WO2009144109A1 - Verfahren zum hochgeschwindigkeits-flammspritzen - Google Patents

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WO2009144109A1
WO2009144109A1 PCT/EP2009/055261 EP2009055261W WO2009144109A1 WO 2009144109 A1 WO2009144109 A1 WO 2009144109A1 EP 2009055261 W EP2009055261 W EP 2009055261W WO 2009144109 A1 WO2009144109 A1 WO 2009144109A1
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coating
component surface
particle stream
particle
angle
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PCT/EP2009/055261
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English (en)
French (fr)
Inventor
Thomas Berndt
Francis-Jurjen Ladru
Original Assignee
Siemens Aktiengesellschaft
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C4/00—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge
    • C23C4/12—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge characterised by the method of spraying
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B05—SPRAYING OR ATOMISING IN GENERAL; APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05B—SPRAYING APPARATUS; ATOMISING APPARATUS; NOZZLES
    • B05B7/00—Spraying apparatus for discharge of liquids or other fluent materials from two or more sources, e.g. of liquid and air, of powder and gas
    • B05B7/16—Spraying apparatus for discharge of liquids or other fluent materials from two or more sources, e.g. of liquid and air, of powder and gas incorporating means for heating or cooling the material to be sprayed
    • B05B7/20—Spraying apparatus for discharge of liquids or other fluent materials from two or more sources, e.g. of liquid and air, of powder and gas incorporating means for heating or cooling the material to be sprayed by flame or combustion

Definitions

  • the invention relates to a method for applying a coating to a component surface by high-speed flame spraying, in which particles of a coating material are at least partially melted and discharged as particle flow at high speed onto the component surface. Furthermore, a coating which can be produced according to the process, a turbine blade with this coating and a device for applying this coating are the subject of the invention.
  • Turbine blades of gas turbines are provided for example with coating systems, which are constructed of two superimposed webs.
  • an MCrAlY primer is applied directly to the surface of the turbine blade, on which in turn a ceramic thermal barrier coating is arranged.
  • the primer has a high surface roughness, since only then is sufficient bonding of the primer to the thermal barrier coating ensured.
  • the primer may be applied to the turbine blade by high velocity flame spraying (HVOF).
  • HVOF high velocity flame spraying
  • MCrAlY particles are introduced with a carrier gas into a burner which burns supplied fuel and oxygen at high temperature.
  • the MCrAlY particles are at least partially melted, transported and then released as particle flow at high speed onto the component surface.
  • the particle flow is aligned so that it impinges perpendicular to the component surface.
  • the problem arises that the resulting primer has too low a roughness.
  • the interlocking of a subsequently applied thermal barrier coating with the primer is not high enough to permanently withstand the stresses experienced by the coating system during operation. For this reason, detachments may occur in the known coating systems.
  • This object is achieved in a generic method in that the particle flow is aligned to include during application of the coating with the component surface angle not equal to 90 °.
  • the basic idea of the invention is to align the particle flow so that it encloses an angle with the component surface which is not equal to 90 °.
  • the particle flow is thus inclined to the component surface and, in contrast to the method known in the prior art, impinges obliquely on the component surface.
  • the coating applied by the method according to the invention has a particularly high roughness.
  • the compaction caused by the high kinetic energy does not occur equally, but depends on the angle of incidence.
  • the oblique impingement of the particle flow on the component surface causes that the coating receives a rough surface texture.
  • the particle flow is guided over the component surface, in order to apply the coating over the entire surface.
  • the particle stream in such a way that it encloses a constant angle, not equal to 90 °, when the coating is applied to the component surface.
  • the particle flow impinges on the component surface at a constant angle, or it is inclined at a constant angle to the component surface.
  • the particle flow can also be aligned during application of the coating so that it includes different angles not equal to 90 ° with the component surface.
  • the orientation of the particle flow is varied during application.
  • the particle stream then impinges on the component surface at different angles, i. the particle flow is inclined at different angles to the component surface during the application of the coating.
  • the particle flow with the component surface at an angle of 30 ° to 80 °, in particular 45 ° to 70 °.
  • a particularly high surface roughness is achieved at these angles.
  • the coating can also be applied to the component surface in several adjacent webs.
  • the particle stream includes a first angle and during the application of a second web a second angle the first and second angles differ.
  • the particle stream may also be oriented to be tilted to one side during application of the first web relative to an axis normal to the component surface and inclined to the other side during application of the second web relative to the axis.
  • the amounts of inclination angle can be the same size or different sizes.
  • the particle flow may be in the plane defined by the particular web and perpendicular to the component surface.
  • the particle flow always hits exactly in the direction of the web or exactly opposite to the component surface.
  • the angles in adjacent tracks are set from opposite ends of the tracks. Since the waviness is dependent on the direction in which the particle stream impinges on the component surface, as a result of the respectively opposite orientation of the particle stream in adjacent webs, the component surface as a whole can have the greatest possible roughness.
  • the particle flow is aligned in order to include different angles not equal to 90 ° with the component surface during the application of a web. In this case, therefore, the orientation of the particle flow is varied during the application of a single web.
  • the direction of travel of the particle stream may be opposite between adjacent webs, so that the particle flow, for example, can always be applied at an angle with respect to the direction of movement.
