Natriumaluminat (Na2A12O4 oder NaAl(OH)4), Natriummetaaluminat (NaAlO2), Natriumfluorid (NaF), Kaliumfluorid (KF) und Natriumhypophosphit (NaH2PO2) in jeglicher Kombination im Mengenbereich von jeweils 0 - 120 g/L, jedoch im Einzelnen geringer als die Elektrolytbasis, sowie Natriumborat (Na2B4O7), Ammoni-umhydrogendifluorid (NH4HF2), Kaliumfluorotitanat (K2TiF6), Kaliumhexafluoro-zirkonat (K2ZrF6), EDTA (C10H12CaN2Na2O8) und deren Salze, z.B. Dinatrium-ethylendiamintetraacetat (Na2H2EDTA), Tetranatrium-ethylendiamin-tetraacetat (Na4EDTA) oder Calcium-dinatrium-ethylendiamin-tetraacetat (CaNa2EDTA), Ammoniummetavanadat (NH4VO3), Dinatriummolybdad (Na2MoO4), Dinatrium-wolframat (Na2Wo4), Wasserstoffperoxid (H2O2), Zitronensäure (C6H8O7) sowie Glyzerin (C3H8O3) in jeglicher Kombination im Mengenbereich von jeweils 0 - 20 g/L, jedoch im Einzelnen geringer als die Elektrolytbasis, sowie Urotropin im Mengenbereich (0 - 400 g/L) aufweist.
  • Des Weiteren ist es vorteilhaft, wenn ein Halogenid-Ionen aufweisendes Elektrolyt verwendet wird.
  • Eine weitere Verfahrensvariante sieht vor, dass ein benutztes Elektrolyt eine phosphorhaltige Verbindung als Elektrolytbasis im Mengenbereich von 0 - 300 g/L sowie Kaliumhydroxid (KOH), Wasserglas (Na2SiO3), Phosphorsäure (H3PO4), Natriumphosphat (Na3PO4), Flusssäure (HF), Ammoniumhydroxid (NH4OH), Borsäure (H3BO3), Schwefelsäure (H2SO4), Zirkoniumsulfat (ZrSO4), Zirkoniumwolframat (ZrWO4), Ammoniumfluorid (NH4F), Natriumhydrogenphosphat (NaH2PO4), Natriumfluorid Diammoniumhydrogenphosphat (NH4)2HPO4, Harnstoff (CH4N2O), Kaliumphosphat (K3PO4), Kaliumpyrophosphat (K4O7P2), Dikaliumphosphat (K2HPO4), Natriumaluminat (Na2A12O4 oder NaAl(OH)4), Natriummetaaluminat (NaAlO2), Natri-umfluorid (NaF), Kaliumfluorid (KF) und Natriumhypophosphit (NaH2PO2) in jeglicher Kombination im Mengenbereich von jeweils 0 - 120 g/L, jedoch im Einzelnen geringer als die Elektrolytbasis, sowie Natriumborat (Na2B4O7), Ammoniumhydrogendifluorid (NH4HF2), Kaliumfluorotitanat (K2TiF6), Kaliumhexafluorozirkonat (K2ZrF6), EDTA (C10H12CaN2Na2O8) und deren Salze, z.B. Dinatrium-ethylendiamin-tetraacetat (Na2H2EDTA), Tetranatrium-ethylendiamin-tetraacetat (Na4EDTA) oder Calcium-dinatrium-ethylendiamin-tetraacetat (CaNa2EDTA), Ammoniummetavanadat (NH4VO3), Dinatriummolybdad (Na2MoO4), Dinatrium-wolframat (Na2Wo4), Wasserstoffperoxid (H2O2), Zitronensäure (C6H8O7) sowie Glyzerin (C3H8O3) in jeglicher Kombination im Mengenbereich von jeweils 0 - 20 g/L, jedoch im Einzelnen geringer als die Elektrolytbasis, sowie Urotropin im Mengenbereich (0 - 400 g/L) aufweist.
  • Darüber hinaus ist es vorteilhaft, wenn ein benutztes Elektrolyt eine aluminiumhaltige Verbindung als Elektrolytbasis im Mengenbereich von 0 - 300 g/L sowie Kalium-hydroxid (KOH), Wasserglas (Na2SiO3), Phosphorsäure (H3PO4), Natriumphosphat (Na3PO4), Flusssäure (HF), Ammoniumhydroxid (NH4OH), Borsäure (H3BO3), Schwefelsäure (H2SO4), Zirkoniumsulfat (ZrSO4), Zirkoniumwolframat (ZrWO4), Ammoniumfluorid (NH4F), Natriumhydrogenphosphat (NaH2PO4), Natriumfluorid Diammoniumhydrogenphosphat (NH4)2HPO4, Harnstoff (CH4N2O), Kaliumphosphat (K3PO4), Kaliumpyrophosphat (K4O7P2), Dikaliumphosphat (K2HPO4), Natriumaluminat (Na2A12O4 oder NaAl(OH)4), Natriummetaaluminat (NaAlO2), Natri-umfluorid (NaF), Kaliumfluorid (KF) und Natriumhypophosphit (NaH2PO2) in jeglicher Kombination im Mengenbereich von jeweils 0 - 120 g/L, jedoch im Einzelnen geringer als die Elektrolytbasis, sowie Natriumborat (Na2B4O7), Ammoni-umhydrogendifluorid (NH4HF2), Kaliumfluorotitanat (K2TiF6), Kaliumhexafluoro-zirkonat (K2ZrF6), EDTA (C10H12CaN2Na2O8) und deren Salze, z.B. Dinatrium-ethylendiamin-tetraacetat (Na2H2EDTA), Tetranatrium-ethylendiamin-tetraacetat (Na4EDTA) oder Calcium-dinatrium-ethylendiamin-tetraacetat (CaNa2EDTA), Ammoniummetavanadat (NH4VO3), Dinatriummolybdad (Na2MoO4), Dinatrium-wolframat (Na2Wo4), Wasserstoffperoxid (H2O2), Zitronensäure (C6H8O7) sowie Glyzerin (C3H8O3) in jeglicher Kombination im Mengenbereich von jeweils 0 - 20 g/L, jedoch im Einzelnen geringer als die Elektrolytbasis, sowie Urotropin im Mengenbereich (0 - 400 g/L) aufweist.
  • Eine andere vorteilhafte Verfahrensvariante sieht vor, dass ein benutztes Elektrolyt eine zirkonium- oder schwefelhaltige Verbindung als Elektrolytbasis im Mengenbereich von 0 - 300 g/L sowie Kaliumhydroxid (KOH), Wasserglas (Na2SiO3), Phosphorsäure (H3PO4), Natriumphosphat (Na3PO4), Flusssäure (HF), Ammoniumhydroxid (NH4OH), Borsäure (H3BO3),Schwefelsäure (H2SO4), Zirkoniumsulfat (ZrSO4), Zirkoniumwolframat (ZrWO4), Ammoniumfluorid (NH4F), Natriumhydrogenphosphat (NaH2PO4), Natriumfluorid Diammoniumhydrogenphosphat (NH4)2HPO4, Harnstoff (CH4N2O), Kaliumphosphat (K3PO4), Kaliumpyrophosphat (K4O7P2), Dikaliumphosphat (K2HPO4), Natriumaluminat (Na2A12O4 oder NaAl(OH)4), Natriummetaaluminat (NaAlO2), Natriumfluorid (NaF), Kaliumfluorid (KF) und Natriumhypophosphit (NaH2PO2) in jeglicher Kombination im Mengenbereich von jeweils 0 - 120 g/L, jedoch im Einzelnen geringer als die Elektrolytbasis, sowie Natrium-borat (Na2B4O7), Ammoniumhydrogendifluorid (NH4HF2), Kaliumfluorotitanat (K2TiF6), Kaliumhexafluorozirkonat (K2ZrF6), EDTA (C10H12CaN2Na2O8) und deren Salze, z.B. Dinatrium-ethylendiamin-tetraacetat (Na2H2EDTA), Tetranatrium-ethylendiamin-tetraacetat (Na4EDTA) oder Calcium-dinatrium-ethylendiamin-tetraacetat (CaNa2EDTA), Ammoniummetavanadat (NH4VO3), Dinatriummolybdad (Na2MoO4), Dinatriumwolframat (Na2Wo4), Wasserstoffperoxid (H2O2), Zitronensäure (C6H8O7) sowie Glyzerin (C3H8O3) in jeglicher Kombination im Mengen-bereich von jeweils 0 - 20 g/L, jedoch im Einzelnen geringer als die Elektrolytbasis, sowie Urotropin im Mengenbereich (0 - 400 g/L) aufweist.
  • Ferner ist es vorteilhaft, wenn zur Umwandlung der Bauteiloberfläche eine konstante oder zeitlich alternierender Gleichstrom im Bereich von 0,1 mA bis 250 A, insbesondere 10 mA bis 120 A oder eine Gleichspannung im Bereich von 10 bis 1200 V, insbesondere von 80 V bis 800 V oder eine Gleich-leistung im Bereich von 1 mW bis 300 kW, insbesondere 8 mW bis 96 kW genutzt wird.
  • Darüber hinaus ist es vorteilhaft; wenn zur Umwandlung der Bauteiloberfläche ein strom-, spannungs- oder leistungsgeregeltes, uni- oder bipolares Pulssignal in der Form eines Rechtecks, eines Sägezahns, eines Trapezes oder einer Halbwelle oder einer Überlagerung dieser mit einem Effektiv- oder Peakwert von 10 bis 1200 V, insbesondere zwischen 80 und 800 V, in spannungsgeregelten Segmenten sowie von 0,1 mA bis 250 A, insbesondere 10 mA bis 120 A, in stromgeregelten Segmenten sowie von 1 mW und 300 kW, insbesondere zwischen 8 mW und 96 kW, in leistungsgeregelten Segmenten mit zeitlich variablen Frequenzen im Bereich von 0,01 Hz bis 100 kHz, insbesondere von 0,1 Hz bis 10 kHz, genutzt wird.
  • Zudem ist zweckmäßig, wenn zur Umwandlung der Bauteiloberfläche ein strom-, spannungs- oder leistungsgeregeltes, ideales oder verformtes Sinussignal mit beliebigem Offset Effektiv- oder Peakwert von 10 bis 1200 V, insbesondere zwischen 80 und 800 V, in spannungsgeregelten Segmenten sowie von 0,1 mA bis 250 A, insbesondere 10 mA bis 120 A, in stromgeregelten Segmenten sowie von 1 mW und 300 kW, insbesondere zwischen 8 mW und 96 kW, in leistungsgeregelten Segmenten mit zeitlich variablen Frequenzen im Bereich von 0,01 Hz bis 100 kHz, insbesondere von 0,1 Hz bis 10 kHz, genutzt wird.
  • Ebenso ist es vorteilhaft, wenn das zur Umwandlung der Bauteiloberfläche genutzte Elektrolyt einen Temperaturbereich von größer oder gleich 0°C bis kleiner oder gleich 100°C, insbesondere von größer oder gleich 0°C bis kleiner oder gleich 70 °C, aufweist. Es versteht sich, dass die Merkmale der vorstehend bzw. in den Ansprüchen beschriebenen Lösungen gegebenenfalls auch kombiniert werden können, um die vorliegend erzielbaren Vorteile und Effekte entsprechend kumuliert umsetzen zu können.
  • Weitere Merkmale, Effekte und Vorteile vorliegender Erfindung werden anhand anliegender Zeichnung und nachfolgender Beschreibung erläutert, in welchen beispielhaft Bauteile einer einen Verdichter und einer Turbine umfassenden Turboeinrichtung mit einer mittels einer Plasma-Elektrolytischen-Oxidation, kurz PEO, erzeugten Oxidationssperrschicht sowie Methoden zu dessen Herstellung dargestellt und beschrieben sind.
  • Komponenten, welche in den einzelnen Figuren wenigstens im Wesentlichen hinsichtlich ihrer Funktion übereinstimmen, können hierbei mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet sein, wobei die Komponenten nicht in allen Figuren beziffert und erläutert sein müssen.
