BAUTEIL EINER TURBOEINRICHTUNG, BRENNKRAFTMASCHINE MIT EINER TURBOEINRICHTUNG UND VERFAHREN ZUM HERSTELLEN EINES TURBOEINRICHTUNGS-
BAUTEILS
Die Erfindung betrifft einerseits ein Bauteil einer einen Verdichter und eine Turbine umfassenden Turboeinrichtung, mit einem zumindest teilweise aus einer Titan- Aluminium-Legierung bestehenden Bauteilkörper, bei welchem die Titan-Aluminium- Legierung einen Titananteil von 40 at.-% bis 60 at.-% sowie einen Aluminium-Anteil von 5 at.-% bis 50 at.-% aufweist.
Die Erfindung betrifft andererseits ein Bauteil einer einen Verdichter und eine Turbine umfassenden Turbineneinrichtung, mit einem zumindest teilweise aus einer Titan- Aluminium-Legierung bestehenden Bauteilkörper, mit einer eine Lagerbohrung ausgestaltenden ersten Materialausnehmung, welche sich mit ihrer Längserstreckung in Axialrichtung entlang einer Rotationsachse des Bauteils erstreckt, und mit wenigstens einer weiteren Materialaussparung, welche von der die Lagerbohrung ausgestaltende Materi- alausnehmung verschieden ist.
Die Erfindung betrifft ferner eine Brennkraftmaschine mit einer Turbineneinrichtung, welche einen Verdichter und eine Turbine umfasst.
Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Verfahren zum Herstellen eines Turboeinrich- tungs-Bauteils, insbesondere eines Bauteils einer einen Verdichter und eine Turbine umfassenden Turboeinrichtung, aus einer Titan-Aluminium-Legierung mit einem Titan- Anteil von 40 at.-% und bis 60 at.-% sowie mit einem Aluminium-Anteil von 5 at.-% bis 50 at.-% oder aus einer Titan-Aluminium-Legierung mit einem Titan-Anteil von 40 at.-% bis 55 at.-% sowie mit einem Aluminium-Anteil von 35 at.-% bis 50 at.-%, bei welchem an dem Turboeinrichtungs-Bauteil eine Aluminiumoxid haltige Schutzschicht erzeugt wird.
Gattungsgemäße Bauteile sind aus dem Stand der Technik bereits bekannt.
Beispielsweise ist aus der DE 10 2008 059 617 AI ein Abgasturbolader einer Brennkraftmaschine bekannt, welcher in Form eines Rotors bzw. eines rotierenden Laufradt- eils ein Verdichterrad und ein Turbinenrad umfasst, welche über eine Welle drehfest miteinander verbunden sind. Das Turbinenrad ist hierbei aus einem Titanaluminid, also einer speziellen Titan-Aluminium-Legierung, ausgeführt. Hierdurch wird erzielt, dass der Rotor vergleichsweise preiswert herstellbar ist, was besonders wünschenswert ist, da es sich bei einem derartigen Rotor um ein Massenprodukt handelt. Nachteilig hierbei ist es jedoch, dass Titanaluminide oberhalb von ca. 750 °C jedoch eine mit erhöhter Tem- peratur zunehmende Oberflächenoxidation aufweist, welche was wiederum oftmals zu frühzeitigem Materialversagen führt.
Diese geringe Oxidationsbeständigkeit, aber auch das Bestreben sowohl den Verschleiß- als auch den Korrosionsschutz (z. B. Heißgaskorrosion) zu verbessern sowie die elektrische und thermische Widerstandsfähigkeit dieser Werkstoffklasse zu erhöhen, haben zu zahlreichen Bemühungen geführt, Oberflächen von Bauteilen aus Titanaluminiden durch geeignete Oberflächenbehandlungsverfahren zu schützen.
In diesem Zusammenhang haben insbesondere wissenschaftliche Untersuchungen gezeigt, dass eine Oxidbildung bei erhöhten Temperaturen zu einer komplexen Mischoxidschicht führt, welche im Wesentlichen aus Aluminiumoxid, Titanoxid, Nitri- den, verschiedenen Aluminiumoxidausscheidungen und intermetallischen Phasen besteht.
