WO2007082794A1 - Verfahren zur oberflächenbeschichtung eines verdichterbauteils - Google Patents

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WO2007082794A1
WO2007082794A1 PCT/EP2007/050070 EP2007050070W WO2007082794A1 WO 2007082794 A1 WO2007082794 A1 WO 2007082794A1 EP 2007050070 W EP2007050070 W EP 2007050070W WO 2007082794 A1 WO2007082794 A1 WO 2007082794A1
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Martin Biesenbach
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • C23C18/1262—Process of deposition of the inorganic material involving particles, e.g. carbon nanotubes [CNT], flakes
    • C23C18/127—Preformed particles

Definitions

  • the invention relates to a method for coating the surface of a component on Sol-gel-based, in particular a ge ⁇ closed impeller wheel.
  • the preferred field of application of the invention is the coating of media-contacted compressor components.
  • undercut or channel-like closed construction ⁇ parts highlight, since the invention primarily eliminates the problems that was previously associated with the coating of these components.
  • a ceramic one Layer with organic components can be particularly effective here.
  • Such layers are described, for example, in DE 197 14 949 A1 and DE 199 52 040 A1.
  • Important components of such a layer may be nanoscale silica particles or compounds from the group of oxides and hydroxides of the alkali and alkaline earth metals.
  • these layers also have a particular hardness which protects the surface even after a long period of operation, thereby increasing the service life of the compressor.
  • the layers of the aforementioned type are applied by means of the so-called sol-gel technology. Due to the mixture and reaction of various organic and inorganic materials, a solution is formed, which is also referred to as Sol. This solution sets to a gel when the solvent evaporates and a beige sat reac ⁇ tion with the moisture from the environment takes place. Subsequent heat treatment solidifies this gel into a solid with amorphous to crystalline states.
  • the invention has the object to provide a method for coating compressor components, which enables high quality and by means of which in particular undercut or channel-like closed components can be provided with acceptable cost with a coating ,
  • the inventive solution of the problem provides that in a first step, a liquid coating material comprising nanoscale solids is applied to the compressor component, the compressor component is at least partially immersed ⁇ in the coating material and rotated there about an axis, in a second step Ver ⁇ Dense component is removed from the coating material and rotated about an axis, in a third step the
  • Compressor component is a temperature of 5O 0 C to 15O 0 C guaranteed ⁇ sets and in a fourth step, the compressor component for curing the coating in a high vacuum at a temperature of up to 500 0 C is exposed.
  • An essential feature of the method according to the invention is the partial immersion and rotation of the compressor component to be coated in the coating material, which ⁇ initially ensures that even in a hinterschnit- tenen or channel-like constructed component all Oberflä ⁇ surfaces are wetted with the coating material. In this way, the basis for a complete coating is created. It is also very important to rotate the component part outside the coating material (1), which not only ensures uniform wetting, but also for a substantially constant layer thickness on the surfaces.
  • the particularly acute component to be coated edges makes sense if they have previously been provided with the loading layering material so that it can be targeted ⁇ even at these points a sufficient layer thickness in the result.
  • This coating can be carried out, for example, by means of dipping, spraying, flooding, spin-coating, rolling, brushing or else by means of a combination of these methods.
  • even particularly stressed areas can first be coated separately in this way, for example, entry edges on a compressor impeller.
  • the component to be coated is immersed in the coating material with the radially outer regions prior to the first step.
  • the component to be coated is immersed in the coating material with the radially outer regions prior to the first step.
  • the compressor impeller rotating about the axis (4 revolutions per minute) is removed from the coating material and further rotated in the air for a certain time.
  • the compressor impeller up to half the diameter submerged, rotated through the coating material one to ten times at an angular rate of 4 revolutions per minute. Under one to three rotary motion, the component is removed from the coating material.
  • the coating result is further improved if, in the second step, the compressor component is subjected to a gas flow, in particular air flow, under continued rotation.
  • a gas flow in particular air flow
  • the air flow for a uniform ⁇ even distribution ensures the liquid coating material and on the other hand takes place on the one hand but also more uniform evaporation faster the solvent of Beschich ⁇ tung materials instead and uniformly and quickly formed from the sol, the gel taking up the moisture- ⁇ ness of flowing air. Even less exposed surfaces are flowing around this sufficiently.
  • a gas flow or air flow can also be applied; this procedure is advantageous in the case of very large compressor wheels in order to prevent the formation of drops and running noses.
  • the compressor component is advantageously immersed first 20 mm rotating in the coating material and after one to ten Repetitions are taken out of the coating material in a rotating manner about the axis and, after a certain time, are immersed in the coating material with rotation about halfway through the diameter, wherein a gas stream is blown through the inside of the compressor component.