  • In der Zeichnung zeigen:
    • Figur 1
    schematisch Ansichten von bekannten Schutzschichten, wobei diese hinsichtlich der eingangs erläuterten Klassifizierung in drei Typen unterteilt sind, nämlich Typ 1 Auftragsschicht, Typ 2 Diffusionsschicht und Typ 3 Halogeneffekt-Schicht;
    Figur 2
    schematisch die eingangs bereits erwähnte Erweiterung bzgl. der vorgeschlagenen Klassifizierung der in der Figur 1 gezeigten Typen 1 bis 3 um den weiteren Typ 4 der Konversionsschicht, wobei zu diesem Typ 4 beispielsweise die Anodisation und das diesbezügliche Verfahren zählt;
    Figur 3
    schematisch eine tabellarische Übersicht an verschiedenen Methoden bzw. Verfahren, welche für einen Oxidationsschutz von Titanaluminiden in Frage kommen und wissenschaftlich untersucht wurden, wobei gemäß der tabellarischen Übersicht ersichtlich ist, dass Konversionsschichten (Typ 4) gemäß der Darstellung nach der Figur 2, wie etwa die Anodisation oder die Plasma-Elektrolytische Oxidation, hierin nicht enthalten sind;
    Figur 4
    schematisch eine Ansicht einer mittels Transmissionsrasterelektronenmikroskopie (TEM) erstellten Aufnahme einer Anodisationsschicht auf einem Aluminium-Bauteil;
    Figur 5
    schematisch eine Ansicht einer mittels Rasterelektronenmikroskopie (REM) erstellten Aufnahme einer Plasma-Elektrolytischen-Oxidschicht auf einem Aluminium-Bauteil nach dem hier beschriebenen Verfahren;
    Figur 6
    schematisch eine Ansicht einer Oberfläche eines Turbinenrades für einen Turbolader nach einer spanenden Bearbeitung;
    Figur 7
    schematisch eine Ansicht eines möglichen Verfahrensablaufs eines Selectiv Laser Meltings;
    Figur 8
    schematisch eine Ansicht einer Oberfläche eines Turbinenrades für einen Turbolader nach elektrochemischer Bearbeitung (ECM);
    Figur 9
    schematisch eine Querschnittsansicht eines ersten Bauteils mit einer durch eine PEO erzeugten Schutzschicht in Gestalt eines ersten Turbinenrades;
    Figur 10
    schematisch eine perspektivische Vorderansicht eines weiteren Turbinenrades;
    Figur 11
    schematisch eine Querschnittsansicht eines weiteren Turbinenrades;
    Figur 12
    schematisch eine weitere Schnittansicht des in der Figur 11 gezeigten Turbinenrades ;
    Figur 13
    schematisch eine Querschnittsansicht eines weiteren Turbinenrades;
    Figur 14
    schematisch eine Querschnittsansicht eines Bauteils in Gestalt eines weiteren Turbinenrades ohne eine durch eine PEO erzeugte Schutzschicht;
    Figur 15
    schematisch eine perspektivische Rückansicht des in der Figur 11 gezeigten Bauteils;
    Figur 16
    schematisch eine Querschnittsansicht eines Bauteils mit Hohlräumen in Gestalt eines weiteren Turbinenrades, deren Oberflächen eine durch eine PEO erzeugte Schutzschicht aufweisen;
    Figur 17
    schematisch eine perspektivische Rückansicht des in der Figur 13 gezeigten Bauteils;
    Figur 18
    schematisch eine Querschnittsansicht eines Bauteils mit Hohlräumen in Gestalt eines anderen Turbinenrades, welche durch eine PEO erzeugte Schutzschicht aufweisen;
    Figur 19
    schematisch eine perspektivische Rückansicht des in der Figur 15 gezeigten Bauteils;
    Figur 20
    schematisch eine erste mögliche Anordnung zum Erzeugen einer Schutzschicht durch eine Plasma-Elektrolytische-Oxidation (PEO) an wenigstens einem insbesondere der in den Figuren 9 bis 16 gezeigten Bauteilen;
    Figur 21
    schematisch eine Ansicht einer weiteren möglichen Anordnung zum Erzeugen einer Schutzschicht mittels einer Plasma-Elektrolytischen-Oxidation (PEO) an wenigstens einem der in den Figuren 9 bis 16 gezeigten Bauteilen;
    Figur 22
    schematisch eine Ansicht einer weiteren möglichen Anordnung zum Durchführen eines im Sinne der Erfindung ausgestalteten Verfahrens;
    Figur 23
    schematisch eine Ansicht einer weiteren möglichen Anordnung zum Erzeugen einer Schutzschicht;
    Figur 24
    schematisch eine Ansicht einer Oberfläche eines nach dem der Erfindung zugrunde liegenden Verfahren behandelten Bauteils aus einem Titanaluminid mittels Rasterelektronenmikroskopie (REM) in mittlerer und hoher Vergrößerung sowie das Spektrum einer Fläche in EDX-Analysen;
    Figur 25
    schematisch eine Ansicht der in der Figur 24 gezeigten Oberfläche nach einem Brennvorgang von 100 h bei 950 °C;
    Figur 26
    schematisch eine Ansicht eines Diagramms hinsichtlich einer prozentualen Gewichtszunahme von nach dem vorgeschriebenen Verfahren behandelten Proben gemäß Ausführungsbeispiel 2 bzw. Ausführungsbeispiel 3 aus einer TNM-Titanaluminid-Legierung und einer GE-Titanaluminid-Legierung bei einem Brennvorgang von 10 h bei 1000 °C;
    Figur 27
    schematisch eine Ansicht eines Diagramms zur Häufigkeitsverteilung der vorhandenen Elemente in einem EDX-Line-Scan entlang eines Querschnitts einer nach vorgeschriebenem Verfahren behandelten Titanaluminidoberfläche nach einem Brennvorgang von 10 h bei 1000 °C;
    Figur 28
    schematisch eine Seitenansicht eines Bauteils in Gestalt eines Lagerteils mit einer mittels einer Plasma-Elektrolytischen-Oxidation (PEO) erzeugten Schutzschicht;
    Figur 29
    schematisch eine perspektivische Ansicht des in der Figur 28 gezeigten Bauteils;
    Figur 30
    schematisch eine Oberflächenschicht des in den Figuren 28 und 29 gezeigten Bauteils im Querschliff mit einer Struktur, welche Reste von Beschichtungskanälen (Röhren, Pfeile) aufweist;
    Figur 31
    schematisch eine Ansicht einer Oberflächenschicht im Querschnitt mit einer geschlossenen Struktur (geschlossene Röhre), ähnliche einer Struktur, welche durch einen Diffusionsvorgang erzeugbar ist;
    Figur 32
    schematisch eine perspektivische und teilweise geschnittene Ansicht eines Verdichtergehäuses mit einer mittels einer Plasma-Elektrolytischen-Oxidation auf einer Innen- sowie Außenkontur des Verdichtergehäuses erzeugten Schutzschicht;
    Figur 33
    schematisch eine Schnittansicht eines Querschliffs des Verdichtergehäusematerials in einem unbeschichteten Zustand;
    Figur 34
    schematisch eine Schnittansicht eines Querschliffs des Verdichtergehäusematerials in einem beschichteten Zustand;
    Figur 35
    schematisch eine Schnittansicht eines Querschliffs des Verdichtergehäusematerials aus einem Druckguss in einem unbeschichteten Zustand;
    Figur 36
    schematisch eine Schnittansicht eines Querschliffs des Verdichtergehäusematerials aus der Figur 36 in einem beschichten Zustand;
    Figur 37
    schematisch eine Ansicht einer Tabelle hinsichtlich einer chemischen Zusammensetzung einer Gamma-Titanaluminid-Legierung;
    Figur 38
    schematisch eine Ansicht einer Beschichtungsmethode eines Turbinenrades;
    Figur 39
    schematisch eine Ansicht eines unbeschichteten Turbinenrades;
    Figur 40
    schematisch eine alternative Beschichtungsmethode des fertigen Bauteils in Gestalt des in der Figur 39 gezeigten Turbinenrades;
    Figur 41
    schematisch eine Ansicht des in den Figuren 38 bis 40 gezeigten Turbinenrades hinsichtlich einer daran ausgebildeten Oxidkeramikschicht;
    Figur 42
    schematisch eine perspektivische Vorderansicht des insbesondere in Figur 41 gezeigten Turbinenrades; und
    Figur 43
    schematisch eine perspektivische Rückansicht des insbesondere in den Figuren 41 und 42 gezeigten Turbinenrades.
  • Die in den Figuren 1 und 2 jeweils an einem Bauteil 1 gezeigten Schichtaufbauten 2, 3 und 4 (Figur 1) sowie 5 (Figur 2) betreffen bereits aus dem Stand der Technik bekannte Möglichkeiten einen Oberflächen- bzw. Oxidationsschutz an einem Bauteil insbesondere aus einer Titan-Aluminium-Legierung zu verwirklichen, wobei der Schichtaufbau 2 eine Auftragsschicht (Typ 1), der Schichtaufbau 3 eine Diffusionsschicht (Typ 2), der Schichtaufbau 4 eine Halogeneffekt-Schicht (Typ 3) und darüber hinaus der Schichtaufbau 5 eine Konversationsschicht (Typ 4) wiederspiegelt.
  • Während die in der Figur 1 gezeigten Schichtaufbauten 2, 3 und 4 im Wesentlichen durch eine Materialabscheidung an der Bauteiloberfläche erzeugt werden, wird der in der Figur 2 gezeigte Schichtaufbau 5 durch eine Umwandlung des Bauteilmaterials im Bereich seiner Oberfläche erzeugt, wodurch eine wesentlich innigere Bindung der Oberflächen- bzw. Oxidationsschutzschicht an dem diesbezüglichen Bauteil 1 zustande kommt.
  • Das in der Figur 3 zum Stand der Technik zusätzlich noch gezeigte Schemata 10 illustriert eine Übersicht zu wissenschaftlichen Untersuchungen zur Evaluation verschiedener Oberflächenbehandlungen zum Oxidationsschutz, wobei der in der Figur 2 gezeigte Typ 4 jedoch nicht aufgeführt ist, da dieser Typ 4 der Fachwelt bisher weniger interessant erschien.
  • Gemäß der Darstellung nach der Figur 4 ist an der dort gezeigten Aufnahme 14 eine für die Anodisation charakteristische und prozessbedingte hexagonale Wabenstruktur 15 erkennbar, in deren Mitte eine große in etwa runde Pore 16 liegt. Durch einen diesbezüglich ausgebildeten Porenkanal 17 finden während des Prozesses die zum Schichtaufbau benötigten Stofftransporte statt, sodass die Porosität einerseits unvermeidlich ist und zum anderen einen hohen Flächenanteil besitzt, und so im Vergleich zu plasmaelektrolytischen Oxidschichten eine schlechtere Korrosionsbeständigkeit aufweist.
  • Im Vergleich zu der in der Figur 4 gezeigten Aufnahme 14 zeigt die gemäß der Darstellung nach der Figur 5 illustrierte weitere Aufnahme 19, dass die Oberfläche 20 rauer und dicker ist. Des Weiteren ist ersichtlich, dass die vorhandene Porenstruktur 21, welche aufgrund der Plasmaentladungen während des Prozesses theoretisch ebenfalls unvermeidlich ist, einerseits ungeordnet ist und dass im Vergleich zur Anodisationsschicht (Figur 4) einen deutlich geringeren Flächenanteil ausmacht. Durch den Schichtaufbaumechanismus (Plasmaentladungen) und die geringere Porosität wird eine solche Schicht nicht nur härter und fester, sondern auch korrosions- bzw. oxidationsbeständiger.
  • Gemäß der Darstellung nach der Figur 6 ist die Oberfläche eines Turbinenrades für einen Turbolader nach spanender Bearbeitung gezeigt. Deutlich zu erkennen sind die fertigungsbedingten Geometrieabweichungen 3. Und 4. Ordnung, wie beispielsweise Rillen 25 bzw. Riefen, Schuppen und Kuppen 26.
  • Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann das Bauteil 1 durch ein generatives Verfahren, insbesondere durch das Elektronenstrahlsintern oder Selective Laser Melting hergestellt sein. Diese Verfahren sind erst seit kurzem verfügbar, da sich Titanaluminid-Pulver bislang durch generative Prozesse nicht verarbeiten lies. Erst durch die Temperierung des Pulvers, d.h. unter Nutzung einer Vorheizung, und unter Nutzung von Inertgasen oder Vakuum um u.a. die Oxidation des Pulvers zu vermeiden, können Risse und hohe Eigenspannungen durch thermische Gradienten und andere Nachteile vermieden und die notwendige Energie zum vollständigen Aufschmelzen der Pulverkörner durch den Elektronen- oder Laserstrahl bereitgestellt werden. Durch die Verwendung eines der vorgenannten Verfahren können die Bauteile in Endkontur oder endkonturnah (near-net-shape) hergestellt werden, sodass die Endkontur effizient und ressourcen- sowie materialsparend durch spanende, umformende, physikalische oder elektrochemische Prozesse nachbearbeitet werden kann, wie schemenhaft gemäß der Darstellung nach der Figur 7 gezeigt ist.
  • Mit der Figur 7 ist nunmehr auch der schematische Ablauf des Selective Laser Meltings gezeigt. Eingangsgrößen des Prozesses sind zum einen die zu realisierende Geometrie des Bauteils 1, als auch das Pulver 25, aus welchem das Bauteil 1 aufgebaut wird. Im ersten Schritt wird eine Bauteilplattform 26 mit Pulver 25 befüllt und anschließend mit einem Wischer 27 abgezogen, um eine gleichmäßige Oberfläche zu erzielen. Dann fährt ein Laser 74 die Bauteilkontur in der jeweiligen Bearbeitungsebene 75 ab und schmilzt die Pulverkörner entlang seines Weges auf, sodass sich diese zu einem Festkörper 76 verbinden. Danach senkt sich die gesamte Plattform um einen bestimmten Weg 77 ab und wird wieder bis zum Rand mit Pulver 25 aufgefüllt, sodass eine neue Ebene vom Laser 74 aufgebaut und mit dem Bauteil 1 verbunden werden kann. Dieser Kreislauf wiederholt sich solange, bis das gewünschte Werkstück von der untersten bis zur obersten Ebene aufgebaut wurde und das fertige Bauteil 1 verfügbar ist.
  • Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung weist das bereitgestellte Bauteil 1 eine Oberfläche auf, welche durch elektrochemische oder funkenerosive Bearbeitung in einem flüssigen Medium hergestellt wurde. Durch die Nachbearbeitung endkonturnaher Bauteile (near-net-shape), welche mit einem der vorgenannten Produktionsverfahren hergestellt wurden, wird mittels Funkenerosion (EDM) oder elektrochemischer Bearbeitung (ECM) die Endkontur des Bauteils effizient und ressourcen- sowie materialsparend hergestellt, wie gemäß der Darstellung nach der Figur 8 gezeigt ist.
  • Die mit der Figur 8 illustrierte Darstellung ist die Oberfläche eines Turbinenrades für einen Turbolader nach elektrochemischer Bearbeitung (ECM) gezeigt. Deutlich zu erkennen ist, dass fertigungsbedingte Geometrieabweichungen 80 der 3. bzw. 4. Ordnung wie bei den spanenden Verfahren kaum vorhanden sind. Stattdessen sind prozessbedingte Pittings 81 (Lochfraß) aufgrund des elektrochemischen Abtragmechanismus erkennbar. Durch diesen wird im Gegensatz zu den spanenden Verfahren die Produktivität nicht von der Spanbarkeit des Materials bestimmt. Da Titanaluminide sehr schwer spanend zu bearbeiten sind, weist das ECM-Verfahren eine höhere Produktivität und eine bessere erzielbare Oberflächenqualität als andere Bearbeitungsverfahren für Titanaluminide auf. Insbesondere endkonturnaher Bauteile (near-net-shape), welche beispielsweise mittel Selective Laser Melting hergestellt wurden, lassen sich somit äußerst effizient und ressourcen- sowie materialsparend herstellen.
  • Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung weist das bereitgestellte Bauteil 1 die Form eines für eine Rotationsbewegung konstruierten Laufrades 90, insbesondere eines Turbinen- oder Verdichterrades auf. Das heißt, es weist hinsichtlich der Konturelemente in der Querschnittsfläche entlang seiner Rotationsachse 91 überwiegend, beispielsweise zu 65% oder 80 % oder mehr, eine Achssymmetrie auf, wie gemäß der Darstellung nach Figur 9 gezeigt ist. Diese Darstellung zeigt einen Querschnitt eines Turbinenrades, z.B. für einen Turbolader. Konstruktionsbedingt weist das Turbinenrad hinsichtlich der Konturelemente in der Querschnittsfläche überwiegend eine Symmetrie auf. Die Symmetrieachse entspricht der Rotationsachse 91. Nicht symmetrische Elemente - hier bedingt durch die geschwungene Form der Schaufeln - werden durch einen Kasten 92 schematisch markiert.
  • Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung handelt es sich bei dem bereitgestellten Bauteil ferner um ein Turbinen- oder Verdichterrad eines Turboladers (Figur 10). Gemäß der Darstellung nach der Figur 10 ist schematisch eine mögliche Ausführung eines Turbinenrads für einen Turbolader gezeigt. Zu erkennen sind die zentrale Bohrung 101 zur Aufnahme einer Welle sowie die charakteristischen geschwungenen Schaufeln 102 zur Umwandlung der durch die Expansion des heißen Abgases rückgewonnenen Energie in eine Drehbewegung des Läufers (Läufer = Verbund aus Turbinenrad und Welle).