  • the width of adjacent tracks can each be set differently.
  • the particle flow is not changed, but the different width results from a larger or smaller overlap of the webs in their edge regions.
  • the roughness of the component surface can be further increased overall.
  • the traversing speed of the particle flow between adjacent tracks can be chosen differently. This has an additional influence on the waviness of the surface of the coating and, due to variations in waviness, can lead to an overall increased roughness of the surface.
  • a lower layer can be applied to the component surface, in particular by high-speed flame spraying, prior to application of the coating.
  • the underlayer particles of the coating material which have a smaller average diameter than the particles used for the coating. In this way, a dense underlayer is efficiently obtained.
  • the lower layer can in particular be formed from MCrAlY.
  • the webs of the lower layer and the coating against each other twisted, in particular by 90 °, can be applied.
  • the twisted travel direction can be easily achieved e.g. can be achieved by rotating the workpiece and improves the structure of the coating and its adhesion to the underlayer.
  • a particular embodiment of the invention can be applied in a single operation of a first particle flow, which includes an angle of 90 ° with the component surface, the lower layer and a second particle flow, which includes an angle not equal to 90 ° with the component surface, the coating.
  • the particle stream which forms the lower layer first meets, and then the second particle stream which forms the coating.
  • the coatings in the contact area can partially penetrate and thus achieve improved adhesion, as if the underlayer is first applied and then allowed to cool, so that it becomes rigid.
  • a movable device is provided with two burners, in which the first burner is arranged so that it emits a first particle flow at an angle of 90 ° to the component surface, and the second burner is arranged so that it has a second particle flow in one Angle not equal to 90 ° emits on the component surface, wherein the second particle flow in the direction of travel behind the first particle flow hits the component surface.
  • Both the underlayer and the coating can be applied to the component surface.
  • the device may be rotatable about the axis of the first particle flow.
  • the coating can be mounted, for example, in parallel tracks on the component surface, with an adaptation to the respective new direction of movement is possible by rotating the device at the tail. Since the coating always has to be applied to the lower layer, the second particle stream must always strike the component surface in the direction of movement behind the first particle stream.
  • the second burner can be arranged pivotably, so that the angle at which the second burner the second
  • Particle stream radiates is adjustable.
  • the device can also exploit the aforementioned advantages by an angular variation in the attachment of the coating.
  • a ceramic thermal barrier coating can be applied to the coating.
  • the thermal barrier coating may preferably be an APS coating. But even with layers that are dipped (dip coating), a higher roughness for the clamping is desirable.
  • the coating can also be applied to a turbine blade.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of the application of a lower layer to a turbine blade according to a first embodiment of the present invention
  • FIG. 2 shows a schematic representation of the application of a path of a coating onto the turbine blade of FIG. 1 according to the first embodiment
  • Figure 3 is a schematic representation of the application of a further web of the coating on the turbine blade of Figure 1 according to the first embodiment
  • FIG. 4 is a schematic illustration of the application of an undercoat together with the application of the coating to a turbine blade according to a second embodiment of the present invention.
  • FIGS. 1 to 3 schematically show a method according to the invention for applying a coating 1 to a surface of a turbine blade 2 according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 shows the application of a lower layer 3 to the surface of the turbine blade 2 by high-velocity flame spraying.
  • coating particles of MCrAlY are fed to a burner 4 in a carrier gas.
  • a fuel and oxygen are introduced into the burner 4.
  • the fuel and the oxygen are mixed in the burner 4 and burned.
  • the coating particles are injected in the carrier gas at high speed as a particle stream 6.
  • the coating particles melt at least partially when passing through the flame 5 and then impinge on the surface of the turbine blade 2, where they remain solidified.
  • the particle stream 6 is passed over the surface to form the underlayer 3.
  • the particle stream 6 is oriented so as to form an angle a of 90 ° with the surface of the turbine blade 2.
  • the obtained underlayer 3 is applied with good application efficiency and has a relatively low surface roughness.
  • FIG. 2 shows the application of a first web 7 of the coating 1 on the underlayer 3.
  • coating particles of MCrAlY are supplied to the burner 4, which particles have a larger average diameter than the particles used for the formation of the underlayer 3.
  • the coating particles are melted in the manner described above at least partially in the flame 5 and discharged as a particle stream 6 at high speed in the direction of the surface of the turbine blade 2. There they meet the lower layer 3 and form on this the first web 7 of the coating 1, while the particle stream 6 is moved over the lower layer 3.
  • the particle stream 6 is oriented so that it encloses a constant angle b not equal to 90 ° with the surface of the turbine blade 2.
  • the burner 4 is tilted to the left in the drawing.
  • the particle flow 6 is thus in the plane which is defined by the first web 7 and is perpendicular to the component surface.
  • the particle stream 6 emitted by the burner is then inclined relative to the surface of the turbine blade 2 and impinges obliquely thereon.
  • the first web 7 of the coating 1 applied in this way has a high surface roughness. This is due to the fact that projecting regions 7A of the first web 7, which are shown enlarged in the drawing for clarity, are formed in a wave shape counter to the direction of inclination of the burner 4. This surface configuration contributes significantly to the increase in surface roughness.
  • FIG. 3 shows the application of a second web 8 of the coating 1. This takes place analogously to the application of the first web 7.
