WO2012163321A1 - Kaltgasspritzverfahren mit verbesserter haftung und verringerter schichtporosität - Google Patents

Kaltgasspritzverfahren mit verbesserter haftung und verringerter schichtporosität Download PDF

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WO2012163321A1
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André Werner
Manuel Hertter
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Mtu Aero Engines Gmbh
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    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C24/00—Coating starting from inorganic powder
    • C23C24/02—Coating starting from inorganic powder by application of pressure only
    • C23C24/04—Impact or kinetic deposition of particles

Definitions

  • the present invention relates to a method for coating a component, in which the coating material is applied in powder form by means of cold gas spraying on the component to be coated and a corresponding coating which has been produced by this method.
  • powder particles are accelerated at high speed in the direction of a component on which the powder is to be deposited as a layer. Due to the high speed at which the powder particles are moved by means of a carrier gas in the direction of the component to be coated, the kinetic energy is converted into deformation energy upon impact with the component and the powder particles and / or the component surface are so strongly deformed. that the materials flow into each other, so that a mutual connection results.
  • the advantage of the kinetic cold gas spraying is that no additional effort for the melting of the powder particles or heating of the powder particles as in plasma spraying or flame spraying is required.
  • the powder particles are in cold gas spraying in temperature ranges in which they do not or only slightly with the environment, so that no action must be taken to prevent the powder particles, for example, oxidize.
  • the fluidity of the powder particles is limited by the relatively low working temperature below the melting point of the coating material and it is thus possible for pores to form in the coating.
  • the adhesive strength may be affected accordingly.
  • WO 2006/075994 A2 discloses a coating method for coating turbine blades, in which a compression process is carried out by means of hot isostatic pressing (HIP) following deposition of the layer by means of kinetic cold gas spraying becomes.
  • HIP hot isostatic pressing
  • the cold gas spraying process should continue to be easy to carry out.
  • the invention proposes to extend the cold gas spraying in such a way that, after the application of the coating material or of the coating, a surface heat treatment is carried out in which the coating and / or regions of the component which are near the surface are melted.
  • the superficial melting of the deposited coating or of the transition region between the component and the coating improves the adhesive strength, since the materials that have flowed into one another can now flow into one another in molten form.
  • any existing porosity in the coating is eliminated because the gas trapped in the pores can escape from the molten coating and the adjacent material can flow into the corresponding cavities.
  • the surface heat treatment can be carried out by various suitable methods and devices, such as by heating by means of a gas burner, a laser or by induction heating. Also other methods of heating only the surface or the coating and the boundary region between the component and the coating can be used.
  • the cold gas spraying device itself, with which the coating has been applied are used for surface heat treatment.
  • the corresponding carrier gas has to be heated more strongly than has been done, for example, during the deposition of the powder particles.
  • the core temperature of the component should be kept as low as possible in order to avoid undesirable microstructural changes.
  • the surface heat treatment may be carried out with melting of the coating after each deposition of a layer or between the deposition of successive layers as required.
  • a further improvement in the adhesive strength of the deposited coating can be achieved by roughening the component surface before deposition of the layer and / or by preheating the component surface.
  • the inventive method can be used in particular for the deposition of solder materials on turbine components of gas turbines and aircraft engines.
  • FIG. 1 shows a representation of the deposition of a coating by means of kinetic cold gas spraying.
  • Fig. 2 is a schematic sectional view through a component with a corresponding
  • Fig. 3 is a schematic sectional view through the finished component with the coating. Further advantages, characteristics and features of the present invention will become apparent in the following detailed description of an embodiment. However, the invention is not limited to this embodiment.
  • a cold gas spraying device 4 which has a gas supply 6, via which a carrier gas is supplied, which serves to transport the powder particles 8 to be deposited on the surface of the component 1.
  • the carrier gas 6 is introduced into the cold gas spraying device 4 from a gas supply device (not shown) at high pressure and high speed, where it is conveyed via a nozzle arrangement, e.g. B. a Laval nozzle 5, emerges at a very high speed and flows in the direction of the surface to be coated of the component 1 (spray jet 3).
  • the velocity of the carrier gas may be in the range of the speed of sound.
  • a powder feed 7 is also provided, via which a material to be coated can be supplied in the form of a powder so that it leaves the cold gas spraying device 4 via the Laval nozzle 5 with the carrier gas and can be deposited on the component.