  • Das gemäß den Darstellungen nach den Figuren 11 und 12 ist schematisch ein Querschnitt einer weiteren möglichen Ausführung eines Turbinenrads für einen Turbolader gezeigt. In diesem Querschnitt sind die massiven Bereiche 131 und die Nabe in Form einer Innenbohrung 132 zur Aufnahme einer Stahlwelle (nicht dargestellt) zu erkennen. Das bereitgestellte Bauteil weist ein strukturoptimiertes Design in Form eines Hohlraums 133 im Bauteilkern auf, der rotationssymmetrisch zwischen Nabe und dem Schaufelansatz verläuft. Dieser Hohlraum 133 wird durch Durchbrüche 134 an der Unterseite bzw. Rückseite des Bauteils eröffnet, wobei Stege 135 im rechten Winkel stehen bleiben.
  • Gemäß der Darstellung nach der Figur 13 ist wieder schematisch ein Querschnitt einer weiteren möglichen Ausführung eines Turbinenrads für einen Turbolader gezeigt. Im Querschnitt sind die massiven Bereiche 141 und die Nabe in Form einer Innenbohrung 142 zur Aufnahme der Stahlwelle (nicht dargestellt) zu erkennen. Das bereitgestellte Bauteil weist ein strukturoptimiertes Design in Form von Hohlräumen 143 innerhalb der Schaufeln auf. Jede Schaufel weist eine kleine Bohrung 144 auf der Schaufelunterseite auf.
  • Im Rahmen dieser weiteren Ausgestaltungen weist das bereitgestellte Bauteil, insbesondere ein Turbinen- oder Verdichterrad, eine strukturoptimierte Form, insbesondere einen Hohlraum im Bauteilkern auf, der rotationssymmetrisch zwischen Nabe und dem Schaufelansatz (siehe auch Figuren 11 und 12) und oder innerhalb der Schaufeln verlauft (siehe insbesondere Figur 13) auf.
  • Dieser Hohlraum kann allgemein in verschiedenen Ebenen senkrecht zur Rotationsachse von Streben oder Materialinseln zur Versteifung und Stabilisierung des Bauteils durchbrochen werden.
  • Gemäß den Darstellungen nach den Figuren 14 und 15 ist ein weiteres Bauteil 301 in Gestalt eines Laufradteils 302 einer Turbine (nicht gezeigt) einer Turboeinrichtung (ebenfalls nicht gezeigt) illustriert. Das Bauteil 301 besitzt einen Bauteilkörper 303 aus einer Titan-Aluminium-Legierung, welche als Titanaluminid vorliegt.
  • Das Bauteil 301 besitzt eine Lagerbohrung 304 zum Aufnehmen eines Wellenteils (nicht gezeigt), wobei die Lagerbohrung 304 sich als eine entsprechend ausgebildete Materialausnehmung 305 mit ihrer Längserstreckung 306 in Axialrichtung 307 des Bauteils 301 erstreckt. Die Lagerbohrung 304 erstreckt insofern fluchtend und in Richtung einer Rotationsachse 308 des Bauteils 301.
  • Um das Bauteil 301 möglichst gewichtsoptimiert bereitstellen zu können, weist das Bauteil 301 zusätzliche Materialaussparungen 310 (nur exemplarisch beziffert) auf, welche innerhalb des Bauteilkörpers 303 bzw. des Bauteils 301 liegende Hohlräume 311 (nur exemplarisch beziffert) ausgestaltet.
  • Hierbei ist die Materialaussparung 310 bezogen auf die Rotationsachse 308 des Bauteils 301 radial weiter außen angeordnet als die Lagerbohrung 304.
  • Die Hohlräume 311 sind zumindest in diesem Ausführungsbeispiel von der Rückseite 312 des Bauteils 301 her offen und somit zugänglich, wobei die die Hohlräume 311 ausgestaltende Materialaussparung 310 durch unterschiedliche Verfahren in den Bauteilkörper 303 eingebracht werden können.
  • Insofern sind die Hohlräume 311 von der den Schaufelelementen 313 abgewandten Seite 314, nämlich der Rückseite 312, des Bauteils 301 zugänglich.
  • Insofern unterscheiden sich die hier gemeinte Materialaussparung 310 bzw. die diesbezüglichen Hohlräume 311 von Zwischenräumen 315, welche konstruktionsbedingt zwischen den einzelnen Schaufelelementen 313 angeordnet sind.
  • Jedenfalls ist mit diesen zusätzlich geschaffenen Hohlräumen 311 eine signifikante Gewichtsreduzierung an dem Bauteil 301 erzielt, wodurch das Ansprechverhalten einer Turboeinrichtung erheblich verbessert werden kann.
  • Das hier gezeigte Bauteil 301 ist nicht mit einer mittels einer Plasma-Elektrolytischen-Oxidation (PEO) erzeugten Schutzschicht versehen.
  • Gemäß den Darstellungen nach den Figuren 16 und 17 ist ein anderes Bauteil 401 ebenfalls in Gestalt eines Laufradteils 402 einer Turbine (nicht gezeigt) einer Turboeinrichtung (ebenfalls nicht gezeigt) illustriert. Das Bauteil 401 besitzt auch einen Bauteilkörper 403 aus einer Titan-Aluminium-Legierung, welche als Titanaluminid vorliegt.
  • Das Bauteil 401 besitzt eine Lagerbohrung 404 zum Aufnehmen eines Wellenteils (nicht gezeigt), wobei die Lagerbohrung 404 sich als eine entsprechend ausgebildete Materialausnehmung 405 mit ihrer Längserstreckung 406 in Axialrichtung 407 des Bauteils 401 erstreckt. Die Lagerbohrung 404 erstreckt insofern fluchtend und in Richtung einer Rotationsachse 408 des Bauteils 401.
  • Um auch dieses Bauteil 401 möglichst gewichtsoptimiert bereitstellen zu können, weist es zusätzliche Materialaussparungen 410 (nur exemplarisch beziffert) auf, welche innerhalb des Bauteilkörpers 403 des Bauteils 401 liegende Hohlräume 411 (nur exemplarisch beziffert) ausgestaltet.
  • Hierbei sind die Materialaussparungen 410 bezogen auf die Rotationsachse 408 des Bauteils 401 radial weiter außen angeordnet als die Lagerbohrung 404.
  • Die Hohlräume 411 sind zumindest in diesem Ausführungsbeispiel von der Rückseite 412 des Bauteils 401 her offen und somit zugänglich, wobei die die Hohlräume 411 ausgestaltende Materialaussparung 410 durch unterschiedliche Verfahren in den Bauteilkörper 403 eingebracht werden können.
  • Insofern sind die Hohlräume 411 von der den Schaufelelementen 413 abgewandten Seite 414, nämlich der Rückseite 412, des Bauteils 401 zugänglich.
  • Insofern unterscheiden sich die hier gemeinte Materialaussparung 410 bzw. die diesbezüglichen Hohlräume 411 von Zwischenräumen 415, welche konstruktionsbedingt zwischen den einzelnen Schaufelelementen 413 angeordnet sind.
  • Jedenfalls ist mit diesen zusätzlich geschaffenen Hohlräumen 411 eine signifikante Gewichtsreduzierung an dem Bauteil 401 erzielt, wodurch das Ansprechverhalten einer Turboeinrichtung erheblich verbessert werden kann.
  • Um das in den Figuren 16 und 17 gezeigte Bauteil 401 auch im Inneren, also im Bereich der Hohlräume 411 mit einer Oxidationssperre ausstatten zu können, sind die Oberflächen 420, welche die Hohlräume 411 begrenzen, durch eine mittels einer Plasma-Elektrolytischen-Oxidation (PEO) erzeugten Schutzschicht 421 versehen und somit vor unbeabsichtigten, kritischen Verschleißerscheinungen geschützt.
  • Trotzdem die Hohlräume 411 in Axialrichtung 407 durch von dem Bauteilkörper Hinterschneidungen 422 des Bauteilkörpers 403 zumindest teilweise verdeckt sind, können alle Bereiche der die Hohlräume 411 begrenzenden Oberflächen 420 durch eine mittels einer Plasma-Elektrolytischen-Oxidation (PEO) erzeugte Schutzschicht 421 geschützt werden.
  • Die Hinterschneidungen 422 sind in diesem Ausführungsbeispiel durch die Vielzahl an Querstreben 423 (nur exemplarisch beziffert) bedingt.
  • Bei dem gemäß den Darstellungen nach den Figuren 18 und 19 gezeigten Bauteil 450 handelt es sich ebenfalls um eine Laufradteil 402 einer Turbine (nicht gezeigt) einer Turboeinrichtung (ebenfalls nicht gezeigt), wobei das Bauteil 401 auch wieder einen Bauteilkörper 403 aus einer Titan-Aluminium-Legierung besitzt, welche als Titanaluminid vorliegt.
  • Um Wiederholungen zu vermeiden, werden nachfolgend nur die wesentlichen Unterschiede zwischen den beiden Bauteilen 401 (Figuren 16 und 17) und 450 (Figuren 18 und 19) erläutert. Ansonsten wird auf die Ausführungen zu dem Bauteil 401 verwiesen.
  • Das Bauteil 450 zeichnet sich zusätzlich zu den bereits hinsichtlich des Bauteils 401 beschriebenen Merkmalen noch dadurch aus, dass es ein Nabenteil 451 aufweist, welches in Gestalt einer Lagermanschette 452 ausgebildet ist. Das heißt mit anderen Worten, dass dieses Nabenteil 451 von dem Hauptbauteilkörper 453 des Bauteils 450 getrennt ist, und im Wesentlichen nur durch die Querstreben 423 mit dem Hauptbauteilkörper 453 verbunden ist.
  • Somit werden die Hinterschneidungen 422 nicht nur durch die einzelnen Querstreben 423 sondern auch durch das Nabenteil 451 gebildet.
  • Eine Besonderheit des Bauteils ist noch darin zu sehen, dass die Hohlräume 411 des Bauteils 450 in Axialrichtung 407 durch eine Hinterschneidung 422, welche durch das aufgehängte Nabenteil 451, zumindest teilweise verdeckt sind.
  • Dennoch gelingt es mittels der durch die Plasma-Elektrolytischen-Oxidation (PEO) erzeugten Schutzschicht 412 die Hohlräume 411 vollständig und lückenlos zu beschichten.
  • Die Materialaussparungen 410 bilden hierbei Hohlräume 411 des Bauteils 450 aus, welcher die Rotationsachse 408 des Bauteils 450 und damit auch Lagerbohrung 404 zumindest teilweise durchqueren.
  • Insbesondere Turbolader kommen mit dem heißen Abgas aus dem Verbrennungsraum einer Brennkraftmaschine in Berührung, weshalb berührende Komponenten aus Titanaluminid besonders einem oxidativen Angriff ausgesetzt sind. In der Regel werden die Turbinenräder aus Titanaluminid zusammen mit einer Stahlwelle zu einem sogenannten Läufer gefügt. Hier kann insbesondere das mit der Figur 20 nachfolgend beschriebene Verfahren von Vorteil sein, da auf dem Turbinenrad sowohl vor dem Fugen, als auch nach dem Fugen eine Schutzschicht ausgebildet werden kann. Im gefugten Zustand können die Läufer an der Welle befestigt und die Turbinenräder teilweise oder vollständig, insbesondere bis zu der Fügestelle von Stahlwelle und Turbinenrad, in einen Elektrolyt getaucht und durch den Anschluss an eine Leistungsquelle mit einem elektrischen Strom beaufschlagt werden, wie gemäß der Darstellung nach Figur 20 gezeigt ist. Dieser Darstellung ist insbesondere zu entnehmen, dass der Läufer aufweisend das an der Stahlwelle 111 befestigte Turbinenrad 112 aus Titanaluminid sowie eine simple rondenförmige Gegenelektrode 113 aus Edelstahl in das Elektrolytbecken 114 eingebracht wird. Der Läufer wird ferner nur teilweise, hier bis zu der Fügestelle von Stahlwelle 111 und Turbinenrad 112, in den Elektrolyt 115 getaucht, sodass die Stahlwelle 111 nicht in Berührung mit dem Elektrolyten 115 kommt, und ebenso wie die Gegenelektrode 113 mit der Leistungsquelle 116 wirkverbunden ist.
  • Gemäß der Darstellung nach der Figur 21 ist eine weitere mögliche Anordnung zur Erzeugung einer Schutzschicht nach dem vorbeschriebenen Verfahren beschrieben. Hierbei werden der Läufer aufweisend das an der Stahlwelle 121 befestigte Turbinenrad 123 aus Titanaluminid sowie eine simple rondenförmige Gegenelektrode 124 aus Edelstahl in das Elektrolytbecken 125 eingebracht. Der Läufer wird dabei fast vollständig in den Elektrolyt 126 getaucht, wobei die Stahlwelle 121 derart mit einem Isolierband abgedeckt wird, dass die Stahlwelle 121 nicht in Berührung mit dem Elektrolyten 126 kommt und noch über den Eintrittspunkt in den Elektrolyten 126 hinaus bedeckt ist. Die Bauteilelektrode wird ebenso wie die Gegenelektrode 124 mit der Leistungsquelle 127 verbunden.
  • Mittels der vorliegend beschriebenen Anordnungen kann auf einem Turbinenrad aus Titanaluminid eine geschlossene, insbesondere aluminiumoxidreiche Schutzschicht, im Sinne der vorliegenden Erfindung ausgebildet werden.
  • Alternativ kann die Fügestelle mit einem geeigneten Isolierungsmaterial, zum Beispiel einem Polymer, Abdeckfolie, Wachs, Klebeband oder ähnlichem Materialien abgedeckt werden, so dass das Bauteil mit der Stahlwelle bis zum Ende des abgedeckten Bereichs in den Elektrolyten getaucht ist.
  • In den meisten Fällen kann das Turbinenrad durch elektrische Kontaktierung der Stahlwelle als Elektrode genutzt werden.
  • Auf diese Weise wird auf dem Turbinenrad des Turboladers eine dichte und langlebige Schutzschicht ausgebildet, welche nicht nur verlässlich die Oxidationsbeständigkeit erhöht, sondern auch einen besseren Schutz gegen die sonst im Turbolader üblichen Schadenseinflüsse wie beispielsweise Korrosion, Tropfen- und Partikelschlag sowie Abrieb schützt.
  • Ferner werden fertigungsbedingte Störgrößen wie Geometrieabweichungen bei den spanenden Fertigungsverfahren oder Pittings- bzw. Ätzgrübchen wie beim ECM, oder die Randschicht wie sie nach der Funkenerosion vorliegt, durch die plasmaelektrolytische Umwandlung ausgebessert und die Oberfläche prozessbedingt homogenisiert, sodass ein zwischengeschalteter zusätzlicher Reinigungs- bzw. Aktivierungsprozess unter günstigen Umständen vermieden werden kann.
  • Ferner können auf diese Weise andere Verfahren zur Ausbildung einer oxidationsbeständigeren Aluminiumoxidschicht auf Titanaluminiden, zum Beispiel die Wärmebehandlung derartiger Werkstoffverbunde, welche Stahl umfassen, unter Erhitzung auf 800 bis 900 C für 12 bis 14 Stunden an Luft und somit negative Einflüsse auf den Vergütungszustand des Stahls und sowie auf das gesamte Bauteil vermieden werden.