Um eine solche nachteilige Oxidbildung zu vermeiden bzw. abzumildern, sind aus dem Stand der Technik bereits Methoden bekannt, mittels welchen es mehr oder weniger gut gelingt, die Oxidationsbeständigkeit von Bauteilen zu erhöhen. Hierbei wird im Wesent- liehen die Strategie verfolgt, eine Aktivität von unter erhöhten Temperaturen schnell wachsenden Oxiden, wie etwa dem Titanoxid, zu hemmen, während zugleich die Aktivität bzw. das Vorkommen langsam wachsender Oxide, wie insbesondere dem Alumi-
niumoxid, an der unmittelbaren Grenzfläche von Bauteil zu umgebenden Medium, also der Bauteiloberfläche, vorzugsweise erhöht werden soll. Hierbei kann im Wesentlichen zwischen drei Arten zum Oberflächen- und insbesondere Oxidationsschutz unterschieden werden, nämlich den Oberflächen- insbesondere Oxida- tionsschutz durch Auftragsschichten (Typ 1), Diffusionsschichten (Typ 2) und Halogen- effekt-Schichten (Typ 3).
Bei den Auftragsschichten (Typ 1) wird das Schichtmaterial im Rahmen eines Be- schichtungsvorgangs auf der Substrat- bzw. Bauteiloberfläche abgeschieden. Der hierbei erzeugte Schichtverbund haftet, z. B. durch mechanische Verklammerung, durch Adhäsionskräfte oder durch Diffusionsbereiche bei kombinierter Wärmebehandlung.
Hingegen werden Diffusionsschichten (Typ 2) durch eine Anreicherung verschiedener Elemente in der Oberflächenrandzone des Bauteils bei erhöhten Temperaturen ausge- bildet. Die hierfür vorgesehenen Stoffe diffundieren in das Substrat bzw. Bauteil, sodass eine in der Regel dünne, graduelle Randzone mit einer vom Substrat abweichenden Zusammensetzung herbeigeführt werden kann.
Der dritte Typ unterscheidet sich hiervon konzeptionell stark und nutzt den sogenannten Halogeneffekt (Typ 3). Bei derartigen Halogeneffekt-Schichten werden der Oberfläche des Substrats bzw. des Bauteils bei Temperaturen kleiner der Einsatztemperatur Halogenide zugesetzt. Durch einen selektiven Aluminium-Transport über die Gasphase (Halogeneffekt) bildet sich dann während des eigentlichen Einsatzes des betreffenden Bauteils oder durch eine vorgeschaltete Wärmebehandlung eine dünne Aluminiumoxidschicht mit guter Diffusionssperrwirkung aus, wodurch ein guter Oxidationsschutz an dem Bauteil bereitgestellt werden kann.
Die meisten der bisher verwendeten Methoden bzw. Verfahren zum Erzeugen derartiger Schichtsysteme sind jedoch sehr teuer, weil derartige Methoden bzw. Verfahren einen
relativ hohen Automatisierungsgrad, eine Vakuumanwendung, einen hohen Energieeintrag oder dergleichen erfordern. Ferner weisen viele dieser Schichtsysteme eine für die Anwendung unzulängliche Qualität auf, welche sich z. B. in Form von Abplatzungen während thermischer Zyklen etwa aufgrund mangelnder Schichthaftung oder in Form einer geringen Abriebsfestigkeit oder ähnlichem bemerkbar machen.
Beispielsweise wurden im Rahmen des öffentlich geförderten Projekts„Oxidations- Schutzschichten für TiAl" (DFG BO 1979/13-2, 01.01.2012-31.12.2012) Spritzschichten zum Oxidationsschutz von Titanaluminid entwickelt und getestet. Hierbei hat sich allerdings nachteilig gezeigt, dass solche Spritzschichten aufgrund ihrer hohen Schichtdicke und mittelmäßigen Schichthaftung zum Abplatzen neigen, insbesondere bei zyklischer thermischer Last. Ein weiterer Nachteil sind der prozessbedingt hohe Energieein- trag und die notwendige Automatisierung des Spritzkopfes, welche insbesondere die Anwendung bei geometrisch komplexen Teilen erschwert.