  • the carrier gas can also be tempered accordingly, so that it can well be in the temperature range of up to several 100 ° C.
  • the temperature during cold gas spraying is not chosen so high that the coating material is melted by means of the carrier gas. Rather, the powder particles 8 meet in non-molten state on the surface of the component 1, wherein due to the high impact velocity of the particles 8 upon impact, a deformation of the particles 8 and / or the component surface takes place, so that it flows into one another of the materials and / or Welding of the materials comes. As a result, a dense, well-adhering layer 2 can be formed on the component 1.
  • pores may remain in the layer, as shown in the schematic representation of FIG. 2, in which the pores 9 in the coating 2 are shown purely schematically.
  • a surface heat treatment is carried out, in which the coating 2 is melted, so that a compression of the layer 2 and elimination of the porosity is effected.
  • the surface heat treatment for melting the layer 2 can be achieved by treatment with a gas burner, a laser or by inductive heating.
  • the heated carrier gas of the cold spraying device 4 it is also possible with the heated carrier gas of the cold spraying device 4 to cause the layer 2 to melt. For this purpose, only the temperature of the carrier gas must be increased accordingly.
  • the cold spray device 4 is then practically used as a hot air nozzle without the supply of powder particles.
  • FIG. 3 shows the component 1 with the coating 2 after the surface heat treatment has been carried out with melting of the coating 2 or of surface regions of the component 1 or the regions at the interface with the coating 2.
  • the combination according to the invention can combine advantages of layer deposition in the melt phase with advantages of kinetic cold gas spraying. Accordingly, the coating lacks corresponding reaction components which would be observed, for example, during thermal spraying.
  • a roughening of the component surface before application of the coating can additionally take place and / or preheating, wherein the rough surface and the subsequent melting of the coating 2 and / or the interface between component 1 and Coating 2 a particularly intensive intermingling of the materials occurs, which ensures a particularly good adhesion of the coating on the component 1.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beschichtung eines Bauteils, bei welchem der Beschichtungsstoff in Pulverform mittels Kaltgasspritzen auf das zu beschichtende Bauteil aufgebracht wird, wobei anschließend eine Oberflächenwärmebehandlung durchgeführt wird, bei welcher der abgeschiedene Beschichtungsstoff aufgeschmolzen wird. Die Erfindung betrifft ferner eine entsprechende Beschichtung auf einem Bauteil, die mit dem Verfahren hergestellt worden ist.

Description

Kaltgasspritzverfahren mit verbesserter Haftung
und verringerter Schichtporosität
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beschichtung eines Bauteils, bei welchem der Beschichtungsstoff in Pulverform mittels Kaltgasspritzen auf das zu beschichtende Bauteil aufgebracht wird sowie eine entsprechende Beschichtung, die mit diesem Verfahren hergestellt worden ist.
Beim Kaltgasspritzen werden Pulverteilchen mit hoher Geschwindigkeit in Richtung eines Bauteils beschleunigt, auf welchem das Pulver als Schicht abgeschieden werden soll. Durch die hohe Geschwindigkeit, mit der die Pulverteilchen mittels eines Trägergases in Richtung auf das zu beschichtende Bauteil bewegt werden, kommt es beim Auftreffen auf das Bauteil zu einer Umwandlung der kinetischen Energie in Verformungsenergie und die Pulverpartikel und/oder die Bauteiloberfläche werden so stark verformt, dass die Werkstoffe ineinander fließen, sodass sich eine gegenseitige Verbindung ergibt.
Der Vorteil des kinetischen Kaltgasspritzens besteht darin, dass kein zusätzlicher Aufwand für das Aufschmelzen der Pulverpartikel bzw. Erwärmen der Pulverpartikel wie beim Plasmaspritzen oder Flammspritzen erforderlich ist. Außerdem befinden sich die Pulverpartikel beim Kaltgasspritzen in Temperaturbereichen, in denen sie mit der Umgebung nicht oder nur geringfügig reagieren, sodass keine Maßnahmen ergriffen werden müssen, um zu verhindern, dass die Pulverpartikel beispielsweise oxidieren. Darüber hinaus können auch Werkstoffe beschichtet werden, die möglicherweise nur bei sehr hohen Temperaturen entsprechend aufschmelzen würden.