  • a gas stream is blown through the inside of the compressor component.
  • This procedure according to the invention allows for the first time a high-quality coating of a closed compressor impeller.
  • this drying process can be carried out in such a way that the compressor component 15 minutes at a temperature of 5O 0 C, 15 minutes a temperature of 75 0 C and 60 minutes a temperature of 100 0 C is exposed before the cooling of the workpiece is initiated. This gentle gradual temperature curve ensures a stress-free and therefore crack-free coating.
  • the final heat treatment to cure the coating takes place between 300 and 500 ° C. in a nitrogen atmosphere, in a partial vacuum or in a high vacuum (up to 10-5 mbar).
  • a heating rate of 100 ° C / h is not exceeded and to keep the selected heat treatment temperature for 1 hour.
  • a heat treatment in a high vacuum for one hour at 500 ° C. causes the coating to have a low surface energy combined with high hardness.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of the method according to the invention as a flowchart (divided into Ia, Ib),
  • Figure 2 is a perspective view of a compressor impeller in the particularly difficult to coat closed variant
  • FIG 3 shows a schematic arrangement of a structure for coating a closed compressor impeller.
  • the input of the first step Sl is a coating material (1) for coating a compressor component 3 which is designed as a compressor impeller 2 consisting of not more than 70% by weight ethanol, 29% by weight alkyl orthosilane containing alkyl groups, 7% by weight tetraethyl silicate and its condensates and 2 , 5% by weight of sodium hydroxide diluted with an addition of 2-popanol.
  • a coating material (1) for coating a compressor component 3 which is designed as a compressor impeller 2 consisting of not more than 70% by weight ethanol, 29% by weight alkyl orthosilane containing alkyl groups, 7% by weight tetraethyl silicate and its condensates and 2 , 5% by weight of sodium hydroxide diluted with an addition of 2-popanol.
  • the original Caribbeanset ⁇ is wetting of the coating material 1 to 28% by volume by Hin ⁇ addition of 72% by volume of 2-propanol diluted.
  • the compressor impeller 2 With the thus diluted solution of the coating material 1 is in process step Sl.2 the compressor impeller 2 to be ⁇ Sonders stress points, particularly at sharp edges, for example the leading edge, is coated with a brush 4 with the coating material. 1
  • Application of the coating material 1 is repeated several times, about 2 to 5 times, taking place between the individual orders a three-minute air drying of the coating material 1 takes place on the compressor impeller 2.
  • a step 1.3 the compressor wheel 2 with the radially outer region immersed approximately 20 mm deep in the coating material 1 and rotated at a frequency of four revolutions per minute for about 45 seconds.
  • the coating material 1 is thinly distributed only to the 20 mm deep immersed, difficult to coat surfaces and acute-angled edges.
  • the compressor impeller 2 is connected to ⁇ next to a flow guide 5, which allows flow through the compressor impeller 2 with an air flow VAIR. Subsequently, the
  • Compressor impeller 2 is immersed in the solution of the coating material 1 until it is arranged approximately to the radial half in the solution.
  • the air flow VAIR is switched on and permanently flows through the flow channels of the compressor impeller 2. With an angular speed of 4 revolutions per minute, the compressor impeller 2 is rotated through the coating material 1 for about 30 seconds. Under uniform rotational movement, the compressor impeller 2 is now lifted at a speed v from the coating material 1, so that after about 30
  • the compressor impeller 2 is immersed under rotation in the solution of the coating material 1 until it is arranged approximately to the radial half in the solution.
  • the air flow VAIR through the flow channels of the compressor wheel 2 takes place here permanently.
  • the compressor impeller 2 With a Angular speed of 4 revolutions per minute, the compressor impeller 2 is now lifted at a speed v from the coating material 1, so that after about 30 seconds - ie two revolutions - the compressor impeller 2 is no longer in the coating material 1.
  • step S2 the compressor impeller 2 is continued ⁇ sets with an angular velocity of 4 revolutions per minute and under the action of the air flow VAIR. dried for up to 3 minutes.
  • the procedural ⁇ takes place in the third step S3 Rens a stepwise heat treatment being in a non-illustrated oven, the compressor impeller 2 15 minutes a temperature of 5O 0 C, 15 minutes a temperature of 75 0 C and 60 minutes at a temperature of 100 0 C is exposed.
  • the compressor impeller 2 can be subjected to a final heat treatment under high vacuum and optionally subjected to further processing steps.
  • a fourth step S4 it makes sense for the compressor component 3 to be exposed to a temperature of up to 500 ° C. under high vacuum in order to harden the coating.
  • a precoating according to the method step designated by Sl.2 in step S1 of the method is expedient in particular in the region of the inlet 10, namely at the blade inlet edges 14 and in the region of the hub 12.