Aus der Offenlegungsschrift DE 10 2012 002 284 AI ist auch ein aus einem Titanaluminid hergestelltes Turbinenrad bekannt, auf oder in dessen Oberfläche ein Halogenid insbesondere aus der Gruppe Fluor, Chlor oder Brom auf- bzw. eingebracht wird, und auf dessen Oberfläche eine Oxidschicht durch den zuvor beschriebenen Halogeneffekt im Rahmen einer Wärmebehandlung ausgebildet wird. Für ein derartiges Auf- bzw. Einbringen von Halogenen wird z. B. eine Ionenimplantation genutzt.
Im methodenübergreifenden Vergleich ist die Ionenimplantation eines der effektivsten Verfahren, um die Oxidationsbeständigkeit der Titanaluminide zu steigern. Allerdings ist eine derartige Ionenimplantation ein konstruktiv sehr aufwändiges und teures Verfahren. Um eine gleiche bzw. eine vergleichbare Effektivität wie hinsichtlich der Ionenimplantation zu erreichen, aber die Prozesskosten zu verringern, wurden Verfahren entwickelt, bei denen Halogene durch einen Tausch- oder Pulverpackprozess zunächst auf die Oberfläche aufgebracht werden und erst anschließend, oder wie beim Pulverpacken
in der Regel gleichzeitig, durch eine thermische Behandlung in der Randzone angereichert werden. Beide Methoden bieten die Möglichkeit der Behandlung von komplexen Oberflächen und sind vergleichsweise zudem noch kostengünstiger zu bewerkstelligen.
So konnten z. B. bei ersten Versuchen in einem Flüssigphasentauchprozess mit verdünnter HF-Lösung bereits ähnliche positive Ergebnisse wie an implantierten Proben erzielt werden. Allerdings wurde bisher nur der grundsätzliche Nachweis einer Erhöhung der Oxidationsbeständigkeit anhand der Bildung einer Aluminiumoxidschicht erbracht.
Nachteilig bei Tauch- und Pulverpackprozessen ist allerdings die aufwändige Wahl geeigneter Parameter sowie die Prozesskontrolle. Um einen positiven Effekt auf die Oxi- dationsbeständigkeit zu erzielen, müssen sich die Halogenidkonzentrationen in einem relativ genau definierten Bereich bewegen. Ist die Halogenkonzentration zu niedrig, wird der schützende Aluminimoxidfilm nicht vollständig aufgebaut, während eine Überkonzentration die allgemeine Korrosionsbeständigkeit eines Titanaluminid- Bauteils nachteilig herabsetzen kann. Darüber hinaus besitzen alle Methoden bzw. Verfahren, welche auf dem Halogeneffekt basieren, den Nachteil, dass die ausgebildeten Aluminiumoxidfilme nur sehr dünn sind und neben einer begrenzten Verbesserung der Korrosionsbeständig weder einen guten Verschleißschutz bieten noch einen größeren Einfluss auf eine elektrische oder thermische Isolation des Titanaluminid-Bauteils bewirken. Jedoch durch den Wettbewerbsdruck im Allgemeinen sowie im Speziellen durch die Anforderungen der überwiegend mittelständig geprägten Industrie, welche sich mit der Herstellung, der Weiterverarbeitung oder nur allgemein mit Produkten aus Titanalumi- niden beschäftigt, werden jedoch Schichtsysteme gefordert, welche den Anforderungen der Einsatzgebiete hinsichtlich eines Oxidationsschutzes, Korrosionsschutzes, Ver- schleißschutzes, einer thermischen oder elektrischen Isolierung, einer thermischen Be-
ständigkeit, einer Schichthaftfestigkeit uvm. gerecht werden und gleichzeitig kostengünstig realisierbar sind.
