WO2015000714A1 - Verfahren zum auftragen von material - Google Patents

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base material
pressure chamber
low
plasma
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PCT/EP2014/062933
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Thomas Gartner
Christian Siry
Holger Kassner
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    • 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
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    • C23C4/04—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge characterised by the coating material
    • C23C4/06—Metallic material
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    • C23C4/02—Pretreatment of the material to be coated, e.g. for coating on selected surface areas
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    • 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
    • C23C4/134—Plasma spraying

Definitions

  • the invention relates to a method for applying material to a base material of a component, wherein the component and a plasma nozzle are arranged in a low-pressure chamber.
  • the material is introduced into the effective region of a plasma flame, which is generated by the plasma nozzle.
  • Plasma spraying processes are regularly used to apply metallic and non-metallic functional coatings to components.
  • the functions of the coatings may be, for example, wear protection, corrosion protection, thermal insulation, optical and decorative functions. These coatings typically combine different material properties of the base material and of the coating material, so that the individual advantageous material properties can be utilized by the respective material in its arrangement on a component.
  • erosion can occur on components that are exposed to an airflow that carries particles and liquids that impact the component.
  • the component e.g. an engine blade can thereby wear over its useful life, especially at the leading edges.
  • the erosion during the service life can be counteracted by coatings which have a higher resistance to erosion.
  • these erosion control layers are also subject to erosion despite their higher resistance.
  • the base material becomes initially protected, which increases the durability of a component in an eroding environment.
  • the coating must be renewed at regular intervals of time for a long-term use of a component, wherein the present old coating is first completely removed and a new coating is applied. The removal of a coating also regularly results in a loss of base material of the component, which can occur in mechanical and chemical stripping mechanisms.
  • the base material of a component is subject to long-term erosion during operation, since the coating itself is partially or completely eroded or detached, as a result of which the base material in this area can be exposed to erosion without protection.
  • the object of the invention is to provide a method for applying material, which allows a prolonged usability of components.
  • the object of the invention is achieved on the basis of the preamble of claim 1 in conjunction with its characterizing features.
  • a method for applying material proposed a base material of a component wherein the component and a plasma nozzle are arranged in a low-pressure chamber.
  • the material is preferably introduced as a solid in the effective range of a plasma flame, which is generated by the plasma nozzle.
  • the introduced material is completely transferred into the gas phase and causes a material application on the component by condensation and / or resublimation of material from the gas phase, wherein the base material and the applied material of the component are similar and metallic.
  • the transfer into the gas phase ensures that the material impinges on the component in gaseous form, which results in an advantageous connection when the material is applied to the base material.
  • air, inert gases or reactive gases can be used.
  • the material is optionally introduced in solid, liquid or gaseous state, as a precursor or as a suspension in the effective range of a plasma flame.
  • the applied material may have the same mechanical properties as the base material, so that a loss of material can be compensated. By compensating for a loss of material, this life-limiting factor of a component can be excluded, so that the component can be used a much longer time.
  • the application of material can thus be carried out with the method mentioned on a component again and again after a certain period of use.
  • the two materials, ie base material and material have a comparable chemical composition, so that also comparable mechanical, chemical and / or electrical properties can be established.
  • the material of the applied material and the base material are identical. Identically, for example, mean that both materials are assigned the same alloy number in a conventional classification system in aviation, wherein the alloy number indicates an alloy with certain tolerances for alloying shares and foreign substances.
  • the material and the base material are physically connected to each other.
  • This results in a coherent bond which results in a significantly better adhesion or bonding of the applied material to the base material and in the applied material itself.
  • this type of connection no intermediate layers for bonding are necessary.
  • comparatively thick layers or a large amount of material can be applied to the surface of a component, so that, in principle, unlimited material with constant properties can be applied to the base material, for example in thicknesses of up to 10 mm.
  • a metallic bond in a broader sense also a fusion, between the applied material and the base material can be made or achieved.
  • the microstructure and / or the crystal structure of the base material is preferably continued in the applied material.
  • the continuation of the microstructure and / or the crystal structure results in the same composition of matter, that the material properties are the same. This is advantageous in order to compensate for the loss of material of a component equivalent, which is particularly advantageous for the use of the component at high temperatures and straightened or monocrystalline solidified components.