  • precoating in accordance with the method step designated as step 3 in step S1 of the method in the region of the exit is expedient.
  • Figure 2 shows the compressor impeller 2 with an axial inlet enters 10 and a radial outlet 11.
  • the axis for Dre ⁇ hung the compressor impeller 2 is temporarily in the region of a hub 12 by plugged according to the constructive Anord ⁇ voltage of the axis of rotation in normal operation. It is important to Layering in the region of the hub 12 and in the interior, ie on the surfaces of the flow channels 13, which extend from the inlet 10 to the outlet 11.
  • the outer surfaces 14 need not be coated because deposition is neither likely nor interferes with operation.
  • FIG. 3 shows a structure 20 which can be used to carry out the method according to the invention.
  • a lift 30 On a lift 30 is an upwardly open container 31 with the coating material 1 as a solution.
  • the compressor impeller 2 dips into the solution of the coating material 1 and is rotatably mounted on an axle 33.
  • a flow guide 5 which is configured here as a plastic cover 6 is connected to the inlet 10 of the compaction terlaufrades 2 and supplies the blower 34 from a Ge ⁇ derived airflow VAIR in the component to be coated inside.
  • the air flow VAIR exits from the openings of the radial outlet 11 again.
  • the container 31 is lifted and lowered relative to the compressor impeller 2 with the solution of the coating material 1, so that the desired proportion of the compressor impeller 2 is always immersed.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Oberflächenbeschichtung eines Bauteils (Verdichterlaufrad 2) auf Sol-Gel-Basis, insbesondere eines geschlossenen Verdichterlaufrades (2). Es ist Aufgabe der Erfindung die Qualität der Beschichtung insbesondere an hinterschnittenen Oberflächen oder kanalartig geschlossenen Werkstücken zu verbessern. Es wird vorgeschlagen, in einem ersten Schritt (S1) ein flüssiges Beschichtungsmaterial (1) umfassend nanoskalige Festkörper auf das Verdichterbauteil (3) aufzutragen, wobei das Verdichterbauteil (3) zumindest teilweise in das Beschichtungsmaterial (1) eingetaucht und dort gedreht wird, in einem zweiten Schritt (S2) das Verdichterbauteil (3) aus dem Beschichtungsmaterial (1) zu entnehmen und zu drehen, in einem dritten Schritt (S3) das Verdichterbauteil (3) einer Temperatur von 50°C bis 150°C auszusetzen.

Description

Beschreibung
Verfahren zur Oberflächenbeschichtung eines Verdichterbauteils
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Oberflächenbeschichtung eines Bauteils auf Sol-Gel-Basis, insbesondere eines ge¬ schlossenen Verdichterlaufrades .
Bevorzugtes Anwendungsgebiet der Erfindung ist die Beschich- tung von medienberührten Verdichterbauteilen. Hierbei sind besonders hinterschnittene oder kanalartig geschlossene Bau¬ teile hervorzuheben, da die Erfindung in erster Linie die Probleme beseitigt, die bisher mit der Beschichtung dieser Komponenten einherging.
Die in der chemischen Prozesstechnik genutzten Stoffreaktio- nen laufen oft bei hohen Drücken ab. Hierzu ist es erforder- lieh, die an den Reaktionen teilnehmenden Prozessgase auf die hohen Drücke zu verdichten, wozu häufig Turbokompressoren verwendet werden. Teilweise sind die Prozessgase nicht voll¬ ständig gereinigt, so dass die Verdichter verschmutzen können und dementsprechend der Wirkungsgrad dezimiert wird durch beispielsweise Ablagerungen an den rotierenden Teilen, insbesondere an Radiallaufrädern, welche mehrere Millimeter dick sein können. Diese Ablagerungen können auch zu Betriebsstörungen und zum Versagen des Verdichters führen. In der modernen Prozesstechnik ist jedoch die Verfügbarkeit von Anlagen ein hohes Gut, so dass eine Erhöhung der Verfügbarkeit auch hohe Investitionskosten rechtfertigt.
Eine Möglichkeit, die Ablagerungen, welche die Funktion ge¬ fährden, zu vermeiden, ist mittels einer Beschichtung von niedriger Oberflächenenergie gegeben. Derartige Beschichtun- gen an den Bauelementen des Verdichters, welche den zu verdichtenden Medien ausgesetzt sind, verhindern ein Anhaften der Verschmutzungen aus dem Prozessgas. Eine keramische Schicht mit organischen Anteilen kann hierbei besonders wirksam sein. Derartige Schichten sind beispielsweise in der DE 197 14 949 Al und der DE 199 52 040 Al beschrieben. Wichtige Bestandteile einer derartigen Schicht können nanoskalige Siliziumdioxidteilchen oder Verbindungen aus der Gruppe der Oxide und Hydroxide der Alkali- und Erdalkalimetalle sein. Diese Schichten weisen neben der niedrigen Oberflächenenergie noch eine besondere Härte auf, welche die Oberfläche auch noch nach langer Betriebszeit schützt und dadurch die Stand- zeit des Verdichters erhöht.