Eine Möglichkeit derartige Schutzschichten gemäß diesen Anforderungen realisieren zu können, ist durch sogenannte Konversionsschichten (Typ 4) gefunden worden, durch welche die vorstehend genannten drei Arten hinsichtlich Typ 1 , Typ 2 und Typ 3 ergänzt sind, wobei dieser Typ 4 in der Wissenschaft und industriellen Umsetzung bisher nahezu unberücksichtigt geblieben ist.
Bei diesen Konversionsschichten wird im Gegensatz zu den Auftragsschichten eine dünne bis dicke Schutzschicht durch eine Reaktion der das Bauteil umgebenden Atmo- Sphäre, wie z. B. ein Fluid, insbesondere ein Gas, mit dem Substrat bzw. mit dem Bauteilmaterial ausgebildet. Dies bedeutet, dass kein zusätzliches Material auf der Oberfläche abgeschieden sondern das Material im Bereich der Oberfläche an sich umgewandelt wird (Konversion).
In einer leitfähigen Flüssigkeit beispielsweise kann der vorgesehene Bildungsmecha- nismus auch durch einen elektrischen Stromfluss initiiert werden. Auf diese Weise können dicke und somit technisch nutzbare Schutzschichten wie bei den Auftragsschichten (Typ 1) ausgebildet werden, welche im Gegensatz zu diesen durch den graduellen Übergang zwischen Substrat und Konversionsschicht jedoch eine deutlich höhere Schichthaftung aufweisen und ferner unabhängig von der zum Teil komplexen Kontur des Bauteils sind.
Im Gegensatz zu Diffusions- und Halogeneffektschichten (Typ 2 bzw. Typ 3) sind Konversionsschichten bei vergleichbarem Oxidationsschutz kostengünstiger und dicker, wodurch zusätzlich ein Verschleiß- bzw. Korrosionsschutz und unter Umständen eine gewisse elektrische oder thermische Isolationswirkung gegeben ist. In diesem Zusammenhang ist aus der DE 10 2012 218 666 AI eines der wenigen Beispiele für eine solche Konversionsschicht zum Oberflächenschutz eines Bauteils aus
Titanaluminid bekannt. In der DE 10 2012 218 666 AI wird ein Titanaluminid-Bauteil, insbesondere ein Turbinenrad eines Turboladers, einer elektrochemischen Anodisation unterworfen, welche eine Aluminiumoxid haltige Schutzschicht aufbaut, so dass das Bauteil gut vor Oxidation geschützt ist. Weiterhin ist dort darauf verwiesen, dass dieses Bauteil gemäß der vorherigen Beschreibung hinsichtlich solcher Konversionsschichten auch vor schädlichen und unerwünschten Angriffen der Umgebungsbedingungen geschützt wird.
Obwohl durch die elektrochemische Anodisation eine technisch nutzbare Schicht be- reitgestellt wird, welche im Gegensatz zu den bisher genannten Methoden bzw. Verfahren nicht nur kostengünstig ist, sondern darüber hinaus neben dem Oxidations- und Verschleißschutz noch weitere positive Eigenschaften aufweist, verbleiben die für dieses Verfahren üblichen Limitierungen. Ein Nachteil solcher Anodisationsschichten ist beispielsweise, dass die hierdurch entsprechend hergestellte Schicht verfahrensbedingt einen hohen Porenanteil aufweist. Insofern kann selbst unter optimalen Verfahrensparametern ein nur begrenzter Oxidationsschutz realisiert werden, welcher in der Regel den effektivsten Methoden, wie beispielsweise Ionenimplantation, deutlich unterlegen ist. Des Weiteren kann im Rahmen der Anodisation ein nur begrenzter Verschleiß- und Korrosionsschutz hergestellt werden. Einer der größten Nachteile liegt jedoch in einem kritischen Aufbrechen und einem begrenzten Ausbilden der Anodisationsschicht insbesondere im Bereich von Kanten und spitzen Übergängen, was oftmals dazu führt, dass gerade an kritischen Bauteilstellen ein ausreichend guter Oxidationsschutz nicht gegeben ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, gattungsgemäße Bauteile bzw. Verfahren zum Herstellen diesbezüglicher Bauteile weiterzuentwickeln, um wenigstens die vorstehend genannten Nachteile zu überwinden.