  • the burner 4 is tilted to the right relative to its position in FIG. 1, so that the particle flow 6 again impinging on the surface with the inclusion of an angle c not equal to 90 °.
  • the second web 8 is formed with projecting portions 8A, which are oriented opposite to the projecting portions 7A of the first web 7.
  • the second web 8 also has a high surface roughness, the overall roughness of the surface being additionally reinforced by the different orientation of the projecting regions 7A, 8A.
  • the direction of travel of the second web 8 results opposite to that of the first web 7, since upon reaching the end of the first web 7 of the particle 6 directly to the second track 8 is directed.
  • the traversing speed of the particle stream 6 is chosen differently for the two webs 7, 8, as are the angles b, c.
  • the burner is moved at different distances between adjacent webs 7, 8, which results in different degrees of coverage of the webs 7, 8 in the edge regions. This results in a different width of the webs 7, 8.
  • the turbine blade 2 was rotated by 90 °, so that the webs 7, 8 of the lower layer 3 and the coating 1 are correspondingly twisted against each other. Since the lower layer 3 has a homogeneous structure after application, this is not apparent from the drawing.
  • a thermal barrier coating such as a ceramic APS coating. This is then clamped strongly due to the high surface roughness of the coating 1.
  • a device 9 which comprises two substantially identical burners 4A, 4B.
  • the first burner 4A is arranged perpendicular to the surface of the turbine blade 2, whereas the second burner 4B is arranged at an angle b not equal to 90 ° to the surface.
  • the second particle stream 6A of the second burner 4B strikes the first particle stream 6A offset laterally on the surface.
  • the two burners 4A, 4B are fixed to one another via a transverse strut 10.
  • the strut 10 is e.g. with screws or bolts 11 connected to the burners 4A, 4B.
  • the angle b at which the second particle flow 6B impinges on the surface is adjustable.
  • the second particle flow 6 B is aligned in each case so that it is following the application of the Sub-layer 3 impinges on the component surface.
  • the application of the coating 1 is analogous to the embodiment described above.
  • the device as a whole is moved in tracks 7, 8 over the component surface, so that in the traversing direction always first the lower layer 3 and then the coating 1 is applied.
  • the webs 7, 8 are usually applied in the opposite direction, whereby the direction of movement of the device 9 is in each case opposite.
  • the second particle flow 6B can thus be adapted to the direction of movement of the device 9, that despite the opposite direction of movement in each case first the lower layer 3 and only after the coating 1 on the component surface is applied. This achieves the same sequence of layers in just one operation as in the previously described exemplary embodiment.

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Auftragung einer Beschichtung (1) auf eine Bauteiloberfläche durch Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen, bei dem Partikel eines Beschichtungsmaterials zumindest teilweise aufgeschmolzen und als Partikelstrom (6) mit hoher Geschwindigkeit auf die Bauteiloberfläche abgegeben werden, wobei der Partikelstrom (6) ausgerichtet wird, um während der Auftragung der Beschichtung mit der Bauteiloberfläche Winkel (b, c) ungleich 90° einzuschließen. Weiterhin betrifft die Erfindung eine nach dem Verfahren herstellbare Beschichtung (1), eine Turbinenschaufel (2) mit dieser Beschichtung (1) und eine Vorrichtung (9) zur Auftragung dieser Beschichtung (1).

Description

Verfahren zum Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Auftragung einer Be- schichtung auf eine Bauteiloberfläche durch Hochgeschwindig- keits-Flammspritzen, bei dem Partikel eines Beschichtungs- materials zumindest teilweise aufgeschmolzen und als Partikelstrom mit hoher Geschwindigkeit auf die Bauteiloberfläche abgegeben werden. Weiterhin sind eine gemäß dem Verfahren herstellbare Beschichtung, eine Turbinenschaufel mit dieser Beschichtung und eine Vorrichtung zur Auftragung dieser Beschichtung Gegenstand der Erfindung.
Bauteile, die in einer heißen und aggressiven Umgebung eingesetzt werden, müssen gegenüber diesen schädlichen Einflüssen geschützt werden. Turbinenschaufeln von Gasturbinen werden beispielsweise mit Beschichtungssystemen versehen, die aus zwei übereinander liegenden Bahnen aufgebaut sind. Dabei ist direkt auf die Oberfläche der Turbinenschaufel ein MCrAlY- Haftgrund aufgetragen, auf dem wiederum eine keramische Wärmedämmschicht angeordnet ist.
Bei dieser Art von Beschichtungssystem ist es von besonderer Bedeutung, dass der Haftgrund eine hohe Oberflächenrauheit aufweist, da nur dann eine ausreichende Verklammerung des Haftgrunds mit der Wärmedämmschicht sicher gestellt ist.
Der Haftgrund kann durch Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen (HVOF) auf die Turbinenschaufel aufgetragen werden. Dazu werden MCrAlY-Partikel mit einem Trägergas in einen Brenner eingebracht, der zugeführten Brennstoff und Sauerstoff bei hoher Temperatur verbrennt. In der dabei gebildeten Flamme des Brenners werden die MCrAlY-Partikel zumindest teilweise aufgeschmolzen, transportiert und dann als Partikelstrom mit hoher Geschwindigkeit auf die Bauteiloberfläche abgegeben. Dabei wird der Partikelstrom so ausgerichtet, dass er senkrecht auf die Bauteiloberfläche auftrifft. Ein derartiges Verfahren ist beispielsweise in der DE 698 28 732 T2 beschrieben .