Die Schichten der zuvor genannten Art werden mittels der so genannten Sol-Gel-Technologie aufgebracht. Aufgrund von Mischung und Reaktion verschiedener organischer und anorgani- scher Materialien entsteht hierbei eine Lösung, welche auch als SoI bezeichnet wird. Diese Lösung erstarrt zu einem Gel, wenn das beigesetzte Lösungsmittel verdampft und eine Reak¬ tion mit der Feuchtigkeit aus der Umgebung stattfindet. Eine anschließende Wärmebehandlung lässt dieses Gel zu einem Fest- körper mit amorphen bis kristallinen Zuständen erstarren.
Während nicht hinterschnittene Oberflächen, insbesondere Flä¬ chen, die gut zugänglich sind, verhältnismäßig einfach mit¬ tels der Sol-Gel-Technologie zu beschichten sind, ist es bei nicht allseitig zugänglichen Flächen, beispielsweise in Strö¬ mungskanälen von Verdichterlaufrädern schwierig, eine Schicht mit der gewünschten Funktion vorzusehen. Während an allseitig zugänglichen Flächen schon hinreichende Schwierigkeiten aufkommen, eine gleichmäßige Schichtdicke zu erzeugen gestaltet es sich an den schlecht zugänglichen Stellen nahezu unmöglich. Die Schwierigkeiten beginnen mit der Applikation des Beschichtungsmaterials in einer geeigneten Schichtdicke und setzen sich fort bei dem Verdampfen des Lösungsmittels und dem Erstarren des Gels unter Aufnahme der Umgebungsfeuch- tigkeit, da nicht alle Stellen gleich exponiert zu der Umge¬ bung sind. Schließlich führt auch eine anschließende Wärmebe¬ handlung bei nicht optimalem Verlauf der vorhergehenden Verfahrensschritte zu einem nur unbefriedigenden Ergebnis, da schon die unterschiedlichen Schichtdicken hierbei zu inakzeptablen Fehlern führen, beispielsweise Risse in der Oberfläche zur Folge haben.
Ausgehend von den beschriebenen Problemen des Standes der Technik hat es sich die Erfindung zur Aufgabe gemacht, ein Verfahren zur Beschichtung von Verdichterbauteilen zu schaffen, welches eine hohe Qualität ermöglicht und mittels dessen insbesondere hinterschnittene oder kanalartig geschlossene Bauelemente mit akzeptablem Aufwand mit einer Beschichtung versehen werden können.
Die erfindungsgemäße Lösung der Aufgabe sieht vor, dass in einem ersten Schritt ein flüssiges Beschichtungsmaterial umfassend nanoskalige Festkörper auf das Verdichterbauteil aufgetragen wird, wobei das Verdichterbauteil zumindest teil¬ weise in das Beschichtungsmaterial eingetaucht und dort um eine Achse gedreht wird, in einem zweiten Schritt das Ver¬ dichterbauteil aus dem Beschichtungsmaterial entnommen und um eine Achse gedreht wird, in einem dritten Schritt das
Verdichterbauteil einer Temperatur von 5O0C bis 15O0C ausge¬ setzt wird und in einem vierten Schritt das Verdichterbauteil zum Aushärten der Beschichtung im Hochvakuum einer Temperatur von bis zu 5000C ausgesetzt wird.
Wesentliches Merkmal des erfindungsgemäßen Verfahrens ist das teilweise Eintauchen und Drehen des zu beschichtenden Verdichterbauteils in dem Beschichtungsmaterial, wodurch zu¬ nächst sichergestellt wird, dass auch in einem hinterschnit- tenen oder kanalartig aufgebauten Bauteil sämtliche Oberflä¬ chen mit dem Beschichtungsmaterial benetzt werden. Auf diese Weise wird die Basis für eine lückenlose Beschichtung geschaffen. Ebenfalls sehr wichtig ist das Drehen des Bau¬ teils außerhalb des Beschichtungsmaterials (1), was nicht nur für eine gleichmäßige Benetzung sorgt, sondern auch für eine im Wesentlichen konstante Schichtdicke auf den Oberflächen. Gleichzeitig gewährleistet das Drehen außerhalb des Beschich¬ tungsmaterials auch eine Gaszirkulation, so dass auch an weniger exponierten Oberflächen einerseits die erforderliche Verdampfung des Lösungsmittels erfolgen kann und andererseits genügend Feuchte aus der Umgebungsluft das gewünschte Gel auf der Oberfläche als Vorstufe zur Beschichtung entstehen lassen kann. Die abschließende Wärmebehandlung kann auf diese Weise eine lückenlose und gleichmäßige Schicht entstehen lassen.