Ferner liegt der Erfindung die spezielle Aufgabe zugrunde, selbst kompliziert bauende Bauteile, welche durch Hinterschneidungen verdeckt liegende Hohlräumen, die sich von
Lagerbohrungen unterschieden, aufweisen, zuverlässig beschichten zu können, um eine ausreichende Schutzschicht selbst hinter solchen Hinterschneidungen erzeugen zu können.
Die Aufgabe der Erfindung wird einerseits durch ein Bauteil einer einen Verdichter und eine Turbine umfassenden Turboeinrichtung, mit einem zumindest teilweise aus einer Titan-Aluminium-Legierung bestehenden Bauteilkörper gelöst, bei welchem die Titan- Aluminium-Legierung einen Titan-Anteil von 40 at.-% bis 60 at.-% sowie einen Aluminium-Anteil von 5 at.-% bis 50 at.-% aufweist, wobei sich dieses Bauteil dadurch auszeichnet, dass das Bauteil an seiner Bauteiloberfläche zumindest teilweise eine mittels einer Plasma-Elektrolytischer-Oxidation (PEO) erzeugte Schutzschicht aufweist.
Bauteile aus einer Titan-Aluminium-Legierung können mittels der durch Plasma- Elektrolytischer-Oxidation erzeugten Schutzschicht besonders vorteilhaft mit einer Oxi- dationssperre im Sinne der Erfindung geschützt werden.
Der Verfahrensablauf einer Plasma-Elektrolytischen-Oxidation, im Nachfolgenden auch nur kurz„PEO" genannt, ist im Wesentlich aus dem Stand der Technik bekannt.
Die im Sinne der Erfindung mittels der Plasma-Elektrolytischen-Oxidation erzeugte Schutzschicht erfüllt in hervorragender Weise zumindest die wichtigsten Anforderungen hinsichtlich eines Oxidationsschutzes, Korrosionsschutzes, Verschleißschutzes, einer thermischen oder elektrischen Isolierung, einer thermischen Beständigkeit, einer Schichthaftfestigkeit oder dergleichen an auch einer Titan-Aluminium-Legierung hergestellten Bauteilen. Bei der vorliegenden Schicht kann es sich insbesondere um eine Oxidkeramik-Schicht handeln, welche durch eine entsprechende Umwandlung des Grundwerkstoffes erzeugt wird.
Vorteilhafterweise können mittels der vorliegenden Schutzschicht selbst Oberflächen mit einer äußerst filigranen und/oder komplexen Geometrie gefinisht werden, so dass eine Nach- bzw. Endbearbeitung nicht weiter erforderlich ist.
Die hier genannten Zahlenangaben„von bis" schließen den jeweils genannten oberen und unteren Grenzwert mit ein.
Der Begriff „Titan-Aluminium-Legierung" oder auch synonym hierzu „Aluminium- Titan-Legierung" zeichnet sich insbesondere durch die vorstehend beschriebenen Titan- und Aluminium-Anteile aus, wobei insbesondere auch der Werkstoff Titanaluminid hierdurch erfasst ist. Titanaiuminide sind aus dem Stand der Technik vielfältig bekannt, so dass diese an dieser Stelle nicht weiter erläutert sind.
Der Begriff„Turboeinrichtung" beschreibt im Sinne der Erfindung insbesondere unterschiedliche Arten von Turboladern, wie beispielsweise einen Abgasturbolader, wobei sich derartige Turbolader dadurch auszeichnen, dass sie einen Verdichter und eine Turbine umfassen. Gattungsgemäße Turboeinrichtungen sind aus dem Stand der Technik vielfaltig bekannt, sodass vorliegend auf deren Aufbau und Funktionsweise nicht näher eingegangen ist.
Dementsprechend erfasst der vorliegende Begriff„Bauteil" unterschiedlichste festste- hende sowie bewegliche Bauteile bzw. Komponenten einer derartigen Turboeinrichtung, die später noch detaillierter gezeigt ist.