  • Gemäß der Darstellung nach Figur 22 ist schematisch ein weiterer möglicher, vorteilhafter Aufbau zum Durchführen der vorliegend beschriebenen Verfahren gezeigt. Hierbei werden die Bauteilelektrode in Form eines quaderförmigen Bauteils 161 und die Gegenelektrode 162 in Form eines Rundstabs aus Edelstahl in den Elektrolyten 163 in einem geeigneten Elektrolytbecken 164 eingehängt und von diesem vollständig bedeckt. Die beiden Elektroden werden elektrisch mit einer Leistungsquelle 165 verbunden. Zur Entsorgung der entstehenden Prozessgase bzw. zur Temperierung des Beckens sind eine Absaugvorrichtung 166 sowie ein Wärmetauscher 167 vorgesehen.
  • Gemäß der Darstellung nach der Figur 23 ist schematisch eine weitere mögliche Anordnung zur Erzeugung einer Schutzschicht nach dem im Sinne der Erfindung vorgeschlagenen Verfahren gezeigt. Hierbei sind jeweils zwei Turbinenräder 171 und 172 zu einer Elektrode zusammengefasst und vollständig in den Elektrolyten 173 eingebracht, sodass Bauteilelektrode und Gegenelektrode die identische Form und Zusammensetzung (Titanaluminid) aufweisen.
  • Gemäß der Darstellung nach der Figur 24 ist die Oberfläche eines nach dem vorbeschriebenen Verfahren behandelten Titanaluminidbauteils mittels Rasterelektronenmikroskopie (REM) in mittlerer Vergrößerung 181 und hoher Vergrößerung 182 sowie das Spektrum einer flächigen EDX Analyse abgebildet. Es ist ersichtlich, dass insbesondere die Porendichte und der Porendurchmesser 183 auf der Titanaluminidoberfläche zum Beispiel im Vergleich zu einem ähnlich behandelten Aluminiumbauteil (vgl. auch Figur 5), verfahrensuntypisch gering bzw. klein sind. Weiterhin zeigt die EDX Analyse, dass sich auf der Oberfläche 184 erwartungsgemäß Mischoxide des Titans und des Aluminiums gebildet haben.
  • Gemäß der Darstellung nach der Figur 25 ist die Oberfläche eines nach dem vorbeschriebenen Verfahren behandelten Titanaluminidbauteils mittels Rasterelektronenmikroskopie (REM) wieder in mittlerer Vergrößerung 191 und hoher Vergrößerung 192 sowie das Spektrum einer flächigen EDX Analyse nach einem Brennvorgang von 100 Stunden bei 950°C. Es ist ersichtlich, dass sich die Morphologie der Oberfläche 193 verändert und sich eine geschlossene und im Vergleich zur thermisch unbelasteten Oberfläche (vgl. insbesondere Figur 24) eine aluminiumoxidreiche Grenzschicht 194 ausgebildet hat.
  • Gemäß der Darstellung nach der Figur 26 ist die prozentuale Gewichtszunahme von nach dem vorbeschriebenen Verfahren behandelten Proben 201 bzw. 202 gemäß den noch nachstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel 2 bzw. Ausführungsbeispiel 3 aus einer TNM-Titanaluminid-Legierung 203 und einer GE-Titanaluminid-Legierung 204 nach einem Brennvorgang von 10 Stunden bei 1000°C wiedergegeben. Es wird deutlich, dass beide behandelten Proben bei beiden Legierungen aufgrund der erzeugten Schutzschicht eine deutlich geringere Gewichtszunahme aufgrund von Oxidation aufzeigen, als die unbehandelte Referenz 205.
  • Gemäß der Darstellung nach der Figur 27 ist beispielhaft die Häufigkeitsverteilung der vorhandenen Elemente im EDX Line Scan entlang des Querschnitts einer nach vorbeschriebenem Verfahren behandelten Titanaluminidoberfläche nach einem Brennvorgang von 10 Stunden bei 1000°C gezeigt. Dabei markiert 211 die Oberfläche der ausgebildeten Schutzschicht und 214 das Interface zwischen Schutzschicht und Substrat der ca. 15 µm dicken Schicht. Es ist deutlich zu erkennen, dass sich zur Oberfläche des Bauteils hin eine Schutzschicht mit geringem Titanoxidoxidanteil 212 und hohem Aluminiumoxidanteil 213 ausgebildet hat.
  • An dieser Stelle sei noch angemerkt, dass zur Realisierung von i.d.R. komplexen Geometrien, häufig nur einer der vorgenannten Herstellungsprozesse, insbesondere der Feinguss, das Metallpulver-Spritzgießen (MIM), das Elektronenstrahl Sintern oder das Selective Laser Melting genutzt werden kann.
  • Um auf diesen spezifischen Bauteilen aus einem definierten Titanaluminid eine Schutzschicht aus Oxiden, insbesondere mit einem hohen Anteil an Aluminiumoxid zu erzeugen, wird das derart ausgestaltete Bauteil einer elektrochemischen Plasmabehandlung durch einen elektrischen Stromfluss in einem wässrigen Elektrolyten unterworfen. Dieser Prozess lauft zwar in einem flüssigen Medium ab, jedoch findet die eigentliche Konversion der Oberfläche, d. h. die elektrochemische Reaktion, im Rahmen kurzlebiger (ca. 1 µm), hochenergetischer (8000 K) Plasmaentladungen statt, welche die Oberfläche in allen mit dem Elektrolyten in Kontakt befindlichen Bereichen ab rastern. Ein solches Verfahren kann deshalb als plasmaelektrolytische Oxidation (PEO) bezeichnet werden. Im wissenschaftlichen Kontext werden für das angewendete Prinzip synonym auch die Begriffe Anodisation unter Funkenentladung (ANOF), Plasma-Anodisation oder Micro-Are Oxidation (MAO) verwendet.
  • Das vorbeschriebene Verfahren ist dabei kontrolliert durchführbar und weiterhin besonders geeignet, um Bauteile unabhängig von ihrer Geometrie und Größe verlässlich und vollständig oder teilweise mit einer Schutzschicht zu versehen.
  • Insbesondere die Wahl geeigneter Elektrolyte und Prozessparameter, wie nachstehend erläutert, kann die Bildung von Aluminiumoxid gegenüber der Bildung von Titanoxid und weiteren Oxiden der Legierungs- und / oder Elektrolytbestandteile begünstigen, sodass an der Bauteiloberfläche eine insbesondere Aluminiumoxid-reiche Schutzschicht entsteht (siehe Figur 27).
  • Zur Klassifizierung der für die plasmaelektrolytische Oxidation geeigneten Elektrolyte wird der Begriff der Elektrolytbasis genutzt.
  • Im Allgemeinen kann und im Folgenden wird der Begriff der Elektrolytbasis wie folgt definiert: Eine Elektrolytbasis ist ein Stoff aus einer Klasse von Stoffen, der Mengenmäßig in g/L neben Wasser und Urotropin am Häufigsten in einem Elektrolyten vorkommt. Beispielsweise weist ein Elektrolyt, der aus 10 g/L Na2SiO3, 4 g/L H3P04, 2 g/L KOH und 30 g/L Urotropin in vollentsalztem Wasser besteht, eine Silikatbasis auf.
  • Überraschend hat sich nun gezeigt, dass sich eine Titanaluminid-Oberfläche in einem geeigneten Elektrolyten aufweisend eine Siliziumverbindung, z.B. Natronwasserglas (Na2SiO3), als Elektrolytbasis unter elektrischem Stromfluss durch die Bildung von Reaktionsprodukten aus Bestandteilen des Elektrolyten sowie des Substrates in eine oxidhaltige Schutzschicht, z.B. aufweisend Aluminiumoxid, umwandeln lasst.
  • Dies ist deshalb unerwartet, weil sich mit den bisher bekannten Elektrolytzusammensetzungen in der Regel nur reines bzw. niedriglegiertes Aluminium oder reines bzw. niedriglegiertes Titan plasmaelektrolytisch oxidieren lies. Hierbei liegt es in der Erwartung, dass entweder Aluminium oder Titan, jedoch nicht beide Stoffe in einem identischen Elektrolyten plasmaelektrolytisch reagieren.
  • Des Weiteren wird nicht erwartet, dass ein hochlegierter Werkstoff auf Basis einer der beiden Metalle in einem Elektrolyten überhaupt derart reagiert.
  • Ebenfalls überraschend hat sich gezeigt, dass sich eine Titanaluminid-Oberfläche in einem geeigneten Elektrolyten aufweisend eine Phosphorverbindung, z.B. Phosphorsaure (H3P04), als Elektrolytbasis unter elektrischem Stromfluss durch die Bildung von Reaktionsprodukten aus Bestandteilen des Elektrolyten sowie des Substrates in eine oxidhaltige Schutzschicht, z. B. aufweisend Aluminiumoxid, umwandeln lasst.
  • Dies ist deshalb unerwartet, weil sich mit den bisher bekannten Elektrolytzusammensetzungen in der Regel nur reines bzw. niedriglegiertes Aluminium oder reines bzw. niedriglegiertes Titan plasmaelektrolytisch oxidieren lies. Hierbei liegt es in der Erwartung, dass entweder Aluminium oder Titan, jedoch nicht beide Stoffe in einem identischen Elektrolyten plasmaelektrolytisch reagieren.
  • Des Weiteren wird nicht erwartet, dass ein hochlegierter Werkstoff auf Basis einer der beiden Metalle in einem Elektrolyten überhaupt derart reagiert.
  • Ebenfalls überraschend hat sich gezeigt, dass sich eine Titanaluminid-Oberfläche in einem geeigneten Elektrolyten aufweisend eine Aluminiumverbindung, z.B. Natriumaluminat (Na2A12O4 oder NaAl(OH)4), als Elektrolytbasis unter elektrischem Stromfluss durch die Bildung von Reaktionsprodukten aus Bestandteilen des Elektrolyten sowie des Substrates in eine oxidhaltige Schutzschicht, z. B. aufweisend Aluminiumoxid, umwandeln lasst.
  • Dies ist deshalb unerwartet, weil sich mit den bis her bekannten Elektrolytzusammensetzungen in der Regel nur reines bzw. niedriglegiertes Aluminium oder reines bzw. niedriglegiertes Titan plasmaelektrolytisch oxidieren lies. Hierbei liegt es in der Erwartung, dass entweder Aluminium oder Titan, jedoch nicht beide Stoffe in einem identischen Elektrolyten plasmaelektrolytisch reagieren.
  • Des Weiteren wird nicht erwartet, dass ein hochlegierter Werkstoff auf Basis einer der beiden Metalle in einem Elektrolyten überhaupt derart reagiert.
  • Ebenfalls überraschend hat sich gezeigt, dass sich eine Titanaluminid-Oberfläche in einem geeigneten Elektrolyten aufweisend eine Zirkoniumverbindung, z.B. Zirkoniumsulfat (ZrSO4), als Elektrolytbasis unter elektrischem Stromfluss durch die Bildung von Reaktionsprodukten aus Bestandteilen des Elektrolyten sowie des Substrates in eine oxidhaltige Schutzschicht, z.B. aufweisend Aluminiumoxid, umwandeln lasst.
  • Dies ist deshalb unerwartet, weil sich mit den bisher bekannten Elektrolytzusammensetzungen in der Regel nur reines bzw. niedriglegiertes Aluminium oder reines bzw. niedriglegiertes Titan plasmaelektrolytisch oxidieren lies. Hierbei liegt es in der Erwartung, dass entweder Aluminium oder Titan, jedoch nicht beide Stoffe in einem identischen Elektrolyten plasmaelektrolytisch reagieren.
  • Des Weiteren wird nicht erwartet, dass ein hochlegierter Werkstoff auf Basis einer der beiden Metalle in einem Elektrolyten überhaupt derart reagiert.
  • Ebenfalls überraschend hat sich gezeigt, dass sich eine Titanaluminid-Oberfläche in einem geeigneten Elektrolyten aufweisend eine Schwefelverbindung, z.B. Schwefelsaure (H2S04), als Elektrolytbasis unter elektrischem Stromfluss durch die Bildung von Reaktionsprodukten aus Bestandteilen des Elektrolyten sowie des Substrates in eine oxidhaltige Schutzschicht, z. B. aufweisend Aluminiumoxid, umwandeln lasst.
  • Dies ist deshalb unerwartet, weil sich mit den bisher bekannten Elektrolytzusammensetzungen in der Regel nur reines bzw. niedriglegiertes Aluminium oder reines bzw. niedriglegiertes Titan plasmaelektrolytisch oxidieren lies. Hierbei liegt es in der Erwartung, dass entweder Aluminium oder Titan, jedoch nicht beide Stoffe in einem identischen Elektrolyten plasmaelektrolytisch reagieren. Des Weiteren wird nicht erwartet, dass ein hochlegierter Werkstoff auf Basis einer der beiden Metalle in einem Elektrolyten überhaupt derart reagiert.
  • Im Detail wird zunächst ein Elektrolyt bereitgestellt, beispielsweise in einem hierfür bestimmten Becken. Dieses Becken kann neben den nachfolgend aufgeführten Elementen zur zusätzlichen Prozesskontrolle sowohl eine Kühlung, als auch eine Umwälzung sowie eine Absaugung für die Prozessgase aufweisen (Figur 22). Der insbesondere wässrige Elektrolyt weist eine der vorbenannten Elektrolytbasen auf, beispielsweise eine Saure oder Base aus einer Silizium-, Phosphor-, Aluminium-, Zirkonium-, oder Schwefelverbindung im Mengenbereich 0 - 300 g/L. Besonders bevorzugt, aber nicht zwingend und ohne Anspruch auf Vollständigkeit kann der Elektrolyt neben einer der vorbenannten Elektrolytbasen Kaliumhydroxid (KOH), Wasserglas (Na25i03), Phosphorsaure (H3P04), Natriumphosphat (Na3PO4), Flusssaure (HF), Ammoniumhydroxid (NH4OH), Borsäure (H3B03), Schwefelsaure (H2S04), Zirkoniumsulfat (ZrSO4), Zirkoniumwolframat (ZrWO4), Ammoniumfluorid (NH4F), Natriumhydrogenphosphat (NaH2PO4), Natriumfluorid Dianimoniumhydrogenphosphat (N H4)2H P04, Harnstoff (CH4N2O), Kaliumphosphat (K3P04), Kaliumpyrophosphat (K407P2), Dikaliumphosphat (K2H PC4), Natriumaluminat (N82A1204 oder NaAI(OH)4), Natriummetaaluminat (NaA102), Natriumfluorid (NaF), Kaliumfluorid (KF) und Natriumhypophosphit (NaH2PO2) in jeglicher Kombination im Mengenbereich von jeweils 0 - 120 gIL, jedoch im Einzelnen geringer als die Konzentration der Elektrolytbasis, sowie Natriumborat (Na2B4O7), Ammoniumhydrogendifluorid (NH4HF2), Kaliumfluorotitanat (K2TiF6), Kaliumhexafluorozirkonat (K2ZrF6), EDTA (C10H12CaN2Na2O8) und deren Salze, z.B. Dinatrium-ethylendiamin-tetraacetat (Na2H2EDTA), Tetranatrium-ethylendiamin-tetraacetat (NaiEDTA) oder Calcium-dinatrium-ethylendiamin-tetraacetat (CaNa2EDTA), Ammoniummetavanadat (N H4V03), Dinatriummolybdad (Na2MoO4), Dinatriumwolframat (Na2Wo4), Wasserstoffperoxid (H202), Zitronensaure (C6H807) sowie Glyzerin (C3H803) in jeglicher Kombination im Mengenbereich von jeweils 0 - 20 g/L, jedoch im Einzelnen geringer als die Konzentration der Elektrolytbasis, sowie Urotropin im Mengenbereich (0 - 400 g/L) aufweisen.