  • the pressure in the low-pressure chamber is less than 20 mbar, preferably less than 5 mbar.
  • a low pressure in the low-pressure chamber allows complete transfer of the material introduced into the plasma flame into the gas phase. It can continue to be achieved higher kinetic energy of the material when hitting the component, which is particularly advantageous for the connection.
  • the lower particle density in the atmosphere of the low-pressure chamber reduces the scattering effect, as a result of which the coating can take place on smaller areas of components at higher coating rates.
  • the distance between the component and the plasma nozzle is greater than 50 cm, preferably greater than 100 cm.
  • the large distance between the component and the plasma nozzle compared with the conventional plasma spraying method allows a longer residence time of the material in the plasma flame, whereby the material can assume a higher temperature and the transition into the gas phase is improved.
  • a combination of low pressure and a large distance allows the physical connection of the applied material.
  • a preferred distance may be greater than 150 cm.
  • a material removal of a surface layer of the component is carried out before the material application, wherein the Time between the end of material removal and the material application is smaller than the average occupancy time with atmospheric molecules from the low pressure chamber.
  • material removal refers primarily to a removal of the base material, in particular its near-surface layer with the oxide layers present here regularly.
  • the removal of material preferably does not relate to the removal of functional coatings on the component.
  • the short period of time preferably less than 60 seconds, more preferably less than 10 seconds, allows the application of material to be applied to a very clean and clean surface. This promotes the connection of applied material and base material, so that less foreign substances, in particular oxides, are stored in the boundary region between the base material of the component and the applied material.
  • the short period of time by the associated increased heat input, a good continuation of the microstructure and / or the crystal structure of the component in the applied material into it.
  • the removal of material is carried out by means of a plasma etching process.
  • Plasma etching processes such as sputtering or transferred are plasma processes, are particularly suitable for the abovementioned material removal, since the removal of material in the same low-pressure chamber as the material can be applied, whereby the time between material removal and material application can be kept short.
  • plasma etching methods are advantageously suitable for use at low atmospheric pressures in the low-pressure chamber, so that the contamination, occupancy or oxidation of the surface cleaned by the material removal can be prevented or at least reduced.
  • the plasma etching allows by the heat input and the setting of a certain process temperature, so that in the following Coating process favors crystal growth or affects the growth kinematics, and can be controlled in this way.
  • material removal and material application are repeated on the same component in multiple succession in the low-pressure chamber.
  • the repeated repetition of the method steps material removal and material application may be advantageous to maintain the continuous continuation of the microstructure and / or crystal structure, which is particularly advantageous for large layer thicknesses above 1 mm.
  • the base material and the applied material are a Ti-based, Ni-based or Co-based alloy.
  • a material application is particularly advantageous in these alloys, but it can also be material orders with other alloys or pure metals.
  • the base material of the component in the low-pressure chamber is heated to a temperature of more than 150 ° C. before the application of material.
  • the heating of the base material to a corresponding temperature is advantageous for the connection of material with the already applied material or with the base material of the component.
  • the continuation of the structure and / or the crystal structure is improved in the applied material.
  • Fig. 1 is a schematic representation of a low pressure chamber
  • Fig. 2 is a schematic representation of a low-pressure chamber with a plasma etching.
  • Fig. 1 is a schematic representation of a low-pressure chamber 1 for carrying out the method in a plan view is shown.
  • a plasma torch In the low pressure chamber 1 is a plasma torch
  • the plasma torch 2 arranged with a plasma nozzle 3. In the exit direction of the plasma nozzle 3, a holder 4 for a component 5 is provided.
  • the plasma torch 2 has a feed 6 for material 8.
  • the component 5 has a base material 10.
  • the plasma torch 2 generates in operation a plasma flame 7, in which the material 8 is introduced.
  • the material 6 is accelerated in the exit direction of the plasma nozzle 3 and undergoes a heat supply.
  • the material 8 then strikes the component 5 in gaseous form and is deposited there.
  • the low-pressure chamber 1 has at least one pump 9, which can generate a pressure of preferably less than 5 mbar in the low-pressure chamber 1.
  • the performance of the pump 9 is designed so that such pressure during operation of the plasma torch 2 can be maintained.
  • the distance is greater than 150 cm.