Die Aufgabe der Erfindung wird andererseits von einem Verfahren zum Herstellen eines Turboeinrichtungs-Bauteils, insbesondere eines Bauteils einer einen Verdichter und eine Turbine umfassenden Turboeinrichtung nach einem der hier beschriebenen Merk- male, aus einer Titan-Aluminium-Legierung mit einem Titan-Anteil von 40 at.-% bis 60 at.-% sowie mit einem Aluminium-Anteil von 5 at.-% bis 50 at.-% oder aus einer Titan- Aluminium-Legierung mit einem Titan-Anteil von 40 at.-% bis 55 at.-% sowie mit einem Aluminium-Anteil von 35 at.-% bis 50 at.-% gelöst, bei welchem an dem Tur-
boeinrichtungs-Bauteil eine Aluminiumoxid haltige Schutzschicht erzeugt wird, wobei sich das Verfahren dadurch auszeichnet, dass diese Aluminiumoxid haltige Schutzschicht mittels einer Plasma-Elektrolytischer-Oxidation (PEO) erzeugt wird.
Durch das vorgeschlagene Verfahren können insbesondere thermisch hoch belastete Bauteile einer Turboeinrichtung verfahrenstechnisch äußerst einfach und preiswert durch eine geeignete Schutzschicht geschützt werden. Vorteilhafterweise wird im Sinne der Erfindung zur Erzeugung einer derartigen Schutzschicht, insbesondere einer Oxid haltigen Schutzschicht, also einer hervorragenden Oxidationssperre, auf bzw. an einem Bauteil aus einer Titan-Aluminium-Legierung ein Plasmaprozess in einem leitfähigen Medium genutzt.
Das aus einer Titan-Aluminium-Legierung hergestellte Bauteil kann auch nur partiell durch eine hervorragende Oxidationssperre geschützt werden, wobei die hier im Sinne der Erfindung erzeugte Schutzschicht zudem besonders kostengünstig an dem Bauteil erzeugt werden kann.
Als Titanaluminid ist im Sinne der Erfindung insbesondere eine Titan-Aluminium- bzw. Aluminium-Titan-Legierung zu verstehen, welche zumindest Titan und Aluminium in folgender prozentualer Menge in Atomprozent (at.-%) aufweist, wobei Titan insbesondere in einem Bereich von > 38 at.-% bis < 59 at.-% sowie Aluminium auch in einem Bereich von > 35 at.-% bis < 50 at.-% in dem Bauteilmaterial angereicht sein können.
Das vorliegende Verfahren kann bei entsprechender Anpassung der Prozessparameter und gegebenenfalls einer abgestimmten Vorbehandlung auch auf eine Titan-, Magnesi- um- sowie eine Gamma-Titanaluminid-Legierung angewendet werden.
Ferner können Bereiche des Bauteils, welche nicht durch die vorliegende Schutzschicht behandelt werden sollen, während der Verfahrensdurchführung durch eine entsprechend ausgebildete Maskierung geschützt werden.
Durch geeignet gewählte Prozessparameter kann ein Schichtwachstum temporär derart gesteuert bzw. geregelt werden, dass unterschiedliche, aber auch gleiche Schichtdicken an dem Bauteil erzeugt werden können.