  • In diesem Elektrolyt werden dann mindestens ein oder mehrere elektrisch kontaktierte Titanaluminid-Bauteile getaucht, um so vollständig oder teilweise vom Elektrolyten benetzt zu werden. Hierbei sind die in den Elektrolyten eingebrachten Bauteile als Elektroden zu verstehen und werden im Folgenden in beliebiger Anzahl unter dem Begriff Bauteilelektrode zusammengefasst.
  • Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung kann ein Elektrolyt verwendet werden, der Halogenid-Ionen aufweist. Insbesondere kann der Elektrolyt Chlorid-, Bromid- oder Fluorid-Ionen aufweisen. Durch das Einbringen von Halogenid-Ionen in den sauren oder basischen Elektrolyten können vorteilhafterweise diese Halogenid-Ionen in die Schutzschicht eingebaut werden und so das Ausbilden einer dichten Aluminiumoxidschicht, insbesondere zum Oxidationsschutz gefördert werden. Insbesondere kann auf diese Weise eine Schutzschicht erzeugt werden, die überwiegend aus Aluminiumoxid aufgebaut ist oder zumindest einen hohen Anteil an Aluminiumoxid aufweist, beziehungsweise einen geringen Anteil an Titandioxid aufweist. Somit kann der vorbeschriebene Halogeneffekt (Typ 3) im Rahmen einer solchen Konversionsschicht (Typ 4) integriert werden, wobei die vorteilhaften Eigenschaften der Konversionsschicht (gute Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit sowie elektrische oder thermische Isolation) kombiniert werden und gleichzeitig auf die aus dem Stand der Technik bekannten aufwändigen Verfahren zur Ionenimplantation verzichtet werden kann. Auf diese Weise wird das Verfahren in dieser Ausgestaltung besonders einfach und kostengünstig, insbesondere im Vergleich zu bisher verfügbaren Technologien.
  • Weiterhin können eine oder mehrere Elektroden, beispielsweise Graphitelektroden oder metallische Elektroden sowie ebenfalls Titanaluminidbauteile zur Gegenkontaktierung der Bauteilelektrode in den Elektrolyten eingebracht, d.h. teilweise oder vollständig eingetaucht, werden. Diese werden im Folgenden in beliebiger Anzahl unter dem Begriff Gegenelektrode zusammengefasst (Figur 24).
  • An die Bauteil- und Gegenelektrode wird weiterhin eine elektrische Versorgungseinheit mit einer Steuerungselektronik angeschlossen.
  • Zur Umwandlung der Bauteiloberfläche in eine oxidreiche Schutzschicht wird im Folgenden insbesondere zwischen der Kontaktierung der Bauteilelektrode über den Elektrolyten hin zu Kontaktierung der Gegenelektrode eine Arbeit geleistet. Die Bauteilelektrode wird hierbei entweder konstant oder zeitlich alternierend als Anode oder Kathode geschaltet und es wird durch die versorgende elektrische Einheit ein Gleichstrom oder eine Gleichspannung oder eine Gleichleistung eingestellt, d. h. durch die Regelung der elektrischen Versorgungseinheit wird auf einen definierten aber zeitlich variablen Strom- oder Spannungs- oder Leistungswert geregelt, wobei die Bauteilelektrode ihre Polarität nicht wechselt.
  • Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung wird diese Arbeit zwischen der Kontaktierung der Bauteilelektrode und der Gegenelektrode derart geleistet, dass die Versorgungseinheit auf ein strom-, spannungs- oder leistungsgeregeltes Pulssignal geregelt wird, d.h. auf ein unipolares oder bipolares Pulsmuster, wobei bei jedem Wechsel der Polarität die Regelgröße von einem Strom- oder Spannungs- oder Leistungswert auf einen Strom- oder Spannungs- oder Leistungswert übergehen kann. Die Form eines solchen Pulses kann sowohl einem Rechteck, einem Sägezahn, einem Trapez oder einer Halbwelle oder einer Überlagerung dieser entsprechen und kann betragsmäßig hinsichtlich des Effektiv- oder Peakwertes bei einer Spannungsvorgabe zwischen von 10 bis 1200 V, insbesondere zwischen 80 und 800 V, sowie bei einer Stromvorgabe zwischen 0,1 mA bis 250 A, insbesondere 10 mA bis 120 A, sowie bei einer Leistungsvorgabe zwischen 1 mW und 300 kW, insbesondere zwischen 8 mW und 96 kW, frei eingestellt werden, wobei sich sowohl Effektiv- oder Peakwert, als auch die Pausen (Puls-Off) und Pulszeiten (Puls-On) bei jedem neuen Puls während des Prozesses andern können. Die hieraus resultierenden Frequenzen zwischen zwei aufeinanderfolgenden Pulsen liegen zwischen 0,01 Hz und 100 kHz, insbesondere zwischen 0,1 Hz und 10 kHz.
  • Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung wird diese Arbeit zwischen der Kontaktierung der Bauteilelektrode und der Gegenelektrode derart geleistet, dass die Versorgungseinheit auf ein strom-, spannungs- oder leistungsgeregeltes Sinussignal mit beliebigem Offset in Form eines Gleichstrom-, Gleichspannungs- oder Gleichleistungsanteil geregelt wird, d.h. auf ein wellenförmiges Muster, wobei bei jedem Wechsel der Polarität die Regelgröße von einem Strom- oder Spannungs- oder Leistungswert auf einen Strom- oder Spannungs- oder Leistungswert übergehen kann. Die Form einer solchen Welle kann einem idealen oder durch verschiedene mathematische Operationen verformten Sinus entsprechen und kann betragsmäßig hinsichtlich des Effektiv- oder Peakwertes bei einer Spannungsvorgabe zwischen von 10 bis 1200 V, insbesondere zwischen 80 und 800 V, sowie bei einer Stromvorgabe zwischen 0,1 mA bis 250 A, insbesondere 10 mA bis 120 A, sowie bei einer Leistungsvorgabe zwischen 1 mW und 300 kW, insbesondere zwischen 8 mW und 96 kW, frei eingestellt werden, wobei sich sowohl Effektiv- oder Peakwert, als auch die Periode der Halbwelle bei jeder neuen Halbwelle während des Prozesses andern können. Die hieraus resultierenden Frequenzen zwischen zwei aufeinanderfolgenden Pulsen liegen zwischen 0,01 Hz und 100 kHz, insbesondere zwischen 0,1 Hz und 10 kHz.
  • Insbesondere unter Nutzung der genannten Parameterbereiche kann das Ausbilden einer Oxidationsschicht so erfolgen, dass eine besonders Aluminiumoxid-reiche Schutzschicht auf dem Bauteil geschlossen aufwächst und somit eine besonders dichte und damit sichere Schutzschicht ausgebildet wird. Das Bauteil kann sicher und langzeitstabil vor äußeren Einflüssen wie etwa unerwünschten Oxidationen geschützt werden sicher in großen Serien mit entsprechenden Qualitätsanforderungen eingesetzt werden. Darüber hinaus sind durch das Verwenden der vorgenannten Parameterbereiche praktikable Reaktionsgeschwindigkeiten erzielbar, so dass das Verfahren insbesondere in dieser Ausgestaltung auch für Serienprozesse geeignet ist.
  • Hierbei wird das angelegte konstante oder puls- oder wellenförmige Strom- oder Spannungs- oder Leistungssignal für einen vorbestimmten Zeitraum aufrechterhalten und so eine charakteristische Dicke der Schutzschicht eingestellt. Ferner kann eine gezielte Kontrolle der Prozessparameter wie Elektrolyttemperatur, Umwälzung und Konzentration einzelner Elektrolytbestandteile dazu beitragen, geeignete Reaktionsbedingungen und somit eine reproduzierbare Qualität einzustellen.
  • Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung wird das beschriebene Verfahren derart verwendet, dass durch die Wahl geeigneter Parameter eine Schichtdicke der erzeugten Schutzschicht von 0,1 bis 300 µm, insbesondere 1 bis 10 µm, gezielt eingestellt wird. Auf diese Weise bleibt die Schicht elastisch und kann größere Spannungen wie sie beispielsweise durch die unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten von Bauteil und Schutzschicht, insbesondere wie sie bei thermischen Lastzyklen mit hohen Aufheiz- und Abkühlraten, zum Beispiel im Turbolader, entstehen, entweder durch eine Eigendehnung oder durch Rissbildung ausgleichen. Im Gegensatz zu dicken oder spröden Schichten oder solchen, die eine schlechte Schichthaftung sowie einen eindeutig abgrenzbaren Übergang zwischen Substrat und Schicht haben (z. B. Typ 1), kommt es jedoch nicht zu Schichtabplatzungen, welche ganze Bereiche des Bauteils freilegen und diese somit vor weiterer Oxidation ungeschützt lassen.
  • Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung wird das beschriebene Verfahren in einem Temperaturbereich von größer oder gleich 0°C bis kleiner oder gleich 100°C, insbesondere von größer oder gleich 0°C bis kleiner oder gleich 70 °C, durchgeführt. Auch derartige Temperaturbereiche können sich unter Umstanden auf das Ausbilden einer Aluminiumoxid-reichen Schutzschicht positiv auswirken. Ferner sind die vorgenannten Temperaturbereiche insbesondere für gefügte Anbauteile des Bauteils von Vorteil, zum Beispiel bei einem gefugten Stahlanabauteil, welches zumindest teilweise aus Stahl ausgeführt ist. Durch die verhältnismäßig niedrigen Temperaturbereiche werden sowohl eine negative Beeinflussung der Struktur als auch der Gefüge-Eigenschaften sowohl des Titanaluminids, als auch des Stahls vermieden.
  • Gemäß dem vorstehenden Verfahren, bei dem der Prozess der plasmaelektrolytischen Oxidation genutzt wird, kann bei einem definierten Titanaluminid strom-, spannungs- oder leistungsgeregeltes durch die Oberflächenbehandlung die gesamte oder Teile der Oberfläche des Bauteils gezielt oxidiert bzw. geschützt werden, so dass das bearbeitete Bauteil sicher vor Oxidationen geschützt wird und somit besonders langzeitstabil ist. Des Weiteren kann die Schutzschicht ohne Einfluss der Geometrie des Bauteils ausgebildet werden, so dass das Verfahren im Wesentlichen mit jedem Bauteil durchführbar ist.
  • Gemäß der Darstellung nach den Figuren 28 und 29 ist beispielhaft ein Nabenteil 550 gezeigt, welches zumindest in diesem Ausführungsbeispiel vollständig an seiner Oberfläche von einer mittels einer Plasma-Elektrolytischen-Oxidation erzeugten Schutzschicht überzogen ist. Selbst die gezeigten Ölzulaufbohrungen 551 (nur exemplarisch beziffert) sind hierdurch geschützt, wobei die vorliegende Schutzschicht derart filigran aufgetragen ist, dass eine Nachbearbeitung des Nabenteils 550 an keinem Oberflächenbereich des Nabenteils erforderlich ist.
  • Gemäß der Darstellung nach der Figur 30 ist die Morphologie der Schutzschicht im Querschliff gezeigt, wobei hier eine Struktur erzielt ist, welche die Reste von Beschichtungskanälen (Röhren, siehe Pfeil 552) aufweist. Die in der Figur 31 gezeigte Morphologie betrifft eine anodisch erzeugte PEO-Schicht 553.
  • Gemäß der Darstellung nach der Figur 31 ist eine Morphologie einer kathodisch erzeugten PEO-Schicht 554 gezeigt, wobei an der Oberfläche eine geschlossene Struktur vorhanden ist, welche ähnlich einer Struktur ist, welche durch einen Diffusionsvorgang erzeugt ist (geschlossene Röhre).
  • Es versteht sich, dass Bauteil-Geometrien, wie insbesondere die beispielhaft in den Figuren 28 und 29 gezeigten Ölzulaufbohrungen 551, nach dem Erzeugen der vorliegenden Schutzschicht mittels herkömmlicher Fertigungsverfahren weiter bearbeitetet werden können, wie z. B. Schleifen, Reiben, Honen, Läppen, durch einen Superfinish-Prozess oder dergleichen.
  • Dies betrifft im Allgemeinen sowohl Außendurchmesser als auch Innendurchmesser eines im Sinne der Erfindung hergestellten Bauteils.
  • Durch eine geeignete Prozessführung können sowohl variable Schichtdicken als auch eine gleichmäßige Schichtdicke auf dem Bauteil bzw. an dem Bauteil erzeugt werden.
  • Gemäß der Darstellung nach der Figur 32 ist eine Turboeinrichtung 660 beispielhaft gezeigt, an welcher sowohl Innenkonturen 661 eines Verdichters 662 als auch diesbezügliche Außenkonturen 663 durch eine mittels einer Plasma-Elektrolytischen-Oxidation erzeugten Schutzschicht behandelt bzw. hierdurch geschützt sind.
  • Hierdurch weist der eigentliche Bauteilkörper des behandelten Bauteils eine Art Sandwich-Aufbau auf, welcher sowohl an seiner Außenkontur 663 als auch an seiner Innenkontur 661 die vorliegende Schutzschicht aufweist, wobei zwischen diesen beiden Schutzschichten die normale Titan-Aluminium-Legierung vorliegt.
  • Die Turboeinrichtung 660 weist darüber hinaus auch entsprechend eine Turbine 664 auf.
  • Gemäß der Darstellung nach der Figur 33 ist die Titan-Aluminium-Legierung im Materialquerschliff bzw. -querschnitt in einem unbeschichteten Zustand gezeigt.
  • Gemäß der Darstellung nach der Figur 34 ist der Sandwich-Aufbau gut zu erkennen, wobei der in der Figur 33 gezeigte Materialquerschliff bzw. -querschnitt hier im beschichteten Zustand dargestellt ist.
  • Im Gegensatz hierzu ist gemäß den Darstellungen nach den Figuren 35 und 36 ein entsprechender Materialquerschliff bzw. -querschnitt sowohl im unbeschichteten Zustand als auch im beschichten Zustand (Figur 36) dargestellt, wobei die vorliegende Schutzschicht hier nur auf Seiten der Innenkontur 661 erzeugt ist.
  • Beispielsweise kann die Schichtdicke der vorliegenden Schutzschicht durch Wählen von unterschiedlichen Prozessparametern sowohl als Dünnschichten (50 bis 30 µ) als auch als Dickschichten (bis zu 300 µ) erzeugt werden.