Allerdings tritt bei dem bekannten Verfahren das Problem auf, dass der erhaltene Haftgrund eine zu geringe Rauheit aufweist. In der Folge ist die Verklammerung einer anschließend aufgebrachten Wärmedämmschicht mit dem Haftgrund nicht hoch genug, um den Belastungen, denen das Beschichtungssystem während des Betriebs ausgesetzt ist, auf Dauer zu widerstehen. Aus diesem Grund kann es bei den bekannten Beschichtungssys- temen zu Ablösungen kommen.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren der Eingangs genannten Art anzugeben, mit dessen Hilfe durch Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen eine Beschichtung auf ein Bauteil aufgetragen werden kann, die eine hohe Rauheit aufweist. Dabei ist es insbesondere wichtig, nicht nur eine Welligkeit (vgl. Sinus) einzustellen. Vielmehr sind Hin- terschneidungen und Mikrorauheiten zu generieren.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem gattungsgemäßen Verfahren dadurch gelöst, dass der Partikelstrom ausgerichtet wird, um während der Auftragung der Beschichtung mit der Bauteiloberfläche Winkel ungleich 90° einzuschließen.
Grundgedanke der Erfindung ist es, den Partikelstrom so auszurichten, dass er mit der Bauteiloberfläche einen Winkel einschließt, der ungleich 90° ist. Der Partikelstrom wird also zu der Bauteiloberfläche geneigt und trifft im Gegensatz zu dem im Stand der Technik bekannten Verfahren schräg auf die Bauteiloberfläche auf. Überraschender Weise ist nämlich festgestellt worden, dass die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren aufgebrachte Beschichtung eine besonders hohe Rauheit aufweist. Die Verdichtung, die durch die hohe kinetische Energie verursacht wird, findet nicht gleichermaßen statt, sondern ist abhängig vom Auftreffwinkel. Somit bewirkt das schräge Auftreffen des Partikelstroms auf der Bauteiloberflä- che, dass die Beschichtung eine raue Oberflächenstruktur erhält.
Gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung ist vorgese- hen, dass der Partikelstrom über die Bauteiloberfläche geführt wird, um die Beschichtung flächig aufzutragen.
Dabei ist es möglich, den Partikelstrom so auszurichten, dass er bei der Auftragung der Beschichtung mit der Bauteilober- fläche einen konstanten Winkel ungleich 90° einschließt. In diesem Fall trifft der Partikelstrom unter einem konstanten Winkel auf die Bauteiloberfläche auf, bzw. er ist um einen konstanten Winkel zu der Bauteiloberfläche geneigt.
Der Partikelstrom kann auch während des Auftragens der Beschichtung so ausgerichtet werden, dass er mit der Bauteiloberfläche unterschiedliche Winkel ungleich 90° einschließt. Bei dieser Ausführungsform wird die Ausrichtung des Partikelstroms während der Auftragung variiert. Der Partikelstrom trifft dann unter verschiedenen Winkeln auf die Bauteiloberfläche auf, d.h. der Partikelstrom ist während der Auftragung der Beschichtung um unterschiedliche Winkel zu der Bauteiloberfläche geneigt.
Vorzugsweise schließt der Partikelstrom mit der Bauteiloberfläche einen Winkel von 30° bis 80°, insbesondere 45° bis 70° ein. Wie sich in der Praxis gezeigt hat, wird bei diesen Winkeln eine besonders hohe Oberflächenrauheit erreicht.
Die Beschichtung kann auch in mehreren nebeneinander liegenden Bahnen auf die Bauteiloberfläche aufgebracht werden. Dabei ist es insbesondere möglich, den Partikelstrom so auszurichten, dass er während der Auftragung der einzelnen Bahnen jeweils von Bahn zu Bahn unterschiedliche Winkel mit der Bauteiloberfläche einschließt. In diesem Fall schließt der Partikelstrom während der Auftragung einer ersten Bahn mit der Bauteiloberfläche einen ersten Winkel und während der Auftragung einer zweiten Bahn einen zweiten Winkel ein, wobei sich der erste und der zweite Winkel unterscheiden. Insbesondere kann der Partikelstrom auch so ausgerichtet werden, dass er während der Auftragung der ersten Bahn relativ zu einer Achse senkrecht zur Bauteiloberfläche zu einer Seite und wäh- rend der Auftragung der zweiten Bahn relativ zu der Achse zu der anderen Seite geneigt wird. Dabei können die Beträge der Neigungswinkel gleich groß oder unterschiedlich groß sein.
Auch kann der Partikelstrom in der Ebene liegen, die durch die jeweilige Bahn definiert wird und senkrecht zur Bauteiloberfläche liegt. Somit trifft der Partikelstrom immer genau in Richtung der Bahn oder genau entgegengesetzt dazu auf die Bauteiloberfläche. Bevorzugterweise sind dabei die Winkel in benachbarten Bahnen von gegenüberliegenden Enden der Bahnen aus eingestellt. Da die Welligkeit abhängig von der Richtung ist, mit der der Partikelstrom auf die Bauteiloberfläche auftrifft, kann durch die jeweils entgegengesetzte Ausrichtung des Partikelstroms in benachbarten Bahnen die Bauteiloberfläche insgesamt eine größtmögliche Rauheit aufweisen.