  • the comparatively large distance between the plasma nozzle 3 of the plasma torch 2 and the component 5 allows the material 8 to absorb a sufficiently high kinetic and thermal energy until it encounters the component 5 in order to pass into the gas phase and produce a sufficient binding effect on the base material. fabric 10 or already applied material 8 of the component 5 to achieve.
  • the complete transfer to the gaseous state of the material 8 prevents solid, highly viscous and / or liquid particles impinging on the substrate with which material properties of the base material can not be achieved. Such particles adhere primarily purely mechanically on the surface of the component.
  • the component 5 must have a certain minimum roughness in order to enable adhesion, which is not necessary in this advantageous exemplary embodiment.
  • the applied material 8 is preferably a metallic bond with the base material 10 of the component 5 a.
  • the metallic bond is made possible by the fact that the material and base material are similar and metallic.
  • the material 8 and the base material 10 are in this sense also to be regarded as metallic, provided that the material 8 and the base material 10 are non-metallic alloying elements, such as e.g. Carbon, included.
  • the low pressure further reduces the scattering of the material 8 in the gas phase with the plasma flame 7, whereby the material application can be carried out in particular with the comparatively large distance to the component 5 with higher material utilization.
  • a plasma etching 11 is provided, which allows in the same low-pressure chamber 1 a material removal from the component 5.
  • the surface of the component 5 or of the base material 10 can be freed from impurities or oxide layers. Due to the low pressure in the low-pressure chamber 1 and a correspondingly short time span between removal of material by the plasma etching device 11 and material application by means of plasma torch 2, the surface of the component 5 can continue to be kept free of foreign substances and oxide formation until the beginning of the material application.
  • the component 5, in this exemplary embodiment a titanium alloy engine blade can be rotated in the holder 4 with a rotating device 12, so that the surface region of the component 5 on which a material application is to take place is simply the plasma etching device 11 or 11 can be facing the plasma torch 2.
  • the preferably similar material 8 is deposited in gaseous form with correspondingly high kinetic and thermal energy in the low pressure chamber 1 on the component 5, so that the applied material 8 on the component 5 is amorphous.
  • An amorphous layer may have different material properties than the base material 10 and are characterized by higher strength, hardness and corrosion resistance.
  • the applied material 8 can thus also be referred to as metallic glass in this exemplary embodiment.
  • the amorphously applied material 8 can be converted into the structure, in particular the crystal structure and / or microstructure of the base material 10 of the component 5, by a subsequent heat treatment of the component 5.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Auftragen von Material (8) auf einen Grundwerkstoff (10) eines Bauteils (5), wobei das Bauteil (5) und eine Plasmadüse (3) in einer Niederdruckkammer (1) angeordnet sind. Das Material (8) wird in den Wirkbereich einer Plasmaflamme (7) eingebracht, welche von der Plasmadüse (3) erzeugt wird. Das eingebrachte Material (8) wird vollständig in die Gasphase überführt. Ein Materialauftrag auf dem Bauteil (5) wird durch eine Kondensation und/oder Resublimation von Material (8) aus der Gasphase bewirkt, wobei der Grundwerkstoff (10) und das aufgetragene Material (8) des Bauteils (5) gleichartig und metallisch sind.

Description

Verfahren zum Auftragen von Material
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Auftragen von Material auf einen Grundwerkstoff eines Bauteils, wobei das Bauteil und eine Plasmadüse in einer Niederdruckkammer angeordnet sind. Das Material wird in den Wirkbereich einer Plasmaflamme eingebracht, welche von der Plasmadüse erzeugt wird.
Plasmaspritzverfahren werden regelmäßig genutzt, um metallische und nichtmetallische Funktionsbeschichtungen auf Bauteile aufzubringen. Die Funktionen der Beschichtungen können beispielsweise Verschleißschutz, Korrosionsschutz, Wärmedämmung, optische und dekorative Funktionen sein. Diese Beschichtungen verbinden typischerweise unterschiedliche Werkstoffeigenschaf- ten des Grundwerkstoffs und des Beschichtungswerkstoffs, so dass von dem jeweiligen Werkstoff in seiner Anordnung an einem Bauteil die individuellen vorteilhaften Materialeigenschaften ausgenutzt werden können.