Weist das zu beschichtende Bauteil besonders spitzwinklige Kanten auf, ist es sinnvoll, wenn diese zuvor mit dem Be- Schichtungswerkstoff versehen worden sind, so dass auch an diesen Stellen eine hinreichende Schichtdicke im Ergebnis er¬ zielt werden kann. Diese Beschichtung kann beispielsweise mittels Tauchen, Sprühen, Fluten, Aufschleudern, Rollen, Pinseln oder auch mittels einer Kombination dieser Methoden durchgeführt werden. Gegebenenfalls können auch besonders be¬ anspruchte Stellen zunächst auf diese Weise gesondert be¬ schichtet werden, beispielsweise Eintrittskanten an einem Verdichter1aufrad.
Besonders gute Ergebnisse wurden erzielt, wenn das Verdich¬ terbauteil während des ersten Schrittes mit etwa vier Umdre¬ hungen in der Minute gedreht wird. Diese Winkelgeschwindig¬ keit hat sich insbesondere für Verdichterlaufräder bewährt.
Da bei einem Verdichterlaufrad auch die radial außen liegenden Innenbereiche einer besonderen Beanspruchung unterliegen, ist es zweckmäßig, wenn das zu beschichtende Bauteil vor dem ersten Schritt mit den radial außen liegenden Bereichen in das Beschichtungsmaterial eintaucht. Hierbei sind beispielsweise 20 mm Eintauchtiefe für ein gutes
Ergebnis ausreichend. Nach ein bis zehn Wiederholungen wird das sich um die Achse drehende (4 Umdrehungen pro Minute) Verdichterlaufrad aus dem Beschichtungsmaterial entnommen und an der Luft für eine bestimmt Zeit weitergedreht. Die Erfahrung hat gezeigt, dass etwa ein bis drei Minuten ausreichen, um eine Tropfen- und Laufnasenbildung an der Beschichtung zu verhindern. Anschließend das Verdichterlaufrad bis zur Hälfte des Durchmessers eingetaucht, mit einer Winkelgeschwindigkeit von 4 Umdrehungen pro Minute ein bis zehn mal durch das Beschichtungsmaterial gedreht. Unter ein bis drei Drehbewegung wird das Bauteil aus dem Beschichtungsmaterial entnommen.
Das Beschichtungsergebnis verbessert sich weiterhin, wenn in dem zweiten Schritt das Verdichterbauteil unter fortgesetzter Drehung mit einem Gasstrom, insbesondere Luftstrom beauf- schlagt wird. Einerseits sorgt der Luftstrom für eine gleich¬ mäßigere Verteilung des flüssigen Beschichtungsmaterials und andererseits findet zum einen eine schnellere aber auch gleichmäßigere Verdampfung des Lösungsmittels des Beschich¬ tungsmaterials statt und es bildet sich aus dem SoI gleichmäßig und schnell das Gel unter Aufnahme der Feuchtig¬ keit der strömenden Luft. Auch weniger exponierte Flächen werden hierbei hinreichend umströmt.
Insbesondere bei einem Verdichterlaufrad ist es sinnvoll, wenn der Luftstrom mittels einer Strömungsführung in die besonders kritischen Bereiche gelenkt wird. Bei einem geschlossenen Verdichterlaufrad kann der Luftstrom direkt in die Einströmung im Bereich radial außen um die Nabe eingeleitet werden, so dass entsprechend dem normalen Strömungsmuster im Betrieb die Luft im Außenbereich wieder austritt und alle Kanäle trotz der eigentlich eher schlechten Expositionslage zur Umgebung hinreichend viel Kontakt zur feuchten Luft der Umgebung haben und die gewünschte Gel-Bildung in der erforderlichen Qualität eintritt. Zusätzlich kann beim Beschichten der äußeren Flächen eines Verdichterlaufrades auch ein Gasstrom bzw. Luftstrom appliziert werden, dieses Vorgehen ist bei sehr großen Verdichterrädern von Vorteil um Tropfen- und Laufnasenbildung zu verhindern.