Zusätzlich kann vorgesehen sein, dass bei der Auftragung der Beschichtung in Bahnen der Partikelstrom ausgerichtet wird, um während der Auftragung einer Bahn unterschiedliche Winkel ungleich 90° mit der Bauteiloberfläche einzuschließen. In diesem Fall wird also die Ausrichtung des Partikelstroms während der Auftragung einer einzelnen Bahn variiert.
Darüber hinaus kann die Verfahrrichtung des Partikelstroms zwischen nebeneinander liegenden Bahnen entgegengesetzt sein, so dass der Partikelstrom zum Beispiel immer mit einem Winkel bezogen auf die Bewegungsrichtung aufgetragen werden kann.
Auch kann die Breite von nebeneinander liegenden Bahnen jeweils unterschiedlich eingestellt werden. Dazu wird der Par- tikelstrom nicht verändert, sondern die unterschiedliche Breite ergibt sich durch eine größere oder kleinere Überdeckung der Bahnen in ihren Randbereichen. Damit kann die Rauheit der Bauteiloberfläche insgesamt weiter erhöht werden. Außerdem kann die Verfahrgeschwindigkeit des Partikelstroms zwischen nebeneinander liegenden Bahnen unterschiedlich gewählt sein. Dies hat zusätzlichen Einfluss auf die Welligkeit der Oberfläche der Beschichtung und kann durch Variationen der Welligkeit zu einer insgesamt erhöhten Rauheit der Oberfläche sorgen.
Es ist ebenfalls möglich ein Haftgrundbeschichtung, insbesondere aus MCrAlY, mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens auf das Bauteil aufzubringen.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann vor der Auftragung der Beschichtung eine Unterschicht insbesondere durch Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen auf die Bauteiloberfläche aufgebracht werden. Dabei können für die Unterschicht Partikel des Beschichtungsmaterials verwendet werden, die einen kleineren mittleren Durchmesser als die Partikel haben, die für die Beschichtung verwendet werden. Auf diese Weise wird effizient eine dichte Unterschicht erhalten. Die Unterschicht kann insbesondere aus MCrAlY ausgebildet werden.
Auch können die Bahnen der Unterschicht und der Beschichtung gegeneinander verdreht, insbesondere um 90°, aufgetragen werden. Die verdrehte Verfahrrichtung kann auf einfache Weise z.B. durch das Drehen des Werkstücks erreicht werden und verbessert die Struktur der Beschichtung und deren Haftung auf der Unterschicht.
In besonderer Ausgestaltung der Erfindung können in einem Arbeitsgang von einem ersten Partikelstrom, der mit der Bauteiloberfläche einen Winkel von 90° einschließt, die Unterschicht und von einem zweiten Partikelstrom, der mit der Bauteiloberfläche einen Winkel ungleich 90° einschließt, die Beschichtung aufgetragen werden. Dabei trifft an einer Stelle der Bauteiloberfläche zunächst der Partikelstrom auf, der die Unterschicht bildet, und anschließend der zweite Partikelstrom, der die Beschichtung bildet. Durch das gleichzeitige Auftragen der beiden Schichten wird eine Zeitersparnis in der Herstellung erreicht. Außerdem können sich die Beschichtungen im Kontaktbereich teilweise durchdringen und somit eine verbesserte Haftung erreichen, als wenn die Unterschicht erst aufgetragen wird und danach abkühlen kann, so dass sie er- starrt.
Dazu ist eine verfahrbare Vorrichtung mit zwei Brennern bereitgestellt, bei der der erste Brenner so angeordnet ist, dass er einen ersten Partikelstrom in einem Winkel von 90° auf die Bauteiloberfläche abgibt, und der zweite Brenner so angeordnet ist, dass er einen zweiten Partikelstrom in einem Winkel ungleich 90° auf die Bauteiloberfläche abgibt, wobei der zweite Partikelstrom in Verfahrrichtung hinter dem ersten Partikelstrom auf die Bauteiloberfläche trifft. Mit dieser Vorrichtung können also, wie zuvor beschrieben, in einem
Arbeitsgang sowohl die Unterschicht wie auch die Beschichtung auf der Bauteiloberfläche angebracht werden.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann die Vorrichtung um die Achse des ersten Partikelstroms drehbar sein. Damit kann die Beschichtung zum Beispiel in parallelen Bahnen auf der Bauteiloberfläche angebracht werden, wobei durch das Drehen der Vorrichtung am Bahnende eine Anpassung an die jeweilige neue Bewegungsrichtung möglich ist. Da die Beschichtung immer auf die Unterschicht aufgetragen werden muss, muss der zweite Partikelstrom immer in Bewegungsrichtung hinter dem ersten Partikelstrom auf die Bauteiloberfläche treffen.