Erosion kann beispielsweise bei Bauteilen auftreten, die einem Luftstrom ausgesetzt sind, in dem Partikel und Flüssigkeiten mitgeführt werden, welche auf das Bauteil auftreffen. Das Bauteil, z.B. eine Triebwerksschaufel, kann hierdurch über die Nutzungsdauer, insbesondere an den Vorderkanten, verschleißen.
Der Erosion während der Nutzungsdauer kann durch Beschichtungen, welche eine höhere Widerstandsf higkeit gegenüber Erosion aufweisen, entgegengewirkt werden. Diese Erosionsschutzschichten sind allerdings trotz ihrer höheren Widerstandsfähigkeit ebenfalls Erosion ausgesetzt. Der Grundwerkstoff wird jedoch zunächst geschützt, wodurch sich die Haltbarkeit eines Bauteils in einer erodierenden Umgebung erhöht. Die Beschichtung muss jedoch bei einer langfristigen Nutzung eines Bauteils in regelmäßigen Zeitintervallen erneuert werden, wobei die vorliegende alte Beschichtung zunächst vollständig entfernt und eine neue Beschichtung aufgebracht wird. Das Entfernen einer Beschichtung hat regelmäßig auch einen Verlust von Grundmaterial des Bauteils zur Folge, welcher bei mechanischen und chemischen Entschichtungsmechanismen auftreten kann.
Auch bei Verwendung einer Schutzschicht unterliegt der Grundwerkstoff eines Bauteils langfristig einer Erosion im Betrieb, da die Beschichtung selbst teilweise oder vollständig erodiert oder abgelöst wird, wodurch das Grundmaterial in diesem Bereich ungeschützt Erosion ausgesetzt sein kann. Analoges gilt beispielweise auch für thermische Schutzschichten oder bei Korrosionsschutzschichten .
Aufgrund des Verlustes an Grundmaterial des Bauteils nimmt dessen mechanische Haltbarkeit ab, so dass es im Zeitverlauf mit fortschreitendem Materialverlust bei einer Nutzung zu einem mechanischen Versagen kommen kann, wodurch das Bauteil aufgrund mangelnder Material- oder Wandstärke rechtzeitig aus dem Betrieb genommen werden muss. Das Bauteil kann somit nicht mehr eingesetzt werden und wird üblicherweise verschrottet.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Auftragen von Material anzugeben, welches eine verlängerte Nutzbarkeit von Bauteilen ermöglicht.
Die Aufgabe der Erfindung wird ausgehend vom Oberbegriff des Anspruchs 1 in Verbindung mit dessen kennzeichnenden Merkmalen gelöst . Es wird ein Verfahren zum Auftragen von Material auf einen Grundwerkstoff eines Bauteils vorgeschlagen, wobei das Bauteil und eine Plasmadüse in einer Niederdruckkammer angeordnet sind. Das Material wird vorzugsweise als Festkörper in den Wirkbereich einer Plasmaflamme eingebracht, welche von der Plasmadüse erzeugt wird. Erfindungsgemäß wird das eingebrachte Material vollständig in die Gasphase überführt und ein Materialauftrag auf dem Bauteil durch eine Kondensation und/oder Resublimation von Material aus der Gasphase bewirkt, wobei der Grundwerkstoff und das aufgetragene Material des Bauteils gleichartig und metallisch sind.
Durch die Überführung in die Gasphase wird erreicht, dass das Material gasförmig auf dem Bauteil auftrifft, wodurch sich eine vorteilhafte Anbindung beim Auftrag des Materials auf den Grundwerkstoff ergibt. In der Niederdruckkammer können Luft, Inertgase oder reaktive Gase zum Einsatz kommen. In vorteilhaften Ausführungsformen wird das Material wahlweise in festem, flüssigem oder gasförmigem Zustand, als Precursor oder als Suspension in den Wirkbereich einer Plasmaflamme eingebracht .