In weiterer Ausgestaltung des ersten Schrittes wird das Verdichterbauteil vorteilhaft zunächst 20 mm sich drehend in das Beschichtungsmaterial eingetaucht und nach ein bis zehn Wiederholungen sich um die Achse drehend aus dem Beschich- tungsmaterial entnommen und nach einer bestimmten Zeit unter Drehung etwa bis zur Hälfte des Durchmessers in das Be- schichtungsmaterial eingetaucht, wobei durch das Innere des Verdichterbauteils ein Gasstrom geblasen wird. Die Erfahrung hat gezeigt, dass zwischen den beiden Tauchvorgängen etwa ein bis drei Minuten liegen sollten, während dessen das Verdichterbauteil außerhalb des Beschichtungsmaterials und von der Luft umströmt gedreht werden kann, was eine Tropfen- und Laufnasenbildung an der Beschichtung verhindert.
Dieses erfindungsgemäße Vorgehen ermöglicht erstmalig eine qualitativ hochwertige Beschichtung eines geschlossenen Verdichterlaufrades .
Bevor die abschließende Wärmebehandlung erfolgt, ist es vorteilhaft, die Beschichtung zuvor zu Trocknen, so dass das noch im Gel vorhandene Lösungsmittel sich langsam verflüchtigt. Vorteilhaft kann dieser Trocknungsvorgang in der Weise erfolgen, dass das Verdichterbauteil 15 Minuten einer Temperatur von 5O0C, 15 Minuten einer Temperatur von 750C und 60 Minuten einer Temperatur von 1000C ausgesetzt wird bevor das Abkühlen des Werkstücks eingeleitet wird. Dieser schonende schrittweise Temperaturverlauf sorgt für eine spannungsarme und damit rissfreie Beschichtung.
Die abschließende Wärmebehandlung zum Aushärten der Beschichtung erfolgt zwischen 300 und 5000C in einer Stickstoffatmosphäre, im Teilvakuum oder im Hochvakuum (bis zu 10-5 mbar) . Vorzugweise ist eine Aufheizgeschwindigkeit von 100°C/h nicht zu überschreiten und die gewählte Wärmebehandlungstemperatur für 1 Stunde zu halten. Insbesondere bewirkt eine Wärmebehandlung im Hochvakuum für eine Stunde bei 5000C, dass die Beschichtung eine niedrige Oberflächenenergie bei gleichzeitig hoher Härte aufweist.
Im Folgenden ist die Erfindung anhand eines speziellen Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf Zeichnungen zur Ver- deutlichung näher beschrieben. Die Erfindung ist nicht auf das Ausführungsbeispiel beschränkt, vielmehr ergeben sich für den Fachmann daneben weitere Ausgestaltungsmöglichkeiten. Es zeigen:
Figur 1 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens als Ablaufdiagramm (aufgeteilt auf Ia, Ib),
Figur 2 eine perspektivische Darstellung eines Verdichterlaufrades in der besonders schwierig zu beschichtenden geschlossenen Variante und
Figur 3 eine schematische Anordnung eines Aufbaus zur Be- Schichtung eines geschlossenen Verdichterlaufrades .
Figur 1 zeigt eine Aufgliederung des erfindungsgemäßen Verfahrens in drei Schritten Sl, S2, S3, wobei der erste Schritt Sl in vier Unterschritten Sl.1, Sl.2, Sl.3, Sl.4 untergliedert ist. Eingangs des ersten Schrittes Sl wird ein Beschich- tungsmaterial (1) zur Beschichtung eines als Verdichterlaufrad 2 ausgebildetes Verdichterbauteil 3 bestehend aus maximal 70 Gew-% Ethanol, 29 Gew-% alkylgruppenhaltiges Eto- xisilan, 7 Gew-% Tetraethylsilikat und dessen Kondensate und 2,5 Gew-% Natriumhydroxid mittels einer Zugabe von 2- Popanol verdünnt. Hierbei wird die ursprüngliche Zusammenset¬ zung des Beschichtungsmaterials 1 auf 28 Vol-% durch Hin¬ zugabe von 72 Vol-% 2-Propanol verdünnt.
Mit der so verdünnten Lösung des Beschichtungsmaterials 1 wird im Verfahrensschritt Sl.2 das Verdichterlaufrad 2 an be¬ sonders beanspruchten Stellen, insbesondere an spitzwinkligen Kanten, beispielsweise an den Eintrittskanten, mittels eines Pinsels 4 mit dem Beschichtungsmaterial 1 beschichtet. Das
Auftragen des Beschichtungsmaterials 1 wird mehrmals, etwa 2- bis 5-mal wiederholt, wobei zwischen den einzelnen Aufträgen eine dreiminütige Lufttrocknung des Beschichtungsmaterials 1 an dem Verdichterlaufrad 2 erfolgt.