Auch kann der zweite Brenner verschwenkbar angeordnet sein, so dass der Winkel, in dem der zweite Brenner den zweiten
Partikelstrom abstrahlt, einstellbar ist. Damit kann die Vorrichtung auch die zuvor genannten Vorteile durch eine Winkelvariation bei der Anbringung der Beschichtung ausnutzen.
Auf die Beschichtung kann zusätzlich eine keramische Wärmedämmschicht aufgetragen werden. Bei der Wärmedämmschicht kann es sich bevorzugt um eine APS-Schicht handeln. Aber auch bei Schichten, die gedippt werden (Tauchbeschich- tung) , ist eine höhere Rauheit für die Verklammerung anzustreben .
Die Beschichtung kann auch auf eine Turbinenschaufel aufgebracht werden.
Weitere Gegenstände der Erfindung sind eine nach dem erfindungsgemäßen Verfahren herstellbare Beschichtung sowie eine Turbinenschaufel mit dieser Beschichtung.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung im Detail erläutert. In der Zeichnung zeigen
Figur 1 eine schematische Darstellung der Auftragung einer Unterschicht auf eine Turbinenschaufel gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
Figur 2 eine schematische Darstellung der Auftragung einer Bahn einer Beschichtung auf die Turbinenschaufel der Figur 1 gemäß der ersten Ausführungsform,
Figur 3 eine schematische Darstellung der Auftragung einer weiteren Bahn der Beschichtung auf die Turbinenschaufel der Figur 1 gemäß der ersten Ausführungsform, und
Figur 4 eine schematische Darstellung der Auftragung einer Unterschicht zusammen mit der Auftragung der Beschichtung auf eine Turbinenschaufel gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
In den Figuren 1 bis 3 ist schematisch ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Auftragung einer Beschichtung 1 auf eine Oberfläche einer Turbinenschaufel 2 gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Die Figur 1 zeigt die Auftragung einer Unterschicht 3 auf die Oberfläche der Turbinenschaufel 2 durch Hochgeschwindigkeits- Flammspritzen. Dazu werden Beschichtungspartikel aus MCrAlY einem Brenner 4 in einem Trägergas zugeführt. Gleichzeitig werden in den Brenner 4 ein Brennstoff und Sauerstoff eingeleitet. Der Brennstoff und der Sauerstoff werden im Brenner 4 vermischt und verbrannt. In die hierbei entstehende Flamme 5 werden die Beschichtungspartikel in dem Trägergas mit hoher Geschwindigkeit als Partikelstrom 6 eingedüst. Die Beschichtungspartikel schmelzen beim Durchgang durch die Flamme 5 zumindest teilweise und treffen dann auf die Oberfläche der Turbinenschaufel 2 auf, wo sie erstarrt haften bleiben.
Der Partikelstrom 6 wird über die Oberfläche geführt, um die Unterschicht 3 auszubilden. Während der Auftragung der Unterschicht 3 ist der Partikelstrom 6 so ausgerichtet, dass er mit der Oberfläche der Turbinenschaufel 2 einen Winkel a von 90° einschließt. Dies führt dazu, dass die erhaltene Unterschicht 3 mit einer guten Auftragseffizienz aufgebracht wird und eine relativ geringe Oberflächenrauheit aufweist.
Die Figur 2 zeigt die Auftragung einer ersten Bahn 7 der Be- schichtung 1 auf der Unterschicht 3. Dazu werden dem Brenner 4 Beschichtungspartikel aus MCrAlY zugeführt, die einen größeren mittleren Durchmesser als die Partikel haben, die für die Ausbildung der Unterschicht 3 verwendet wurden.
Die Beschichtungspartikel werden in der oben beschrieben Weise zumindest teilweise in der Flamme 5 aufgeschmolzen und als Partikelstrom 6 mit hoher Geschwindigkeit in Richtung der Oberfläche der Turbinenschaufel 2 abgegeben. Dort treffen sie auf die Unterschicht 3 auf und bilden auf dieser die erste Bahn 7 der Beschichtung 1 aus, während der Partikelstrom 6 über die Unterschicht 3 bewegt wird. Während der Auftragung der ersten Bahn 7 ist der Partikelstrom 6 so ausgerichtet, dass er mit der Oberfläche der Turbinenschaufel 2 einen konstanten Winkel b ungleich 90° einschließt. Dazu wird der Brenner 4 in der Zeichnung nach links gekippt. Der Partikelstrom 6 liegt also in der Ebene, die durch die erste Bahn 7 definiert wird und senkrecht zur Bauteiloberfläche liegt. Der vom Brenner abgegebene Partikelstrom 6 ist dann gegenüber der Oberfläche der Turbinenschaufel 2 geneigt und trifft schräg auf diese auf.
Die auf diese Weise aufgetragene erste Bahn 7 der Beschich- tung 1 weist eine hohe Oberflächenrauheit auf. Dies ist dadurch bedingt, dass vorragende Bereiche 7A der ersten Bahn 7, die in der Zeichnung zur Verdeutlichung vergrößert darge- stellt sind, wellenförmig entgegen der Neigungsrichtung des Brenners 4 ausgebildet sind. Diese Oberflächenkonfiguration trägt maßgeblich zur Erhöhung der Oberflächenrauheit bei.