  • Der Hauptvorteil der Beschichtung des vorliegenden Verdichters bzw. Verdichtergehäuses ist darin zu sehen, dass das Verdichtergehäuse gepanzert ist. Hierdurch wird insbesondere die Durchschlagfestigkeit des Bauteils deutlich verbessert, wodurch wiederum die Gefahr verringert ist, dass bei einem Versagen eines rotierenden Laufradteils Teile dieses Laufradteils das Verdichtergehäuse durchschlagen können.
  • Mittels der vorliegenden Schutzschicht können Schichthärten von 500 HV bis 2000 HV erzielt werden, wodurch ein derart beschichtetes Bauteil eine sehr hohe Beschussbeständigkeit erfährt.
  • Gemäß der Darstellung nach der Figur 37 ist in einer Tabelle die chemische Zusammensetzung einer Gamma-Titanaluminid-Legierung TMMB-1 beispielhaft gezeigt.
  • Es versteht sich, dass jedoch auch andere Leichtmetall-Legierungen wie beispielsweise die Titan-Legierung Ti6Al4V für die Herstellung des vorliegenden Bauteils verwendet werden können.
  • Weitere Legierungen können beispielsweise GE 45 22 oder GE 48 22 sein, um insbesondere ein Bauteil in Gestalt eines rotierenden Laufradteils herzustellen.
  • Es versteht sich, dass sich zur Herstellung des vorliegenden Bauteils die unterschiedlichsten Herstellverfahren eignen können, wie nachfolgend beispielhaft aufgelistet:
    • Gießverfahren (Feinguss) - Ausführung near netshape Geometrie (Schaufelprofil hat Endgeometrie + Aufmaß im Bereich der Außendurchmesser für die nachfolgende Endbearbeitung der Kontur)
    • Druckguss - Ausführung near netshape Geometrie (Schaufelprofil hat Endgeometrie + Aufmaß im Bereich der Außendurchmesser für die nachfolgende Endbearbeitung der Kontur)
    • Semi-solid-casting Verfahren - Ausführung near netshape Geometrie (Schaufelprofil hat Endgeometrie + Aufmaß im Bereich der Außendurchmesser für die nachfolgende Endbearbeitung der Kontur)
    • Thixoforming-Verfahren - Ausführung near netshape Geometrie (Schaufelprofil hat Endgeometrie + Aufmaß im Bereich der Außendurchmesser für die nachfolgende Endbearbeitung der Kontur)
    • Gießverfahren (Feinguss) - Ausführung aufgedickte Geometrie im Bereich der Nabe, der Außendurchmesser und der Schaufeldicke (Dickschaufler) + elektrochemische Bearbeitung (ECM) auf die near-netshape Geometrie
    • Druckguss - Ausführung aufgedickte Geometrie im Bereich der Nabe, der Außendurchmesser und der Schaufeldicke (Dickschaufler) + elektrochemische Bearbeitung (ECM) auf die near-netshape Geometrie
    • Semi-solid-casting - Ausführung aufgedickte Geometrie im Bereich der Nabe, der Außendurchmesser und der Schaufeldicke (Dickschaufler) + elektrochemische Bearbeitung (ECM) auf die near-netshape Geometrie
    • Thixoforming-Verfahren - Ausführung aufgedickte Geometrie im Bereich der Nabe, der Außendurchmesser und der Schaufeldicke (Dickschaufler) + elektrochemische Bearbeitung (ECM) auf die near-netshape Geometrie
    • auf Basis eines geschmiedeten Rohlings (konventionell oder isotherm geschmiedet, abhängig von der eingesetzten Legierung) und mechanische Bearbeitung mittels Drehen und Fräsen)
    • auf Basis eines geschmiedeten Rohlings (konventionell oder isotherm geschmiedet, abhängig von der eingesetzten Legierung) und mechanische Bearbeitung mittels Drehen und Fräsen) auf eine aufgedickte Geometrie (Dickschaufler) + elektrochemische Bearbeitung auf die near-netshape Geometrie
    • auf Basis eines geschmiedeten Rohlings (konventionell oder isotherm geschmiedet, abhängig von der eingesetzten Legierung) und elektrochemische Bearbeitung (ECM) auf die near-netshape Geometrie
    • SLM-Verfahren (selective laser melting Verfahren) auf Basis eines Metallpulvers aus der entsprechenden Legierung Ausführung aufgedickte Geometrie im Bereich der Nabe, der Außendurchmesser und der Schaufeldicke (Dickschaufler) + elektrochemische Bearbeitung (ECM) auf die near-netshape Geometrie
    • EBM-Verfahren (electron beam melting Verfahren) auf Basis eines Metallpulvers aus der entsprechenden Legierung Ausführung aufgedickte Geometrie im Bereich der Nabe, der Außendurchmesser und der Schaufeldicke (Dickschaufler) + elektrochemische Bearbeitung (ECM) auf die near-netshape Geometrie
    • MIM Verfahren (metal injection moulding Verfahren) auf Basis eines Metallpulvers aus der entsprechenden Legierung auf eine near-netshape Geometrie
    • MIM Verfahren (metal injection moulding Verfahren) auf Basis eines Metallpulvers aus der entsprechenden Legierung - Ausführung aufgedickte Geometrie im Bereich der Nabe, der Außendurchmesser und der Schaufeldicke (Dickschaufler) + elektrochemische Bearbeitung (ECM) auf die near-netshape Geometrie
  • Eine Herstellroute des Laufzeugs mit einem keramisierten Turbinenrad sieht wie folgt aus - Keramisieren des Turbinenrad vor dem Fugen mit der Welle
    • Herstellung des Turbinenradrohteils (near-netshape-Geometrie) nach einem der oben genannten Verfahren
    • mechanische Bearbeitung des Turbinenrades = Anbringen der Anbindungsgeometrie (zur Verbindung mit der Welle)
    • Keramisieren des Turbinenrades mittels PEO-Verfahren
    • Mechanisches (beispielsweise Gewinde) oder stoffliches (Schweißen, Löten, EB-Löten)
    • Anbinden des keramisierten Turbinenrades an eine Welle aus einer Stahllegierung bzw.
    • aus einer Nickelbasislegierung bzw. in einer weiteren Ausführung an ein Zwischenstück aus einer Nickelbasislegierung
    • Fertigbearbeitung des Läufers (beispielsweise Konturschleifen des Läufers und/oder Drehen und Schleifen der Welle)
    • Auswuchten des fertigbearbeiteten Läufers
    • Optional: nachträgliches PEO-Beschichten
  • Diese beschriebene Ausführung hat oftmals den Nachteil, dass durch die Endbearbeitung (Konturschleifen Turbinenrad) und das Auswuchten die gebildete Oxidkeramikschicht abgetragen wird und das Bauteil an dieser Stelle nicht gegen Korrosion und Oxidation geschützt ist.
  • Man könnte in einem nachgeschalteten Beschichtungsprozess die abgetragene Schicht nachbeschichten bzw. nachoxidieren, hierzu musste auf dem Bauteil in diesen Bereichen, in denen die Schicht abgetragen wurde, noch einmal mittels PEO-Verfahren bzw. PEO-Prozess 698 eine Oxidkeramikschicht 699 ausgebildet werden.
  • Die Keramisierung des Turbinenrades 700 als Einzelteil (ohne Welle 701 aus Stahl) konnte den Vorteil besitzen, dass der artfremde Werkstoff der Welle (beispielsweise eine Stahllegierung) das Oxidationsergebnis nicht negativ beeinflusst (siehe insbesondere auch Figur 38).
  • Die Kontaktierung des Turbinenrades 700 kann an unterschiedlichen Stellen erfolgen.
  • Eine mögliche Kontaktierung des Bauteils erfolgt in einer Bohrung 702 im Inneren des Turbinenrades.
  • Die Bohrung 702 kann als Sacklochbohrung 702A bzw. als Durchgangsbohrung ausgeführt sein.
  • Bei einer Sacklochbohrung 702 ist zu beachten, dass die Bohrung keinen negativen Einfluss auf die Festigkeit des Bauteils darstellt.
  • Eine ähnliche Kontaktierung gilt auch für eine Durchgangsbohrung.
  • Die jeweilige Ausführung der Bohrung kann mit einem mechanischem Bearbeitungsverfahren (Drehen, Fräsen, Schleifen, etc.) eingebracht werden.
  • In einer vorteilhaften Ausführung wird die Bohrung bereits bei der Herstellung des Rohteils eingebracht, beispielsweise durch ein Gießverfahren oder durch das MIM und EBM Verfahren.
  • Zur besseren Kontaktierung des Bauteils ist es von Vorteil die Bohrung bei Einbringung bereits im Rohteil noch einmal mechanisch nachzuarbeiten. Vorteil hierbei: Einbringen einer Passung zwischen Turbinenrad und Kontaktierung in der Bohrung.
  • Weitere Bereiche für eine Kontaktierung wäre der Bereich des Radrückens, in einem Bereich des Turbinenrades, der hinsichtlich Oxidation und Korrosion nicht in einem Maße belastet ist, dass es zu einer Beschädigung des Bauteils im Betrieb kommt.
  • Eine besonders gute Kontaktierung ist durch ein in die Bohrung bzw. in die Sacklochbohrung 702 eingebrachtes Anodenbauteil 703 gewährleistet.
  • Die Oxidation des Turbinenradrohteils mittels PEO-Verfahren kann in einem Bad 705 erfolgen, unter Verwendung eines geeigneten Gestells zur Platzierung des Turbinenrades im Becken 705, eines auf das Verfahren abgestimmten Elektrolyts 706 und einer entsprechenden Kathode 707 (beispielsweise aus Edelstahl oder Graphit).
  • Alternativ kann der Beschichtungsprozess auch in einer Zelle erfolgen - hier wird im Gegensatz zur Beschichtung im Bad der Elektrolyt dem Bauteil zugeführt.
  • Das zu beschichtende Bauteil kann vor dem eigentlichen Beschichtungsprozess noch einen Beizprozess unterzogen werden, um die Oxidkeramik Ausbildung zu verbessern.
  • Eine vorteilhafte Herstellroute des Laufzeugs mit einem keramisierten Turbinenrad sieht wie folgt aus: Keramisieren des Turbinenrad nach dem Fugen mit der Welle
    • Herstellung des Turbinenradrohteils (near-netshape-Geometrie) nach einem der oben genannten Verfahren
    • Mechanische Bearbeitung des Turbinenrades = Anbringen der Anbindungsgeometrie (zur Verbindung mit der Welle)
    • Mechanisches (beispielsweise Gewinde) oder stoffliches (Schweißen, Löten, EB-Löten)
    • Anbinden des noch nicht keramisierten Turbinenrades an eine Welle aus einer Stahllegierung bzw. einer Nickelbasislegierung bzw. in einer weiteren Ausführung an ein Zwischenstück aus einer Nickelbasislegierung
    • Fertigbearbeitung des Läufers (beispielsweise Konturschleifen des Läufers und/oder Drehen und Schleifen der Welle)
    • Auswuchten des fertigbearbeiteten Läufers
    • Keramisieren des Turbinenrades mittels PEO-Verfahren
  • Diese beschriebene Ausführung hat den Vorteil, dass hierdurch die Bereiche der Endbearbeitung des Turbinenrades (Schleifen des Außendurchmessers = Kontur) und die eingebrachten Wuchtmarken (mechanisch oder mittels ECM-Verfahren) ebenfalls keramisiert werden, so dass das Bauteil vollständig gegen Korrosion und Oxidation geschützt ist.
  • Die Oxidation des Laufzeugs im Bereich des Turbinenrades mittels PEO Verfahren kann in einem Bad erfolgen, unter Verwendung eines geeigneten Gestells zur Platzierung des Laufzeugs im Becken, eines auf das Verfahren abgestimmten Elektrolyts und einer entsprechenden Kathode (beispielsweise aus Edelstahl oder Graphit).
  • Das zu beschichtende Bauteil (Turbinenrad) kann vor dem eigentlichen Beschichtungsprozess noch einen Beizprozess unterzogen werden, um die Oxidkeramik Ausbildung zu verbessern.
  • Bereiche die nicht beschichtet / umgewandelt / keramisiert werden sollen (beispielsweise die Welle) müssen vor dem Beschichten entsprechend maskiert werden, so dass auf diesen geschützten Oberflächen sich keine Oxidkeramik ausbilden kann bzw. es zu Beschädigung der Oberfläche kommt - beispielsweise durch einen Gummi- / Kunststoffabdichtung.
  • Aufgrund der chemischen Zusammensetzung der verwendeten Leichtmetall-Legierung wird sich durch den Keramisierungsprozess ein Mischoxid auf dem Turbinenrad ausbilden (Ti02 und A1203). Problem hierbei ist ein unbestimmtes Oxidwachstum von Ti02 aufgrund mangelnder Diffusionsbeständigkeit.
  • Um einen entsprechend hohen Oxidationsschutz auf dem Bauteil zu erreichen ist es notwendig, dass sich eine geschlossene A1203 Schicht ausbildet.
  • Dies soll bei der Gamma-TiAl-Legierung durch spezielle Parameter durch eine Erhöhung der Aluminium Aktivität erreicht werden - es ist notwendig, die Titan Aktivität (höhere Reaktivität als Aluminium) zu mindern.
  • Eine Möglichkeit ist es, dem verwendeten Elektrolyten Aluminium beizusetzen bzw. Silizium beizusetzen.
  • Im Falle eines Turbinenrades aus einer Titanlegierung, die aufgrund des zu geringen Aluminiumgehalts in der Legierung (beispielsweise Ti6AI4V = mit 6 % Aluminium) zu einer sehr starken Mischoxid Ausbildung mit Ti02 Überschussbildung neigt, kann ein entsprechendes Alitierungsverfahren des zu beschichtenden Bauteils (Turbinenrad) vor dem eigentlichen Keramisierungsprozess im PEO-Verfahren, einen positiven Einfluss auf die Ausbildung der schützenden A1203 Schicht haben.
  • Das Bauteil, in einer vorteilhaften Ausführung als fertigbearbeitetes Laufzeug mit einem Turbinenrad aus einer Titanlegierung, wird vor dem Keramisieren mit einem herkömmlichen Verfahren im Bereich des Turbinenrades alitiert - es wird mit Aluminium bzw. A12O3 Schichtbildnern vor dem Keramisieren beschichtet und anschließend im alitierten Bereich mittels PEO-Verfahren keramisiert unter Ausbildung einer Schicht mit A1203 Überschuss. Die nicht zu beschichtenden Bereiche (Welle) sind sowohl beim Alitieren, wie auch beim Keramisieren zu maskieren, so dass sich auf diesen geschützten Oberflächen sowohl kein Aluminium (Alitieren) wie auch keine Oxidkeramik (Keramisieren) ausbilden kann - beispielsweise durch einen Gummi- / Kunststoffabdichtung - oder durch gezieltes Eintauchen in das Keramisierungsbad vom Elektrolyten ferngehalten.