Anschließend wird in einem Schritt 1.3 das Verdichterlauf- rad 2 mit dem radial außen liegenden Bereich etwa 20 mm tief in das Beschichtungsmaterial 1 eingetaucht und mit einer Frequenz von vier Umdrehungen pro Minute etwa 45 Sekunden lang gedreht. Auf diese Weise wird das Beschichtungsmaterial 1 lediglich auf die 20 mm tief eingetauchten, schwierig zu beschichtenden Flächen und spitzwinkligen Kanten dünn verteilt. Nach einer anschließenden Trocknungsphase von bis zu 3 Minuten unter Drehung wird der Verfahrensschritt Sl.4 eingeleitet. Die Drehung verhindert dass es zu Nasen oder Tropfenbildung kommt.
Während des Schrittes Sl.4 wird das Verdichterlaufrad 2 zu¬ nächst an einer Strömungsführung 5 angeschlossen, welche ein Durchströmen des Verdichterlaufrades 2 mit einem Luftstrom VAIR ermöglicht. Anschließend wird das
Verdichterlaufrad 2 in die Lösung des Beschichtungsmaterials 1 eingetaucht bis es etwa bis zur radialen Hälfte in der Lösung angeordnet ist. Der Luftstrom VAIR wird zugeschaltet und durchströmt permanent die Strömungskanäle des Verdichterlaufrades 2. Mit einer Winkelgeschwindigkeit von 4 Umdrehungen pro Minute wird das Verdichterlaufrad 2 etwa 30 Sekunden lang durch das Beschichtungsmaterial 1 gedreht. Unter gleichförmiger Drehbewegung wird nun das Verdichterlaufrad 2 mit einer Geschwindigkeit v aus dem Beschichtungsmaterial 1 gehoben, so dass nach etwa 30
Sekunden - also 2 Umdrehungen - das Verdichterlaufrad 2 sich nicht mehr in dem Beschichtungsmaterial 1 befindet
Anschließend wird das Verdichterlaufrad 2 unter Drehung in die Lösung des Beschichtungsmaterials 1 eingetaucht bis es etwa bis zur radialen Hälfte in der Lösung angeordnet ist. Der Luftstrom VAIR durch die Strömungskanäle des Verdichterlaufrades 2 erfolgt hierbei permanent. Mit einer Winkelgeschwindigkeit von 4 Umdrehungen pro Minute wird das Verdichterlaufrad 2 nun mit einer Geschwindigkeit v aus dem Beschichtungsmaterial 1 gehoben, so dass nach etwa 30 Sekunden - also zwei Umdrehungen - das Verdichterlaufrad 2 sich nicht mehr in dem Beschichtungsmaterial 1 befindet.
Im folgenden Schritt S2 wird das Verdichterlaufrad 2 fortge¬ setzt mit einer Winkelgeschwindigkeit von 4 Umdrehungen pro Minute und unter Beaufschlagung mit dem Luftstrom VAIR. bis zu 3 Minuten getrocknet.
Im Anschluss daran erfolgt im dritten Schritt S3 des Verfah¬ rens eine schrittweise Wärmebehandlung, wobei in einem nicht dargestellten Trockenschrank das Verdichterlaufrad 2 15 Minu- ten einer Temperatur von 5O0C, 15 Minuten einer Temperatur von 750C und 60 Minuten einer Temperatur von 1000C ausgesetzt ist. Nach dem anschließenden Abkühlen des Werkstücks kann das Verdichterlaufrad 2 einer abschließenden Wärmebehandlung unter Hochvakuum unterzogen werden und ggf. weiteren Bearbeitungsschritten unterzogen werden.
In einem vierten Schritt S4 ist es sinnvoll, wenn das Verdichterbauteil 3 zum Aushärten der Beschichtung im Hochvakuum einer Temperatur von bis zu 5000C ausgesetzt wird.
Ein Vorbeschichten entsprechend dem mit Sl.2 bezeichneten Verfahrensschritt im Schritt Sl des Verfahrens ist insbesondere im Bereich des Eintritts 10, nämlich an Schaufeleintrittskanten 14 und im Bereich der Nabe 12 sinnvoll. Ebenso ist ein Vorbeschichten entsprechend dem mit Sl.3 bezeichneten Verfahrensschritt im Schritt Sl des Verfahrens im Bereich des Austritts zweckmäßig.
Figur 2 zeigt das Verdichterlaufrad 2 mit einem axialen Ein- tritt 10 und einem radialen Austritt 11. Die Achse zur Dre¬ hung des Verdichterlaufrades 2 wird temporär im Bereich einer Nabe 12 durchgesteckt entsprechend der konstruktiven Anord¬ nung der Drehachse im Normalbetrieb. Wichtig ist eine Be- Schichtung im Bereich der Nabe 12 und im Inneren, also an den Oberflächen der Strömungskanäle 13, die sich von dem Eintritt 10 zu dem Austritt 11 erstrecken. Die Außenflächen 14 müssen nicht beschichtet sein, da hier eine Ablagerung weder wahrscheinlich ist noch den Betrieb beeinträchtigt.