Durch die Verwendung des gleichen Werkstoffs für Grundwerkstoff und aufgetragenem Material kann sich eine besonders vorteilhafte Anbindung des aufgetragenen Materials ergeben. Insbesondere kann das aufgetragene Material die gleichen mechanischen Eigenschaften wie das Grundmaterial aufweisen, so dass ein Materialverlust ausgeglichen werden kann. Durch den Ausgleich eines Materialverlustes kann dieser lebensdauerbegrenzende Faktor eines Bauteils ausgeschlossen werden, so dass das Bauteil eine deutlich längere Zeit genutzt werden kann. Der Auftrag von Material kann mit dem genannten Verfahren auf einem Bauteil somit immer wieder nach einer gewissen Nutzungsdauer erfolgen. Gleichartig bedeutet in diesem Zusammenhang, dass die beiden Werkstoffe, d.h. Grundwerkstoff und Material, eine vergleichbare chemische Zusammensetzung aufweisen, so dass sich ebenfalls vergleichbare mechanische, chemische und/oder elektrische Eigenschaften einstellen können. Vorzugsweise sind der Werkstoff des aufgetragenen Materials und der Grundwerkstoff identisch. Identisch kann beispielsweise bedeuten, dass beide Werkstoffe in einem in der Luftfahrt üblichen Klassifizierungssystem die gleiche Legierungsnummer zugeordnet bekommen, wobei die Legierungsnummer eine Legierung mit bestimmten Toleranzen für Legierungsanteile und Fremdstoffe angibt.
Vorzugsweise werden das Material und der Grundwerkstoff miteinander physikalisch verbunden. Dadurch entsteht eine stoff- schlüssige Bindung, welche eine deutlich bessere Haftung bzw. Anbindung des aufgetragenen Materials an den Grundwerkstoff und im aufgetragenen Material selbst ergibt. Zudem sind durch diese Art der Anbindung keine Zwischenschichten zur Haftvermittlung notwendig. Im Weiteren können vergleichsweise dicke Schichten bzw. viel Material auf die Oberfläche eines Bauteils aufgebracht werden, so dass prinzipiell unbegrenzt Material mit konstanten Eigenschaften auf den Grundwerkstoff aufgetragen werden kann, beispielsweise in Dicken bis zu 10 mm. In vorteilhaften Ausführungsformen kann eine metallische Bindung, im weiteren Sinne auch ein Verschmelzen, zwischen dem aufgetragenen Material und dem Grundwerkstoff vorgenommen bzw. erreicht werden.
Die Gefügestruktur und/oder die Kristallstruktur des Grundwerkstoffs wird vorzugsweise in dem aufgetragenen Material fortgesetzt. Die Fortsetzung der Gefügestruktur und/oder der Kristallstruktur führt bei gleicher StoffZusammensetzung dazu, dass auch die Werkstoffeigenschaften gleich sind. Dies ist vorteilhaft, um den Materialverlust eines Bauteils entsprechend gleichwertig ausgleichen zu können, was insbesondere für den Einsatz des Bauteils bei hohen Temperaturen und bei gerichtet oder einkristallin erstarrten Bauteilen vorteilhaft ist .
Vorzugsweise ist der Druck in der Niederdruckkammer kleiner als 20 mbar, vorzugsweise kleiner als 5 mbar. Ein derart geringer Druck in der Niederdruckkammer ermöglicht einen vollständigen Übergang des in die Plasmaflamme eingebrachten Materials in die Gasphase. Es können weiterhin höhere kinetische Energien des Materials beim Auftreffen auf das Bauteil erreicht werden, was insbesondere für die Anbindung vorteilhaft ist. Zudem wird durch die geringere Teilchendichte in der Atmosphäre der Niederdruckkammer die Streuwirkung reduziert, wodurch die Beschichtung an kleineren Flächen von Bauteilen mit höheren Beschichtungsraten erfolgen kann.
In bevorzugten Ausführungsformen ist der Abstand zwischen Bauteil und Plasmadüse größer als 50 cm, vorzugsweise größer als 100 cm. Der im Vergleich zu den üblichen Plasmaspritzverfahren große Abstand zwischen Bauteil und Plasmadüse ermöglicht eine längere Verweildauer des Materials in der Plasmaflamme, wodurch das Material eine höhere Temperatur annehmen kann und der Übergang in die Gasphase verbessert wird. Insbesondere eine Kombination von geringem Druck und großem Abstand ermöglicht die physikalische Verbindung des aufgetragenen Materials. In möglichen vorteilhaften Ausführungsformen kann ein bevorzugter Abstand größer als 150 cm sein.