Die Figur 3 zeigt schließlich die Auftragung einer zweiten Bahn 8 der Beschichtung 1. Diese erfolgt analog zu der Auftragung der ersten Bahn 7. Im Unterschied hierzu ist lediglich der Brenner 4 gegenüber seiner Position in der Figur 1 nach rechts gekippt, so dass der Partikelstrom 6 wiederum unter Einschluss eines Winkels c ungleich 90° auf die Oberfläche auftrifft.
Aufgrund der Neigung des Partikelstroms 6, ist die zweite Bahn 8 mit vorragenden Bereichen 8A ausgebildet, die gegen- läufig zu den vorragenden Bereichen 7A der ersten Bahn 7 orientiert sind. Auch die zweite Bahn 8 weist eine hohe Oberflächenrauheit auf, wobei die Gesamtrauheit der Oberfläche durch die Unterschiedliche Orientierung der vorragenden Bereiche 7A, 8A zusätzlich verstärkt wird.
Die Verfahrrichtung der zweiten Bahn 8 ergibt sich dabei entgegengesetzt zu der der ersten Bahn 7, da beim Erreichen des Endes der ersten Bahn 7 der Partikelstrom 6 direkt auf die zweite Bahn 8 gelenkt wird. Die Verfahrgeschwindigkeit des Partikelstroms 6 ist dabei für die beiden Bahnen 7, 8 unterschiedlich gewählt, ebenso wie die Winkel b, c. Zusätzlich wird der Brenner mit unterschiedlichen Abständen zwischen be- nachbarten Bahnen 7, 8 verfahren, wodurch sich eine unterschiedlich starke Überdeckung der Bahnen 7, 8 in den Randbereichen ergibt. Dies resultiert in einer unterschiedlichen Breite der Bahnen 7, 8. Zwischen dem Auftragen der Unterschicht 3 und der Beschichtung wurde die Turbinenschaufel 2 um 90° gedreht, sodass die Bahnen 7, 8 der Unterschicht 3 und der Beschichtung 1 entsprechend gegeneinander verdreht aufgetragen sind. Da die Unterschicht 3 nach dem Auftragen eine homogene Struktur aufweist, ist dies aus der Zeichnung nicht ersichtlich.
Auf die Beschichtung 1 kann noch eine Wärmedämmschicht, beispielsweise eine keramische APS-Schicht aufgebracht werden. Diese ist dann auf Grund der hohen Oberflächenrauheit der Beschichtung 1 stark mit dieser verklammert.
In einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist eine Vorrichtung 9 vorgesehen, die zwei im Wesentlichen identische Brenner 4A, 4B umfasst. Der erste Brenner 4A ist senkrecht zur Oberfläche der Turbinenschaufel 2 angeordnet, wohingegen der zweite Brenner 4B mit einem Winkel b ungleich 90° zur Oberfläche angeordnet ist. Der zweite Partikelstrom 6A des zweiten Brenners 4B trifft dabei zum ersten Partikelstrom 6A seitlich versetzt auf die Oberfläche. Die beiden Brenner 4A, 4B sind über eine Querstrebe 10 aneinander fixiert. Dazu ist die Strebe 10 z.B. mit Schrauben oder Bolzen 11 mit den Brennern 4A, 4B verbunden. Der Winkel b, mit dem der zweite Partikelstrom 6B auf die Oberfläche trifft, ist einstellbar.
Mit dem ersten Brenner 4A wird, wie zuvor beschrieben, die
Unterschicht 3 auf der Oberfläche ausgebildet. Beim Auftragen der Beschichtung 1 wird der zweite Partikelstrom 6B jeweils so ausgerichtet, dass er im Anschluss an das Auftragen der Unterschicht 3 auf die Bauteiloberfläche auftrifft. Auch das Aufbringen der Beschichtung 1 erfolgt analog zu dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel. Für das Aufbringen beider Schichten 1, 3 wird die Vorrichtung insgesamt in Bahnen 7, 8 über die Bauteiloberfläche verfahren, so das in Verfahrrichtung immer zuerst die Unterschicht 3 und danach die Beschichtung 1 aufgetragen wird.
Beim bahnweisen Aufbringen der Beschichtungen 1, 3 werden die Bahnen 7, 8 üblicherweise in entgegengesetzter Richtung aufgetragen, wodurch die Bewegungsrichtung der Vorrichtung 9 jeweils entgegengesetzt ist. Durch das Drehen der Vorrichtung 9 um die Achse des ersten Partikelstroms 6A kann damit der zweite Partikelstrom 6B so an die Bewegungsrichtung der Vor- richtung 9 angepasst werden, dass trotz entgegengesetzter Bewegungsrichtung jeweils zunächst die Unterschicht 3 und erst im Anschluss die Beschichtung 1 auf die Bauteiloberfläche aufgetragen wird. Damit wird in nur einem Arbeitsgang die gleiche Schichtfolge erreicht wie im zuvor beschriebenen Aus- führungsbeispiel .