  • Gleiches gilt auch für die Herstellroute Keramisieren des Turbinenrad vor dem Fugen mit der Welle im Bereich der Anbindung (falls erforderlich).
  • Nachfolgend sind stellvertretend noch vier konkretere Ausführungsbeispiele beschrieben:
    • Ausführungsbeispiel 1
  • Hinsichtlich eines ersten Ausführungsbeispiels wird das Turbinenrad eines Turboladerläufers aus einer TNM-Legierung bereitgestellt (vgl. auch Figur 10). Hierfür wird zunächst durch Verdüsen ein Titanaluminidpulver aus einer TNM-Legierung hergestellt und für das Selective Laser Melting bereitgestellt. Mittels dem Selective Laser Melting (vgl. auch Figur 7) wird anschließend aus dem verdüsten Pulver ein Turbinenrad gemäß einem topologieoptimierten Design hergestellt. Dieses Design mittels eines Algorithmus zur Topologie- bzw. Strukturoptimierung gewonnen werden. Hierfür wird das reale Belastungskollektiv in einer FEM Simulation angenommen, ein Hohlraum im Bauteilkern unter gewissen Randbedingungen im Algorithmus hinterlegt und das Ursprungsdesign des Turbinenrades solange unter Entfernung von Material modifiziert, bis ein gewichtsoptimiertes Design mit einer inneren Kavität erreicht wird (vgl. Figuren 11 und 12). Dieses Design wird mittels Selective Laser Melting mit einem allgemeinen Aufmaß von 0,1 mm nahe der Endkontur (near-net-shape) in Form des Bauteils umgesetzt. Nach der Herstellung wird das Bauteil mit einem geeigneten Werkzeug zur elektrochemischen Bearbeitung in einer geeigneten Anlage geschlichtet, das heißt, das Aufmaß wird unter Bildung einer hohen Oberflächengüte abgetragen und so die Endkontur hergestellt (vgl. Figur 8). Nach dem ECM Vorgang wird das Bauteil gereinigt und gespült und ohne einen weiteren Aktivierungsschritt, wie zum Beispiel das Beizen, beispielswiese in eine Vorrichtung gemäß Figur 20 gegeben. Dabei wird die bereits fertig montierte Läufergruppe bestehend aus einer Stahlwelle und dem angefügten Turbinenrad aus Titanaluminid nur bis kurz unter die Fügestelle des Läufers in das Elektrolytbecken eingetaucht, sodass die Stahlwelle nicht in Berührung mit dem Elektrolyten kommt. Anschließend wird unter Nutzung eines konstant geregelten Gleichstroms eine aluminiumoxidreiche-Schutzschicht (vgl. Figur 27) auf dem Bauteil erzeugt. Aufgrund der erzeugten Schutzschicht bildet sich im Einsatz bereits nach kurzer Zeit eine geschlossene Aluminiumoxidschicht (vgl. Figur 25), welche das gewichtsoptimierte Turbinenrad im Vergleich zu einem unbehandelten Turbinenrad sowohl vor Partikel- als auch Tropfenschlag aus dem heißen Abgas sowie vor Oxidation besser schützt.
    • Ausführungsbeispiel 2
  • Ein Titanaluminidbauteil aus einer GE 48-2-2 Legierung wird gemäß dem vorbeschriebenen Verfahren mittels plasmaelektrolytischer Oxidation behandelt. Hierzu wird werden jeweils zwei identische Bauteile als Bauteil- und Gegenelektrode vollständig mit Elektrolyt bedeckt und mit der Leistungsquelle verbunden (vgl. Figur 23). Der Elektrolyt kann sich wie vorstehend beschrieben zusammensetzen. Anschließend wird für 20 Minuten ein bipolares, auf einen RMS Spannungswert von XX geregeltes Rechteckmuster mit einer Frequenz von 6 Hz appliziert, sodass sich für jede Elektrode aufweisend zwei Bauteile abwechselnd ein positiver und dann ein negativer Stromwert aufgrund der angelegten Spannung einstellt. Um die durch den Konversionsvorgang sowie den elektrischen Widerstand entstehende Wärme abzuführen und eine konstante Temperatur von 18,5 °C zu halten, wird dem Prozess über einen Wärmetauscher Energie entzogen. Zusätzlich wird über eine Pumpstrecke der Elektrolyt umgewälzt und die entstehenden Prozessgase über eine Absaugvorrichtung über dem Becken abgeleitet. Es entsteht eine aluminiumoxidhaltige Schutzschicht mit einer Dicke von 6 µ m bis 8 µ m, welche eine deutlich geringere Oxidationsneigung als die unbehandelte Referenz sowie aufgrund ihrer geringen Schichtdicke eine hohe Temperaturschockbeständigkeit aufweist (vgl. Figur 26).
    • Ausführungsbeispiel 3
  • Ein Titanaluminidbauteil aus einer TNM Legierung wird gemäß dem vorbeschriebenen Verfahren mittels plasmaelektrolytischer Oxidation behandelt. Hierzu wird ein Bauteil als Bauteil- und eine Edelstahlronde als Gegenelektrode in den Elektrolyten ein gehangen und mit der Leistungsquelle verbunden. Die Bauteilelektrode wird hierbei partiell von einem Isolierband derart bedeckt, dass der abgedeckte Bereich sowohl im Elektrolyten als auch außerhalb dessen vorliegt (vgl. Figur 21). Der Elektrolyt kann sich wie vorstehend beschrieben zusammensetzen und weist insbesondere Halogenide, wie vorstehend vorgeschlagen, auf. Anschließend wird für 15 Minuten ein bipolares Sägezahnmuster mit einer Frequenz von 2,5 kHz derart appliziert, dass im für das Bauteil elektrisch positiven (anodischen) Bereich des bipolaren Musters der Strom und im negativen Bereich die Spannung konstant auf einen geeigneten Peakwert von XX A bzw. XX V geregelt werden. Um die durch den Konversionsvorgang sowie den elektrischen Widerstand entstehende Wärme abzuführen und eine konstante Temperatur von 21°C zu halten, wird dem Prozess über einen Wärmetauscher Energie entzogen. Zusätzlich wird über eine Pumpstrecke der Elektrolyt umgewälzt und die entstehenden Prozessgase über eine Absaugvorrichtung über dem Becken abgeleitet. Es entsteht eine aluminiumoxidreiche Schutzschicht mit einer Dicke von 4 µm bis 5 µm, welche eine deutlich geringere Oxidationsneigung als die unbehandelte Referenz sowie aufgrund ihrer geringen Schichtdicke eine hohe Temperaturschockbeständigkeit aufweist (vgl. Figur 26).
    • Ausführungsbeispiel 4
  • Ein Verdichterrad für einen Abgasturbolader aus einer 45 XD Legierung aufweisend 45 at.-%, 47 at.-% Aluminium, 2 at.-% Niob, 2 at.-% Mangan und 0.8 vt.-% TiB2 wird gemäß dem vorbeschriebenen Verfahren mittels plasmaelektrolytischer Oxidation behandelt. Hierzu wird zwei baugleiche Teile jeweils als Bauteil- und als Gegenelektrode vollständig in den Elektrolyten ein gehangen und mit der Leistungsquelle verbunden. Der Elektrolyt kann sich wie vorstehend beschrieben zusammensetzen. Anschließend wird für 150 Minuten ein sinusförmiger Wechselstrom mit einer Frequenz von 1,5 Hz derart appliziert, dass der geregelte Stromwert von Anfang bis zum Ende des Prozesses von 0 A auf einen geeigneten RMS-Wert von XX A ansteigt, d. h. eine Rampe durchläuft. Weiterhin wird der Sinusförmige Strom um einen ebenfalls rampenförmig verlaufenden Gleichstromanteil (Offset) derart verschoben, dass der minimale Stromwert in jeder Periode immer gleich null ist und zu keinem Zeitpunkt negativ wird. Um die durch den Konversionsvorgang sowie den elektrischen Widerstand entstehende Wärme abzuführen und eine konstante Temperatur von 65°C zu halten, wird dem Prozess über einen Wärmetauscher Energie entzogen. Zusätzlich wird über eine Pumpstrecke der Elektrolyt umgewälzt und die entstehenden Prozessgase über eine Absaugvorrichtung über dem Becken abgeleitet. Es entsteht eine dicke, raue und aluminiumoxidreiche Schutzschicht mit einer Dicke von 250 µm bis 280 µm, welche eine deutlich geringere Oxidationsneigung als die unbehandelte Referenz sowie aufgrund ihrer Dicke einen guten Verschleißschutz gegen Partikel- oder Tropfenschlag aufweist.
  • Es versteht sich, dass es sich bei den vorstehend erläuterten Ausführungsbeispielen lediglich um erste Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Bauteils bzw. Verfahrens handelt. Insofern beschränkt sich die Ausgestaltung der Erfindung nicht auf diese Ausführungsbeispiele.
  • Letztlich sei hier noch bemerkt, dass hinsichtlich chemischer Bezeichnungen Tiefstellungen von Ziffern im vorliegenden Text nicht immer korrekt wiedergegeben sein können. Der Fachmann liest diese Tiefstellungen jedoch mit.
    • Liste der verwendeten Bezugszeichen:
    • 1
    Bauteil
    2
    erster Schichtaufbau
    3
    zweiter Schichtaufbau
    4
    dritter Schichtaufbau
    5
    vierter Schichtaufbau
    10
    Schemata
    14
    Aufnahme
    15
    Wabenstruktur
    16
    Pore
    17
    Porenkanal
    19
    weitere Aufnahme
    20
    Oberfläche
    21
    Porenstruktur
    23
    Rillen
    24
    Riefen, Schuppen, Kuppen
    25
    Pulver
    26
    Bauteilplattform
    27
    Wischer
    74
    Laser
    75
    Bearbeitungsebene
    76
    Festkörper
    77
    Weg
    80
    Geometrieabweichungen
    81
    Pittings
    90
    Laufrad
    91
    Rotationsachse
    92
    Kasten
    101
    Bohrung
    102
    Schaufeln
    111
    Stahlwelle
    112
    Turbinenrad
    113
    Gegenelektrode
    114
    Elektrolytbecken
    115
    Elektrolyt
    116
    Leistungsquelle
    121
    Stahlwelle
    123
    Turbinenrad
    124
    Gegenelektrode
    125
    Elektrolytbecken
    126
    Elektrolyt
    127
    Leistungsquelle
    131
    massive Bereiche
    132
    Innenbohrung
    133
    Hohlraum
    134
    Durchbrüche
    135
    Stege
    141
    massive Bereiche
    142
    Innenbohrung
    143
    Hohlräume
    144
    kleine Bohrung
    161
    quaderförmiges Bauteil
    162
    Gegenelektrode
    163
    Elektrolyt
    164
    Elektrolytbecken
    165
    Leistungsquelle
    166
    Absaugvorrichtung
    167
    Wärmetauscher
    171
    erstes Turbinenrad
    172
    zweites Turbinenrad
    173
    Elektrolyt
    181
    mittlerer Vergrößerung
    182
    hoher Vergrößerung
    183
    Porendurchmesser
    184
    Oberfläche
    191
    mittlerer Vergrößerung
    192
    hoher Vergrößerung
    193
    Oberfläche
    194
    aluminiumoxidreiche Grenzschicht
    201
    erste Probe
    202
    zweite Probe
    203
    TNM-Titanaluminid-Legierung
    204
    GE-Titanaluminid-Legierung
    205
    unbehandelte Referenz
    211
    Oberfläche
    212
    geringer Titanoxidoxidanteil
    213
    hoher Aluminiumoxidanteil
    214
    Interface
    301
    Bauteil
    302
    Laufradteil
    303
    Bauteilkörper
    304
    Lagerbohrung
    305
    Materialausnehmung
    306
    Längserstreckung
    307
    Axialrichtung
    308
    Rotationsachse
    310
    Materialaussparungen
    311
    Hohlräume
    312
    Rückseite
    313
    Schaufelelemente
    314
    abgewandte Seite
    315
    Zwischenräumen
    401
    Bauteil
    402
    Laufradteil
    403
    Bauteilkörper
    404
    Lagerbohrung
    405
    Materialausnehmung
    406
    Längserstreckung
    407
    Axialrichtung
    408
    Rotationsachse
    410
    Materialaussparungen
    411
    Hohlräume
    412
    Rückseite
    413
    Schaufelelemente
    414
    abgewandte Seite
    415
    Zwischenräumen
    420
    Oberflächen
    421
    Schutzschicht
    422
    Hinterschneidungen
    423
    Querstreben
    450
    Bauteil
    451
    Nabenteil
    452
    Lagermanschette
    453
    Hauptbauteilkörper
    550
    Nabenteil
    551
    Ölzulaufbohrungen
    552
    Pfeil
    553
    PEO-Schicht
    554
    weitere PEO-Schicht
    660
    Turboeinrichtung
    661
    Innenkonturen
    662
    Verdichter
    663
    Außenkonturen
    664
    Turbine
    665
    Aluminiumlegierung (Grundwerkstoff / Substrat)
    666
    Al2O3 - Schicht
    698
    PEO-Prozess
    699
    Oxidkeramikschicht
    700
    Turbinenrad
    701
    Welle aus Stahl
    702
    Bohrung
    702A
    Sacklochbohrung
    703
    Anodenbauteil
    705
    Bad bzw. Becken
    706
    Elektrolyt
    707
    Kathode

Claims (25)

  1. Bauteil (301) für eine einen Verdichter und eine Turbine umfassenden Turboeinrichtung,
    mit einem zumindest teilweise aus einer Titan-Aluminium-Legierung bestehenden Bauteilkörper, bei welchem die Titan-Aluminium-Legierung einen Titan-Anteil von 40 at.-% bis 60 at.-% sowie einen Aluminium-Anteil von 5 at.-% bis 50 at.-% aufweist,
    wobei das Bauteil an seiner Bauteiloberfläche zumindest teilweise eine mittels einer Plasma-Elektrolytische-Oxidation (PEO) erzeugte Schutzschicht aufweist, wobei das Bauteil eine erste Materialausnehmung aufweist, welche eine Lagerbohrung ausgestaltet,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das Bauteil wenigstens eine weitere Materialaussparung (310) aufweist, welche einen innerhalb des Bauteilkörpers liegenden Hohlraum (311) ausgestaltet, um die zu beschleunigenden Massen des Bauteils zu reduzieren,
    wobei eine die wenigstens eine weitere Materialaussparung begrenzende Oberfläche des Bauteils zumindest teilweise eine mittels der Plasma-Elektrolytische-Oxidation (PEO) erzeugte Schutzschicht aufweist.
  2. Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil ein mediumdurchströmtes Bauteil des Verdichters und/oder der Turbine der Turboeinrichtung umfasst, wie insbesondere ein von Abgasen, Kühlmitteln, Schmierstoffen durchströmtes Gehäuseteil, wie etwa ein wassergekühltes Turbinengehäuseteil oder ein Verdichtergehäuseteil.
  3. Bauteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil ein Lagerteil, insbesondere Lagerteile einer Wellen-Naben-Verbindung, des Verdichters und/oder der Turbine der Turboeinrichtung umfasst.