Vorzugsweise wird vor dem Materialauftrag ein Materialabtrag einer Oberflächenschicht des Bauteils durchgeführt, wobei die Zeitspanne zwischen dem Ende des Materialabtrags und dem Materialauftrag kleiner ist als die mittlere Belegungszeit mit Atmosphärenmolekülen aus der Niederdruckkammer. Der Begriff Materialabtrag bezieht sich vornehmlich auf einen Abtrag des Grundwerkstoffs, insbesondere dessen oberflächennahe Schicht mit den hier regelmäßig vorhandenen Oxidschichten. Der Materialabtrag bezieht sich bevorzugt nicht auf das Entfernen von Funktionsbeschichtungen auf dem Bauteil. Die kurze Zeitspanne, vorzugsweise weniger als 60 s, weiterhin vorzugsweise weniger als 10 s, ermöglicht, dass der Materialauftrag auf eine sehr saubere und reine Oberfläche aufgetragen wird. Dies fördert die Anbindung von aufgetragenem Material und Grundwerkstoff, so dass weniger Fremdstoffe, insbesondere Oxide, im Grenzbereich zwischen Grundwerkstoff des Bauteils und aufgetragenem Material eingelagert werden. Weiterhin ermöglicht die kurze Zeitspanne, durch den damit verbundenen erhöhten Wärmeeintrag, ein gutes Fortsetzen der Gefügestruktur und/oder der Kristallstruktur des Bauteils in das aufgetragene Material hinein.
In vorteilhaften Ausführungsformen wird der Materialabtrag mittels eines Plasmaätzverfahrens durchgeführt. Plasmaätzverfahren, wie beispielsweise Sputtern oder Transferred Are Plasma Verfahren, eignen sich besonders für den oben genannten Materialabtrag, da der Materialabtrag in der gleichen Niederdruckkammer wie der Materialauftrag erfolgen kann, wodurch die Zeit zwischen Materialabtrag und Materialauftrag kurz gehalten werden kann. Weiterhin eignen sich Plasmaätzverfahren vorteilhaft für die Anwendung bei niedrigen Atmosphärendrücken in der Niederdruckkammer, so dass die Verschmutzung, Belegung oder Oxidation der durch den Materialabtrag gereinigten Oberfläche verhindert oder zumindest reduziert werden kann. Das Plasmaätzen ermöglicht durch den Wärmeeintrag auch das Einstellen einer bestimmten Prozesstemperatur, so dass beim darauffolgenden Beschichtungsprozess das Kristallwachstum begünstigt oder die Wachstumskinematik beeinflusst, und auf diese Weise gesteuert werden kann.
In vorteilhaften Ausführungsformen werden Materialabtrag und Materialauftrag an demselben Bauteil in mehrfacher Folge in der Niederdruckkammer wiederholt . Die mehrfache Wiederholung der Verfahrensschritte Materialabtrag und Materialauftrag kann vorteilhaft sein, um die durchgängige Fortsetzung der Gefügestruktur und/oder Kristallstruktur beizubehalten, was insbesondere bei großen Schichtdicken über 1 mm vorteilhaft ist .
Vorteilhafterweise sind der Grundwerkstoff und das aufgetragene Material eine Ti-Basis, Ni-Basis oder Co-Basis Legierung. Ein Materialauftrag ist insbesondere bei diesen Legierungen vorteilhaft, es können jedoch auch Materialaufträge mit anderen Legierungen oder reinen Metallen erfolgen.
In bevorzugten Ausführungsformen wird vor dem Materialauftrag der Grundwerkstoff des Bauteils in der Niederdruckkammer auf eine Temperatur von mehr als 150 °C erwärmt. Die Erwärmung des Grundwerkstoffs auf eine entsprechende Temperatur ist vorteilhaft für die Anbindung von Material mit dem bereits aufgetragenen Material bzw. mit dem Grundwerkstoff des Bauteils. Zudem wird die Fortsetzung des Gefüges und/oder der Kristallstruktur in das aufgetragene Material verbessert .
Die Erfindung wird im Folgenden anhand bevorzugter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren erläutert. Dabei zeigt:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Niederdruckkammer; und Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Niederdruckkammer mit einer Plasmaätzvorrichtung.
In Fig. 1 ist eine schematische Darstellung einer Niederdruckkammer 1 zur Durchführung des Verfahrens in einer Draufsicht dargestellt. In der Niederdruckkammer 1 ist ein Plasmabrenner
2 mit einer Plasmadüse 3 angeordnet. In der Austrittsrichtung der Plasmadüse 3 ist eine Halterung 4 für ein Bauteil 5 vorgesehen. Der Plasmabrenner 2 weist eine Zufuhr 6 für Material 8 auf. Das Bauteil 5 weist einen Grundwerkstoff 10 auf.