Allerdings ist beim Kaltgasspritzverfahren nachteilig, dass durch die relativ niedrige Arbeitstemperatur unterhalb des Schmelzpunkts des Beschichtungsstoffs die Fließfähigkeit der Pulverpartikel eingeschränkt ist und es somit zur Ausbildung von Poren in der Beschichtung kommen kann. Außerdem kann die Haftfestigkeit entsprechend beeinträchtigt sein.
Aus der WO 2006/075994 A2 ist ein Beschichtungsverfahren zur Beschichtung von Turbinenschaufeln bekannt, bei welchem nachfolgend einer Abscheidung der Schicht mittels kinetischem Kaltgasspritzen ein Verdichtungsprozess mittels heiß-isostatischem Pressen (HIP) durchgeführt wird. Allerdings ist hierbei nachteilig, dass neben dem großen Aufwand keine Maßstabilität des gesamten Bauteils gegeben ist.
Aus der WO 2006/050329 AI ist ein Kaltgasspritzverfahren mit anschließender Wärmebehandlung bekannt, um gewünschte Gefügeeinstellungen zu bewirken.
Es ist deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Beschichtung eines Bauteils bereitzustellen, bei dem die Probleme des Standes der Technik vermieden oder zumindest verringert werden. Insbesondere ist es Aufgabe, das Kaltgasspritzen in der Weise weiter zu verbessern, dass die Problematik der Porenbildung gelöst und die Haftfestigkeit verbessert werden kann. Gleichzeitig soll jedoch das Kaltgasspritzverfahren weiterhin einfach durchführbar sein.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie eine Beschichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 7. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die Erfindung schlägt vor, das Kaltgasspritzen dahingehend zu erweitern, dass nach dem Aufbringen des Beschichtungsstoffs bzw. der Beschichtung eine Oberflächenwärmebehandlung durchgeführt wird, bei welcher die Beschichtung und/oder oberflächennahe Bereiche des Bauteils aufgeschmolzen werden.
Durch das oberflächliche Aufschmelzen der abgeschiedenen Beschichtung bzw. des Übergangsbereichs zwischen dem Bauteil und der Beschichtung wird einerseits die Haftfestigkeit verbessert, da die mechanisch ineinander geflossenen Werkstoffe nunmehr auch in geschmolzener Form verstärkt ineinander fließen können. Darüber hinaus wird eventuell existierende Porosität in der Beschichtung beseitigt, da das in den Poren eingeschlossene Gas aus der aufgeschmolzenen Beschichtung entweichen kann und das angrenzende Material in die entsprechenden Hohlräume fließen kann.
Die Oberflächenwärmebehandlung kann durch verschiedenste geeignete Verfahren und Vorrichtungen durchgeführt werden, wie beispielsweise durch Erwärmung mittels eines Gasbrenners, eines Lasers oder auch durch Induktionserwärmung. Auch andere Verfahren zur Erwärmung nur der Oberfläche bzw. der Beschichtung und des Grenzbereichs zwischen Bauteil und Beschichtung sind einsetzbar.
Bevorzugt kann auch die Kaltgasspritzeinrichtung selbst, mit der die Beschichtung aufgebracht worden ist, zur Oberflächenwärmebehandlung eingesetzt werden. Zu diesem Zweck muss lediglich das entsprechende Trägergas stärker erwärmt werden, als dies beispielsweise bei der Ab- scheidung der Pulverpartikel erfolgt ist.
Bei dem vorgeschlagenen Verfahren sollen nur die Oberflächenbereiche, also die Beschichtung und der Grenzbereich des Bauteils zur Beschichtung aufgeschmolzen werden, während der Kern des Bauteils weder aufgeschmolzen noch erwärmt werden soll. Vorzugsweise soll die Kerntemperatur des Bauteils so niedrig gehalten werden wie möglich, um unerwünschte Gefügeveränderungen zu vermeiden.
Bei einer lagenweisen Abscheidung der Beschichtung kann die Oberflächenwärmebehandlung mit Aufschmelzen der Beschichtung nach jeder Abscheidung einer Lage oder je nach Bedarf zwischen der Abscheidung von aufeinander folgenden Lagen durchgeführt werden.