Figur 3 zeigt einen Aufbau 20, wie er zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens benutzt werden kann. Auf einer Hebebühne 30 befindet sich ein nach oben offener Behälter 31 mit dem Beschichtungsmaterial 1 als Lösung. Von oben taucht das Verdichterlaufrad 2 in die Lösung des Beschich- tungsmaterials 1 ein und ist drehbar auf einer Achse 33 gelagert. Eine Strömungsführung 5, welche hier als Plastikhaube 6 ausgebildet ist, ist an den Eintritt 10 des Verdich- terlaufrades 2 angeschlossen und führt den aus einem Ge¬ bläse 34 stammenden Luftstrom VAIR in das zu beschichtende Bauteil hinein. Der Luftstrom VAIR tritt aus den Öffnungen des radialen Austritts 11 wieder aus. Während des Auftragens des Beschichtungsmaterials 1 im Rahmen des Schrittes Sl des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt ein Heben und Absenken des Behälters 31 relativ zu dem Verdichterlaufrad 2 mit der Lösung des Beschichtungsmaterials 1, so dass stets der gewünschte Anteil des Verdichterlaufrades 2 eintaucht.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Oberflächenbeschichtung eines Bauteils Ver- dichterlaufrad (2) auf Sol-Gel-Basis, insbesondere eines geschlossenen Verdichterlaufrades (2), dadurch gekennzeichnet, dass
- in einem ersten Schritt (Sl) ein flüssiges Beschichtungsmaterial (1) umfassend nanoskalige Festkörper auf das Verdichterbauteil (3) aufgetragen wird, wobei das Verdichterbauteil (3) zumindest teilweise in das Beschichtungsmaterial (1) eingetaucht und dort gedreht wird,
- in einem zweiten Schritt (S2) das Verdichterbauteil (3) aus dem Beschichtungsmaterial (1) entnommen und gedreht wird,
- in einem dritten Schritt (S3) das Verdichterbauteil (3) einer Temperatur von 5O0C bis 15O0C ausgesetzt wird,
- in einem vierten Schritt (S4) das Verdichterbauteil (3) zum Aushärten der Beschichtung im Hochvakuum einer
Temperatur von bis zu 5000C ausgesetzt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im ersten Schritt (Sl) zunächst einzelne Bereiche, insbesondere Kanten, mit dem Beschichtungsmaterial (1) versehen werden.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Beschichtungsmaterial (1) im Sol-Gel Verfahren aufge¬ bracht wird, wobei nach dem Auftragen im ersten Schritt (Sl) die Schicht als Sol-Lösung vorliegt, nach dem Abdampfen flüssiger Bestandteile des zweiten Schritts (Sl) die Schicht als Gel vorliegt und nach einer
Wärmebehandlung (Schritte S3, S4) die Schicht als Feststoff vorliegt.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verdichterbauteil (3) in dem ersten Schritt (Sl) mit etwa 4 Umdrehungen pro Minute gedreht wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verdichterbauteil (3) während des ersten Schrittes (Sl) mit den radial außen liegenden Bereichen in das Beschichtungsmaterial (1) eintaucht.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in dem zweiten Schritt (S2) das Verdichterbauteil (3) unter fortgesetzter Drehung mit einem Gasstrom, insbesondere Luftstrom (VAIR) beaufschlagt wird.
7. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Luftstrom (VAIR) mittels mindestens einer Strömungs¬ führung (5) durch die Strömungskanäle des Verdichterbau¬ teiles geleitet wird.
8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht eine Dicke von 15μm in einem Durchgang der Verfahrensschritte nicht übersteigt.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem ersten Schritt (Sl) das Verdichterbauteil (3) zunächst etwa 20mm in des Beschichtungsmaterial (1) eingetaucht wird und das Verdichterbauteil (3) nach ein bis zehn Umdrehungen sich drehend aus dem Beschichtungsmaterial (1) entnommen wird und nach einer bestimmten Zeit das Verdichterbauteil (3) etwa bis zur Hälfte des Durchmessers in das Beschichtungsmaterial (1) eingetaucht wird, wobei durch das Innere des Verdichterbauteiles ein Gas¬ strom (Luftstrom VAIR) geblasen wird.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem dritten Schritt (S3) das Verdichterbauteil (3) 15 min einer Temperatur von 5O0C, 15min einer Temperatur von 750C und 60 min einer Temperatur von 1000C ausgesetzt wird.
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