Der Plasmabrenner 2 erzeugt im Betrieb eine Plasmaflamme 7, in welche das Material 8 eingebracht wird. Das Material 6 wird in Austrittsrichtung der Plasmadüse 3 beschleunigt und erfährt eine Wärmezufuhr. Das Material 8 trifft anschließend gasförmig auf dem Bauteil 5 auf und wird dort abgeschieden.
Die Niederdruckkammer 1 weist mindestens eine Pumpe 9 auf, welche einen Druck von vorzugsweise weniger als 5 mbar in der Niederdruckkammer 1 erzeugen kann. Die Leistungsfähigkeit der Pumpe 9 ist dabei so ausgelegt, dass ein derartiger Druck auch während des Betriebs des Plasmabrenners 2 gehalten werden kann. Der Abstand zwischen der Austrittsöffnung der Plasmadüse
3 und dem Bauteil 5, auf welchem der Materialauftrag erfolgt, ist in diesem vorteilhaften Ausführungsbeispiel größer als
100 cm. In weiteren alternativen vorteilhaf en Ausführungsbei- spielen ist der Abstand größer als 150 cm. Der vergleichsweise große Abstand zwischen Plasmadüse 3 des Plasmabrenners 2 und dem Bauteil 5 ermöglicht, dass das Material 8 bis zum Auftreffen auf das Bauteil 5 eine ausreichend hohe kinetische und thermische Energie aufnehmen kann, um in die Gasphase überzugehen und eine ausreichende Bindungswirkung auf dem Grundwerk- stoff 10 oder dem bereits aufgetragenen Material 8 des Bauteils 5 zu erreichen. Die vollständige Überführung in den gasförmigen Zustand des Materials 8 verhindert, dass feste, hochviskose und/oder flüssige Partikel auf dem Substrat auftreffen, mit denen Werkstoffeigenschaften des Grundwerkstoffs nicht erreicht werden können. Derartige Partikel haften vornehmlich rein mechanisch auf der Oberfläche des Bauteils. Das Bauteil 5 muss hierfür eine gewisse Mindestrauhigkeit aufweisen, um eine Haftung zu ermöglichen, welche in diesem vorteilhaften Ausführungsbeispiel nicht notwendig ist.
Das aufgetragene Material 8 geht vorzugsweise eine metallische Bindung mit dem Grundwerkstoff 10 des Bauteils 5 ein. Die metallische Bindung wird unter anderem dadurch ermöglicht, dass Material und Grundwerkstoff gleichartig und metallisch sind.
Das Material 8 und der Grundwerkstoff 10 sind in diesem Sinne auch als metallisch anzusehen, sofern das Material 8 und der Grundwerkstoff 10 nichtmetallische Legierungselemente, wie z.B. Kohlenstoff, enthalten.
Neben einem großen Abstand ermöglicht ein entsprechend niedriger Druck in der Niederdruckkammer 1 hohe kinetische Energie beim Auftreffen auf dem Bauteil 5, was für die Herstellung einer metallischen Bindung vorteilhaft ist. Der niedrige Druck reduziert weiterhin die Streuung des Materials 8 in der Gasphase mit der Plasmaflamme 7, wodurch der Materialauftrag insbesondere mit dem vergleichsweise großen Abstand zum Bauteil 5 mit höherer Materialausnutzung erfolgen kann.
In möglichen Ausführungsbeispielen können zumindest Teile des gasförmigen Materials 8 in der Plasmaflamme 7 ionisiert werden, bevor sie auf dem Bauteil 5 abgeschieden werden. In Fig. 2 ist ein weiteres vorteilhaftes Ausführungsbeispiel schematisch dargestellt, wobei eine Plasmaätzvorrichtung 11 vorgesehen ist, welche in der gleichen Niederdruckkammer 1 einen Materialabtrag von dem Bauteil 5 ermöglicht. Mit der Plas- maätzvorrichtung 11 kann die Oberfläche des Bauteils 5 bzw. des Grundwerkstoffs 10 von Verunreinigungen oder Oxidschichten befreit werden. Durch den niedrigen Druck in der Niederdruckkammer 1 und einer entsprechend kurzen Zeitspanne zwischen Materialabtrag durch die Plasmaätzvorrichtung 11 und Materialauftrag mittels Plasmabrenner 2 kann die Oberfläche des Bauteils 5 bis zum Beginn des Materialauftrags weiterhin frei von Fremdstoffen und Oxidbildung gehalten werden.