  4. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Titan-Aluminium-Legierung einen Titan-Anteil von 40 at.-% bis 55 at.-% sowie einen Aluminium-Anteil von 35 at.-% bis 50 at.-% aufweist.
  5. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil ein rotierendes Laufradteil des Verdichters und/oder der Turbine der Turboeinrichtung umfasst, wobei das Bauteil in einem beliebigen Querschnitt entlang seiner Rotationsachse mindestens 65% oder 80 % von Konturelemente des Bauteils symmetrisch zu der Rotationsachse des Bauteils ausgestaltet sind.
  6. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine weitere Materialaussparung bezogen auf die Rotationsachse des Bauteils radial weiter außen angeordnet ist als die die Lagerbohrung ausgestaltende erste Materialausnehmung.
  7. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine weitere Materialaussparung ein Hohlraum des Bauteils ist, welcher von einer Schaufelelementen abgewandten Seite des Bauteils zugänglich ist.
  8. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine weitere Materialaussparung ein Hohlraum des Bauteils ist, welcher in Axialrichtung durch eine Hinterschneidung des Bauteilkörpers, insbesondere von einem an dem Bauteilkörper aufgehängten Nabenteil, zumindest teilweise verdeckt ist.
  9. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine weitere Materialaussparung ein Hohlraum des Bauteils ist, welcher die Rotationsachse des Bauteils zumindest teilweise durchquert.
  10. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Titan-Aluminium-Legierung Niob, Tantal, Wolfram, Zirkonium und/oder Molybdän mit jeweils einem Anteil von 0 at.-% bis 11 at.-% aufweist.
  11. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Titan-Aluminium-Legierung Eisen, Chrom, Vanadium und/oder Mangan mit jeweils einem Anteil von 0 at.-% bis 4 at.-% aufweist.
  12. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Titan-Aluminium-Legierung Bor oder Kohlenstoff oder Silizium mit jeweils einem Anteil von 0°at.-% bis 1 at.-% aufweist.
  13. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die erzeugte Schutzschicht eine Oxidkeramik-Schicht, insbesondere eine Al2O3-Schicht, umfasst.
  14. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei die durch die Umwandlung der Bauteiloberfläche entstehende Schutzschicht eine Dicke von 0,1 bis 300 µm, insbesondere 1 bis 10 µm, aufweist.
  15. Brennkraftmaschine mit einer Turboeinrichtung, welche einen Verdichter und eine Turbine umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Turboeinrichtung wenigstens ein Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche umfasst.
  16. Verfahren zum Herstellen eines Turboeinrichtungs-Bauteils, insbesondere eines Bauteils einer einen Verdichter und eine Turbine umfassenden Turboeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, aus einer Titan-Aluminium-Legierung mit einem Titan-Anteil von 40 at.-% bis 60 at.-% sowie mit einem Aluminium-Anteil von 5 at.-% bis 50 at.-% oder aus einer Titan-Aluminium-Legierung mit einem Titan-Anteil von 40 at.-% bis 55 at.-% sowie mit einem Aluminium-Anteil von 35 at.-% bis 50 at.-%, bei welchem an dem Turboeinrichtungs-Bauteil eine Aluminiumoxid haltige Schutzschicht mittels einer Plasma-Elektrolytischer-Oxidation (PEO) erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, dass diese Aluminiumoxid haltige Schutzschicht an einer durch eine Hinterschneidung des Turbineneinrichtungs-Bauteils verdeckten Oberfläche des Turbineneinrichtungs-Bauteils erzeugt wird.
  17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass ein benutztes Elektrolyt eine siliziumhaltige Verbindung als Elektrolytbasis im Mengenbereich von 0 - 300 g/L sowie Kalium-hydroxid (KOH), Wasserglas (Na2SiO3), Phosphorsäure (H3PO4), Natriumphosphat (Na3PO4), Flusssäure (HF), Ammoniumhydroxid (NH40H), Borsäure (H3BO3), Schwefelsäure (H2SO4), Zirkoniumsulfat (ZrSO4), Zirkoniumwolframat (ZrWO4), Ammoniumfluorid (NH4F), Natriumhydrogenphosphat (NaH2PO4), Natriumfluorid Diammoniumhydrogenphosphat (NH4)2HPO4, Harnstoff (CH4N20), Kaliumphosphat (K3PO4), Kaliumpyrophosphat (K4O7P2), Dikaliumphosphat (K2HPO4), Natriumaluminat (Na2Al2O4 oder NaAl(OH)4), Natriummetaaluminat (NaAlO2), Natri-umfluorid (NaF), Kaliumfluorid (KF) und Natriumhypophosphit (NaH2PO2) in jeglicher Kombination im Mengenbereich von jeweils 0 - 120 g/L, jedoch im Ein-zelnen geringer als die Elektrolytbasis, sowie Natriumborat (Na2B4O7), Ammoniumhydrogendifluorid (NH4HF2), Kaliumfluorotitanat (K2TiF6), Kaliumhexafluorozirkonat (K2ZrF6), EDTA (C10H12CaN2Na2O8) und deren Salze, z.B. Dinatrium-ethylendiamin-tetraacetat (Na2H2EDTA), Tetranatrium-ethylendiamin-tetraacetat (Na4EDTA) oder Calcium-dinatrium-ethylendiamin-tetraacetat (CaNa2EDTA), Ammoniummetavanadat (NH4VO3), Dinatriummolybdad (Na2MoO4), Dinatrium-wolframat (Na2Wo4), Wasserstoffperoxid (H2O2), Zitronensäure (C6H8O7) sowie Glyzerin (C3H8O3) in jeglicher Kombination im Mengenbereich von jeweils 0 - 20 g/L, jedoch im Einzelnen geringer als die Elektrolytbasis, sowie Urotropin im Mengenbereich von 0 - 400 g/L aufweist.
  18. Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass ein Halogenid-Ionen aufweisendes Elektrolyt verwendet wird.
  19. Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass ein benutztes Elektrolyt eine phosphorhaltige Verbindung als Elektrolytbasis im Mengenbereich von 0 - 300 g/L sowie Kalium-hydroxid (KOH), Wasserglas (Na2Si03), Phosphorsäure (H3PO4), Natriumphosphat (Na3PO4), Flusssäure (HF), Ammoniumhydroxid (NH4OH), Borsäure (H3BO3), Schwefelsäure (H2SO4), Zirkoniumsulfat (ZrSO4), Zirkoniumwolframat (ZrWO4), Ammoniumfluorid (NH4F), Natriumhydrogenphosphat (NaH2PO4), Natriumfluorid Diammoniumhydrogenphosphat (NH4)2HPO4, Harnstoff (CH4N2O), Kaliumphosphat (K3PO4), Kaliumpyrophosphat (K4O7P2), Dikaliumphosphat (K2HPO4), Natriumaluminat (Na2Al2O4 oder NaAl(OH)4), Natriummetaaluminat (NaAlO2), Natri-umfluorid (NaF), Kaliumfluorid (KF) und Natriumhypophosphit (NaH2PO2) in jeglicher Kombination im Mengenbereich von jeweils 0 - 120 g/L, jedoch im Einzelnen geringer als die Elektrolytbasis, sowie Natriumborat (Na2B4O7), Ammoniumhydrogendifluorid (NH4HF2), Kaliumfluorotitanat (K2TiF6), Kaliumhexafluorozirkonat (K2ZrF6), EDTA (C10H12CaN2Na2O8) und deren Salze, z.B. Dinatrium-ethylendiamin-tetraacetat (Na2H2EDTA), Tetranatrium-ethylendiamin-tetraacetat (Na4EDTA) oder Calcium-dinatrium-ethylendiamin-tetraacetat (CaNa2EDTA), Ammoniummetavanadat (NH4VO3), Dinatriummolybdad (Na2MoO4), Dinatriumwolframat (Na2Wo4), Wasserstoffperoxid (H2O2), Zitronensäure (C6H807) sowie Glyzerin (C3H8O3) in jeglicher Kombination im Mengenbereich von jeweils 0 - 20 g/L, jedoch im Einzelnen geringer als die Elektrolytbasis, sowie Urotropin im Mengenbereich von 0 - 400 g/L aufweist.
  20. Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass ein benutztes Elektrolyt eine aluminiumhaltige Verbindung als Elektrolytbasis im Mengenbereich von 0 - 300 g/L sowie Kalium-hydroxid (KOH), Wasserglas (Na2SiO3), Phosphorsäure (H3PO4), Natriumphosphat (Na3PO4), Flusssäure (HF), Ammoniumhydroxid (NH4OH), Borsäure (H3BO3), Schwefelsäure (H2SO4), Zirkoniumsulfat (ZrSO4), Zirkoniumwolframat (ZrW04), Ammoniumfluorid (NH4F), Natriumhydrogenphosphat (NaH2PO4), Natriumfluorid Diammoniumhydrogenphosphat (NH4)2HPO4, Harnstoff (CH4N2O), Kaliumphosphat (K3P04), Kaliumpyrophosphat (K407P2), Dikaliumphosphat (K2HPO4), Natriumaluminat (Na2Al2O4 oder NaAl(OH)4), Natriummetaaluminat (NaAlO2), Natriumfluorid (NaF), Kaliumfluorid (KF) und Natriumhypophosphit (NaH2PO2) in jeglicher Kombination im Mengenbereich von jeweils 0 - 120 g/L, jedoch im Einzelnen geringer als die Elektrolytbasis, sowie Natriumborat (Na2B4O7), Ammoniumhydrogendifluorid (NH4HF2), Kaliumfluorotitanat (K2TiF6), Kaliumhexafluorozirkonat (K2ZrF6), EDTA (C10H12CaN2Na2O8) und deren Salze, z.B. Dinatrium-ethylendiamin-tetraacetat (Na2H2EDTA), Tetranatrium-ethylendiamin-tetraacetat (Na4EDTA) oder Calcium-dinatrium-ethylendiamin-tetraacetat (CaNa2EDTA), Ammoniummetavanadat (NH4VO3), Dinatriummolybdad (Na2MoO4), Dinatrium-wolframat (Na2Wo4), Wasserstoffperoxid (H2O2), Zitronensäure (C6H8O7) sowie Glyzerin (C3H8O3) in jeglicher Kombination im Mengenbereich von jeweils 0 - 20 g/L, jedoch im Einzelnen geringer als die Elektrolytbasis, sowie Urotropin im Mengenbereich von 0 - 400 g/L aufweist.
  21. Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass ein benutztes Elektrolyt eine zirkonium- oder schwefelhaltige Verbindung als Elektrolytbasis im Mengenbereich von 0 - 300 g/L sowie Kaliumhydroxid (KOH), Wasserglas (Na2SiO3), Phosphorsäure (H3PO4), Natriumphosphat (Na3PO4), Flusssäure (HF), Ammoniumhydroxid (NH4OH), Borsäure (H3B03), Schwefelsäure (H2SO4), Zirkoniumsulfat (ZrSO4), Zirkoniumwolframat (ZrWO4), Ammoniumfluorid (NH4F), Natriumhydrogenphosphat (NaH2PO4), Natriumfluorid Diammoniumhydrogenphosphat (NH4)2HPO4, Harnstoff (CH4N2O), Kaliumphosphat (K3PO4), Kaliumpyrophosphat (K4O7P2), Dikaliumphosphat (K2HPO4), Natriumaluminat (Na2Al2O4 oder NaAl(OH)4), Natriummetaaluminat (NaAlO2), Natriumfluorid (NaF), Kaliumfluorid (KF) und Natriumhypophosphit (NaH2PO2) in jeglicher Kombination im Mengenbereich von jeweils 0 - 120 g/L, jedoch im Einzelnen geringer als die Elektrolytbasis, sowie Natrium-borat (Na2B4O7), Ammoniumhydrogendifluorid (NH4HF2), Kaliumfluorotitanat (K2TiF6), Kaliumhexafluorozirkonat (K2ZrF6), EDTA (C10H12CaN2Na2O8) und deren Salze, z.B. Dinatrium-ethylendiamin-tetraacetat (Na2H2EDTA), Tetranatrium-ethylendiamin-tetraacetat (Na4EDTA) oder Calcium-dinatrium-ethylendiamin-tetraacetat (CaNa2EDTA), Ammoniummetavanadat (NH4VO3), Dinatriummolybdad (Na2MoO4), Dinatriumwolframat (Na2Wo4), Wasserstoffperoxid (H2O2), Zitronensäure (C6H8O7) sowie Glyzerin (C3H8O3) in jeglicher Kombination im Mengen-bereich von jeweils 0 - 20 g/L, jedoch im Einzelnen geringer als die Elektrolytbasis, sowie Urotropin im Mengenbereich von 0 - 400 g/L aufweist.
  22. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass zur Umwandlung der Bauteiloberfläche eine konstante oder zeitlich alternierender Gleichstrom im Bereich von 0,1 mA bis 250 A, insbesondere 10 mA bis 120 A oder eine Gleichspannung im Bereich von 10 bis 1200 V, insbesondere von 80 V bis 800 V oder eine Gleich-leistung im Bereich von 1 mW bis 300 kW, insbesondere 8 mW bis 96 kW genutzt wird.
  23. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass zur Umwandlung der Bauteiloberfläche ein strom-, spannungs- oder leistungsgeregeltes, uni- oder bipolares Pulssignal in der Form eines Rechtecks, eines Sägezahns, eines Trapezes oder einer Halbwelle oder einer Überlagerung dieser mit einem Effektiv- oder Peakwert von 10 bis 1200 V, insbesondere zwischen 80 und 800 V, in spannungsgeregelten Segmenten sowie von 0,1 mA bis 250 A, insbesondere 10 mA bis 120 A, in stromgeregelten Segmenten sowie von 1 mW und 300 kW, insbesondere zwischen 8 mW und 96 kW, in leistungsgeregelten Segmenten mit zeitlich variablen Frequenzen im Bereich von 0,01 Hz bis 100 kHz, insbesondere von 0,1 Hz bis 10 kHz, genutzt wird.
  24. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass zur Umwandlung der Bauteiloberfläche ein strom-, spannungs- oder leistungsgeregeltes, ideales oder verformtes Sinussignal mit beliebigem Offset Effektiv- oder Peakwert von 10 bis 1200 V, insbesondere zwischen 80 und 800 V, in spannungsgeregelten Segmenten sowie von 0,1 mA bis 250 A, insbesondere 10 mA bis 120 A, in stromgeregelten Segmenten sowie von 1 mW und 300 kW, insbesondere zwischen 8 mW und 96 kW, in leistungsgeregelten Segmenten mit zeitlich variablen Frequenzen im Bereich von 0,01 Hz bis 100 kHz, insbesondere von 0,1 Hz bis 10 kHz, genutzt wird.
  25. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass das zur Umwandlung der Bauteiloberfläche genutzte Elektrolyt einen Temperaturbereich von größer oder gleich 0°C bis kleiner oder gleich 100°C, insbesondere von größer oder gleich 0°C bis kleiner oder gleich 70 °C, aufweist.
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