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Auftragung einer Beschichtung (1) auf eine Bauteiloberfläche durch Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen, bei dem Partikel eines Beschichtungsmaterials zumindest teilweise aufgeschmolzen und als Partikelstrom (6) mit hoher Geschwindigkeit auf die Bauteiloberfläche abgegeben werden,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Partikelstrom (6) ausgerichtet wird, um während der Auftragung der Beschichtung (1) mit der Bauteiloberfläche Winkel (b, c) ungleich 90° einzuschließen.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
der Partikelstrom (6) über die Bauteiloberfläche geführt wird, um die Beschichtung (1) flächig auf die Bauteiloberfläche aufzutragen.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
der Partikelstrom (6) ausgerichtet wird, um mit der Bauteiloberfläche einen konstanten Winkel (b, c) ungleich 90° einzu- schließen.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass
der Partikelstrom (6) ausgerichtet wird, um mit der Bauteiloberfläche unterschiedliche Winkel (b, c) ungleich 90° einzuschließen .
5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass
der Partikelstrom (6) einen Winkel (b, c) von 30° - 80°, insbesondere 45° - 70°, mit der Bauteiloberfläche einschließt.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
die Beschichtung (1) in mehreren nebeneinander liegenden Bah- nen (7, 8) auf die Bauteiloberfläche aufgebracht wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass
der Partikelstrom (6) ausgerichtet wird, um während der Auftragung der einzelnen Bahnen (7, 8) jeweils von Bahn zu Bahn unterschiedliche Winkel (b, c) ungleich 90° mit der Bauteiloberfläche einzuschließen.
8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass
der Partikelstrom (6) in der Ebene liegt, die durch die jeweilige Bahn (7, 8) definiert wird und senkrecht zur Bauteiloberfläche liegt.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass
die Winkel (b, c) in benachbarten Bahnen (7, 8) von gegen- überliegenden Enden der Bahnen (7, 8) aus eingestellt werden
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass
der Partikelstrom (6) ausgerichtet wird, um während der Auftragung einer Bahn (7, 8) unterschiedliche Winkel (b, c) mit der Bauteiloberfläche einzuschließen.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass
die Verfahrrichtung des Partikelstroms (6) zwischen nebenein- ander liegenden Bahnen (7, 8) entgegengesetzt ist.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass
die Breite von nebeneinander liegenden Bahnen (7, 8) jeweils unterschiedlich eingestellt wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass
die Verfahrgeschwindigkeit des Partikelstroms (6) zwischen nebeneinander liegenden Bahnen (7, 8) unterschiedlich gewählt ist.
14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
eine Haftgrundbeschichtung auf die Bauteiloberfläche aufge- bracht wird.
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass
eine Haftgrundbeschichtung aus MCrAlY auf die Bauteiloberfläche aufgebracht wird.
16. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
vor der Auftragung der Beschichtung (1) eine Unterschicht (3) insbesondere durch Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen auf die Bauteiloberfläche aufgebracht wird, wobei für die Unterschicht (3) Partikel des Beschichtungs- materials verwendet werden, die einen kleineren mittleren Durchmesser als die Partikel haben, die für die Beschichtung (1) verwendet werden.
17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass
eine Unterschicht (3) aus MCrAlY auf die Bauteiloberfläche aufgebracht wird.
18. Verfahren nach Anspruch 16 oder 17 zusammen mit Anspruch
6, dadurch gekennzeichnet, dass
die Bahnen (7, 8) der Unterschicht (3) und der Beschichtung (1) gegeneinander verdreht, insbesondere um 90°, aufgetragen werden .
19. Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass
in einem Arbeitsgang von einem ersten Partikelstrom (6A), der mit der Bauteiloberfläche einen Winkel (a) von 90° ein- schließt, die Unterschicht (3) und von einem zweiten Partikelstrom (6B), der mit der Bauteiloberfläche einen Winkel (b, c) ungleich 90° einschließt, die Beschichtung (1) aufgetragen wird.
20. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
auf die Beschichtung (1) eine keramische Wärmedämmschicht, insbesondere eine APS-Wärmedämmschicht aufgebracht wird.
21. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
die Beschichtung (1) auf eine Turbinenschaufel (2) aufgebracht wird.
22. Beschichtung (1), herstellbar nach einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 20.
23. Turbinenschaufel (2) mit einer Beschichtung (1) nach Anspruch 22.
24. Vorrichtung (9) zur Auftragung einer Beschichtung (1) auf eine Bauteiloberfläche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Vorrichtung (9) einen ersten und zweiten Brenner (4A, 4B) umfasst und verfahrbar ist, wobei der erste Brenner (4A) so angeordnet ist, dass er einen ersten Partikelstrom (6A) in einem Winkel (a) von 90° auf die Bauteiloberfläche abgibt, und der zweite Brenner (4B) so angeordnet ist, dass er einen zweiten Partikelstrom (6B) in einem Winkel (b, c) ungleich 90° auf die Bauteiloberfläche abgibt, wobei der zweite Partikelstrom 6B in Verfahrrichtung hinter dem ersten Partikelstrom 6A auf die Bauteiloberfläche trifft.
25. Vorrichtung (9) nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass
die Vorrichtung (9) um die Achse des ersten Partikelstroms (6A) drehbar ist.
26. Vorrichtung (9) nach Anspruch 24 oder 25, dadurch gekennzeichnet, dass
der zweite Brenner (4B) verschwenkbar angeordnet ist, so dass der Winkel (b, c) , in dem der zweite Brenner (4B) den zweiten Partikelstrom (6B) abstrahlt, einstellbar ist.
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