In vorteilhaften Ausführungsbeispielen kann das Bauteil 5, in diesem Ausführungsbeispiel eine Triebwerksschaufel aus einer Titanlegierung, in der Halterung 4 mit einer Drehvorrichtung 12 gedreht werden, so dass der Oberflächenbereich des Bauteils 5, auf dem ein Materialauftrag erfolgen soll, in einfacher Weise der Plasmaätzvorrichtung 11 oder dem Plasmabrenner 2 zugewandt werden kann.
In einem weiteren möglichen vorteilhaften Ausführungsbeispiel wird das vorzugsweise gleichartige Material 8 gasförmig mit entsprechend hoher kinetischer und thermischer Energie in der Niederdruckkammer 1 auf dem Bauteil 5 abgeschieden, so dass das aufgetragene Material 8 auf dem Bauteil 5 amorph ist . Eine amorphe Schicht kann abweichende Werkstoffeigenschaften aufweisen als der Grundwerkstoff 10 und sich durch höhere Festigkeit, Härte und Korrosionsbeständigkeit auszeichnen. Das aufgetragene Material 8 kann somit in diesem Ausführungsbeispiel auch als metallisches Glas bezeichnet werden. In einer möglichen Weiterbehandlung kann das amorph aufgetragene Material 8 durch eine anschließende Wärmebehandlung des Bauteils 5 in die Struktur, insbesondere die Kristallstruktur und/oder Gefügestruktur des Grundwerkstoffs 10 des Bauteils 5 überführt werden.

Claims

Ansprüche :
1. Verfahren zum Auftragen von Material (8) auf einen Grundwerkstoff (10) eines Bauteils (5) , wobei das Bauteil (5) und eine Plasmadüse (3) in einer Niederdruckkammer (1) angeordnet sind, und wobei das Material (8) in den Wirkbereich einer Plasmaflamme (7) eingebracht wird, welche von der Plasmadüse (3) erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, dass
- das eingebrachte Material (8) vollständig in die Gasphase überführt wird, und
- ein Materialauftrag auf dem Bauteil (5) durch eine Kondensation und/oder Resublimation von Material (8) aus der Gasphase bewirkt wird, wobei
- der Grundwerkstoff (10) und das aufgetragene Material (8) des Bauteils (5) gleichartig und metallisch sind.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Material (8) und der Grundwerkstoff (10) miteinander physikalisch verbunden werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Gefügestruktur und/oder die Kristallstruktur des Grundwerkstoffs (10) in dem aufgetragenen Material (8) fortgesetzt wird.
4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck in der Niederdruckkammer (1) kleiner als 20 mbar, vorzugsweise kleiner als 5 mbar, ist.
5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen Bauteil (5) und Plasmadüse (3) größer als 50 cm, vorzugsweise größer als 100 cm, ist.
6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Materialauftrag ein Materialabtrag einer Oberflächenschicht des Bauteils (5) durchgeführt wird, wobei die Zeitspanne zwischen dem Ende des Materialabtrags und dem Materialauftrag kleiner ist als die mittlere Belegungszeit mit Atmosphärenmolekülen aus der Niederdruckkammer (1) .
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Materialabtrag mittels eines Plasmaätzverfahrens durchgeführt wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass Materialabtrag und Materialauftrag an demselben Bauteil (5) in mehrfacher Folge in der Niederdruckkammer (1) wiederholt werden.
9. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundwerkstoff (10) und das aufgetragene Material (8) eine Ti-Basis oder Ni-Basis oder Co- Basis Legierung sind.
10. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Materialauftrag der Grundwerkstoff (10) des Bauteils (5) in der Niederdruckkammer (1) auf eine Temperatur von mehr als 150 °C erwärmt wird.
11. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das aufgetragene Material (8) ein amorph abgeschiedenes Metall ist und durch geeignete Wärme- behandlung in kristallische Strukturen überführt werden kann .
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