Eine weitere Verbesserung der Haftfestigkeit der abgeschiedenen Beschichtung lässt sich durch eine Aufrauung der Bauteiloberfläche vor Abscheidung der Schicht erzielen und/oder durch Vorwärmung der Bauteiloberfläche.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann insbesondere für die Abscheidung von Lotwerkstoffen auf Turbinenbauteilen von Gasturbinen bzw. Flugtriebwerken eingesetzt werden.
Die beigefügten Figuren zeigen in rein schematischer Darstellung in
Fig. 1 eine Darstellung der Abscheidung einer Beschichtung mittels kinetischem Kaltgasspritzen;
Fig. 2 eine schematische Schnittdarstellung durch ein Bauteil mit einer entsprechenden
Beschichtung; und in
Fig. 3 eine schematische Schnittansicht durch das fertig gestellte Bauteil mit der Beschichtung. Weitere Vorteile, Kennzeichen und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden bei der nachfolgenden detaillierten Beschreibung eines Ausführungsbeispiels deutlich. Allerdings ist die Erfindung nicht auf dieses Ausführungsbeispiel beschränkt.
Die Fig. 1 zeigt eine Kaltgasspritzvorrichtung 4, welche eine Gaszufuhr 6 aufweist, über die ein Trägergas zugeführt wird, welches zum Transport der abzuscheidenden Pulverpartikel 8 auf der Oberfläche des Bauteils 1 dient. Das Trägergas 6 wird von einer Gaszuführeinrichtung (nicht gezeigt) mit hohem Druck und hoher Geschwindigkeit in die Kaltgasspritzvorrichtung 4 eingeführt, wo es über eine Düsenanordnung, z. B. eine Laval-Düse 5, mit sehr hoher Geschwindigkeit austritt und in Richtung der zu beschichtenden Oberfläche des Bauteils 1 strömt (Spritzstrahl 3). Die Geschwindigkeit des Trägergases kann hierbei im Bereich der Schallgeschwindigkeit liegen.
In der Kaltgasspritzvorrichtung 4 ist zudem eine Pulverzuführung 7 vorgesehen, über die ein zu beschichtender Werkstoff in Form eines Pulvers zugeführt werden kann, sodass er mit dem Trägergas die Kaltgasspritzvorrichtung 4 über die Laval-Düse 5 verlässt und auf dem Bauteil abgeschieden werden kann.
Das Trägergas kann auch entsprechend temperiert werden, sodass es durchaus im Temperaturbereich von bis zu einigen 100°C liegen kann. Allerdings wird die Temperatur beim Kaltgasspritzen nicht so hoch gewählt, dass der Beschichtungswerkstoff mittels des Trägergases aufgeschmolzen wird. Vielmehr treffen die Pulverpartikel 8 in nicht geschmolzenem Zustand auf die Oberfläche des Bauteils 1 auf, wobei durch die hohe Auftreffgeschwindigkeit der Partikel 8 beim Auftreffen eine Verformung der Partikel 8 und/oder der Bauteiloberfläche stattfindet, sodass es zu einem Ineinanderfließen der Werkstoffe und/oder einem Verschweißen der Werkstoffe kommt. Dadurch kann eine dichte, gut haftende Schicht 2 auf dem Bauteil 1 ausgebildet werden.
Allerdings können beim Kaltgasspritzen durch die eingeschränkte Fließfähigkeit des Beschichtungswerkstoffs Poren in der Schicht verbleiben, wie dies in der schematischen Darstellung der Fig. 2 gezeigt ist, in der die Poren 9 in der Beschichtung 2 rein schematisch dargestellt sind. Um diese Porosität zu beseitigen wird erfindungsgemäß nach Aufbringen der Schicht 2 eine Oberflächenwärmebehandlung durchgeführt, bei der die Beschichtung 2 aufgeschmolzen wird, sodass eine Verdichtung der Schicht 2 und Beseitigung der Porosität bewirkt wird. Die Oberflächenwärmebehandlung zur Aufschmelzung der Schicht 2 kann durch Behandlung mit einem Gas- brenner, einem Laser oder durch induktive Erwärmung erfolgen. Darüber hinaus ist es auch möglich mit dem aufgeheizten Trägergas der Kaltspritzvorrichtung 4 ein Aufschmelzen der Schicht 2 zu bewirken. Zu diesem Zweck muss lediglich die Temperatur des Trägergases entsprechend erhöht werden. Die Kaltspritzvorrichtung 4 wird dann ohne Zufuhr von Pulverpartikel praktisch als Heißluftdüse verwendet.
Die Fig. 3 zeigt das Bauteil 1 mit der Beschichtung 2 nach Durchführung der Oberflächenwär- mebehandlung mit Aufschmelzen der Beschichtung 2 bzw. von Oberflächenbereichen des Bauteils 1 bzw. der Bereiche an der Grenzfläche zur Beschichtung 2.
Wie durch die gestrichelte Linie 10, die die frühere Oberfläche der Beschichtung 2 darstellt, angedeutet ist, kommt es zu einer Kompaktierung der Beschichtung 2, da die Poren 3 aus der Schicht beseitigt sind.
Darüber hinaus ist auch im Gefügebild einer entsprechend aufgebrachten Beschichtung bzw. des Randschichtbereichs des Bauteils 1 und des Übergangsbereichs zwischen Bauteil 1 und Beschichtung 2 eine entsprechend veränderte Struktur zu beobachten, die durch den Schmelzpro- zess zu Stande kommt. Da gleichzeitig gewährleistet ist, dass durch das Kaltgasspritzen keine unerwünschten chemischen Reaktionen des Pulvers beim Aufbringen mit Umgebungsgasen erfolgt, können durch die erfindungsgemäße Kombination Vorteile einer Schichtabscheidung in der Schmelzphase mit Vorteilen des kinetischen Kaltgasspritzens kombiniert werden. Entsprechend fehlt es in der Beschichtung an entsprechenden Reaktionsomponenten, die beispielsweise beim thermischen Spritzen zu beobachten wären.
Um die Haftfestigkeit der Beschichtung 2 auf dem Bauteil 1 weiter zu erhöhen kann zusätzlich eine Aufrauung der Bauteiloberfläche vor Aufbringen der Beschichtung erfolgen und/oder Vorwärmung, wobei durch die raue Oberfläche und das anschließende Aufschmelzen der Beschichtung 2 und/oder der Grenzfläche zwischen Bauteil 1 und Beschichtung 2 ein besonders intensives Ineinanderfließen der Werkstoffe auftritt, welches eine besonders gute Haftung der Beschichtung auf dem Bauteil 1 gewährleistet.
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand des Ausfuhrungsbeispiels detailliert beschrieben worden ist, ist für den Fachmann selbstverständlich, dass die Erfindung nicht auf dieses Ausführungsbeispiel beschränkt ist, sondern dass vielmehr Abwandlungen in der Weise möglich sind, dass einzelne Merkmale weggelassen oder verschiedene Kombinationen von Merkmalen realisiert werden können, ohne dass der Schutzbereich der beigefügten Ansprüche verlassen wird. Insbesondere umfasst die Offenbarung der vorliegenden Erfindung sämtliche Kombinationen sämtlicher vorgestellter Einzelmerkmale.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Beschichtung eines Bauteils, bei welchem der Beschichtungsstoff in Pulverform (8) mittels Kaltgasspritzen auf das zu beschichtende Bauteil (1) aufgebracht wird,
dadurch gekennzeichnet, dass
anschließend eine Oberflächenwäraiebehandlung durchgeführt wird, bei welcher der abgeschiedene Beschichtungsstoff aufgeschmolzen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Oberflächenwäraiebehandlung durch die Kaltgasspritzeinrichtung (4), einen Gasbrenner, Laser oder Induktionserwärmung erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
oberflächennahe Bereiche des Bauteils (1) ebenfalls aufgeschmolzen werden.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Kern des Bauteils (1) weder aufgeschmolzen noch in einen Temperaturbereich erwärmt wird, der der Oberflächentemperatur nahe kommt, insbesondere unterhalb von 70% der Oberflächentemperatur, vorzugsweise unterhalb von 50% der Oberflächentemperatur liegt.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Beschichtung (2) lagenweise abgeschieden wird und die Oberflächenwäraiebehandlung nach jeder Abscheidung einer Lage oder ein oder mehrmals zwischen der Abscheidung von aufeinander folgenden Lage durchgeführt wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Oberfläche des Bauteils (1) vor der Abscheidung des Beschichtungsstoffes aufgeraut wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
die Oberfläche des Bauteils (1) vor der Schichtabscheidung erwärmt wird. Beschichtung auf einem Bauteil hergestellt mit dem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
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