Durch die vorliegende mittels einer Plasma-Elektrolytischen Oxidation (PEO) erzeugte Schutzschicht können insbesondere dynamisch schnell rotierende Bauteile, wie sie bei einer Turboeinrichtung verwendet sind, aus einem Titanaluminid betriebssicher einge- setzt werden, wodurch diese dynamisch rotierenden Bauteile hinsichtlich ihres Gewichts auch besonders leicht ausgestaltet sein können. Somit weisen derart mit gewichtsmäßig optimierten, dynamisch schnell rotierenden Bauteilen ausgestattete Turboeinrichtungen ein signifikant verbessertes Ansprechverhalten aus, wodurch wiederum hiermit ausgerüstete Brennkraftmaschinen vorteilhafter betrieben werden können. Insofern wird die Aufgabe der Erfindung auch von einer Brennkraftmaschine mit einer Turboeinrichtung gelöst, welche einen Verdichter und eine Turbine umfasst, wobei sich die Brennkraftmaschine dadurch gekennzeichnet, dass die Turboeinrichtung wenigstens ein Bauteil nach einem der hier beschriebenen Merkmale aufweist, da derart ausgerüstete Brennkraftmaschinen effektiver arbeiten. Speziell in dem vorstehend genannten Zusammenhang wird die Aufgabe der Erfindung ferner von einem Bauteil einer einen Verdichter und eine Turbine umfassenden Turboeinrichtung, mit einem zumindest teilweise aus einer Titan-Aluminium-Legierung bestehenden Bauteilkörper, mit einer eine Lagerbohrung ausgestaltenden ersten Materi- alausnehmung, welche sich mit ihrer Längserstreckung in Axialrichtung entlang einer Rotationsachse des Bauteils erstreckt, gelöst, wobei das Bauteil wenigstens eine von der die Lagerbohrung ausgestaltende erste Materialausnehmung verschiedene weitere Materialaussparung aufweist, welche einen innerhalb des Bauteilkörpers liegenden Hohlraum ausgestaltet, um die zu beschleunigenden Massen des Bauteils zu reduzieren.
Durch einen derartigen zusätzlich erzeugten Hohlraum kann eine weitere Gewichtsre- duzierung an dem Bauteil erzielt werden.
Diese Bauteil kann selbst bei geometrisch anspruchsvoll ausgestalteten Hohlräumen insbesondere dort eine sehr gute Oxidationssperre erhalten, wenn eine die wenigstens eine weitere Materialaussparung begrenzende Oberfläche des Bauteils zumindest teilweise eine mittels eines Plasma-Elektrolytischer-Oxidation (PEO) erzeugte Schutz- schicht aufweist.
Insbesondere ein derartiges Bauteil, welches beispielsweise als dynamisch beanspruchtes Laufrad, wie z. B. ein Verdichter- oder Turbinenlaufrad, ausgestaltet ist, kann durch die vorliegende Schutzschicht besonders einfach hergestellt und vor einer kritischen Oxidation geschützt werden. Dies trifft insbesondere dann zu, wenn dieses Bauteil zumindest teilweise aus einem Titanaluminid besteht und als dynamisch beanspruchtes Bauteil etwa einem Heißgasstrom, wie beispielsweise einem Abgasstrom, einer Brennkraftmaschine ausgesetzt ist.
Speziell in diesem Zusammenhang ist es vorteilhaft, wenn die Titan-Aluminium- Legierung einen Titan-Anteil von 40 at.-% bis 55 at.-% sowie einen Aluminium-Anteil von 35 at.-% bis 50 at.-% aufweist.
Eine derartige Titan-Aluminium-Legierung gestaltet ein Titanaluminid aus, welches sich insbesondere für dynamisch beanspruchte bzw. rotationsdynamisch bewegte Bauteile einer Turboeinrichtung eignen, da sie ein besonders leicht bauendes bewegtes Bau- teil der Turboeinrichtung ermöglichen.
An dieser Stelle sei explizit darauf hingewiesen, dass die Aufgabe der Erfindung im Speziellen von einem Bauteil einer einen Verdichter und eine Turbine umfassenden Turboeinrichtung, mit einem zumindest teilweise aus einer Titan-Aluminium-Legierung bestehenden Bauteilkörper, mit einer eine Lagerbohrung ausgestaltenden ersten Materi- alausnehmung, welche sich mit ihrer Längserstreckung in Axialrichtung entlang einer Rotationsachse des Bauteils erstreckt, und mit wenigstens einer weiteren Materialaus-
sparung, welche von der die Lagerbohrung ausgestaltende Materialausnehmung verschieden ist, gelöst, wobei sich dieses Bauteil explizit dadurch gekennzeichnet, dass eine die wenigstens eine weitere Materialaussparung begrenzende Oberfläche des Bau- teils zumindest teilweise eine mittels eines Plasma-Elektrolytischer-Oxidation (PEO) erzeugte Schutzschicht aufweist.
Bevorzugt weist die Titan-Aluminium-Legierung dieses Bauteils einen Titan-Anteil von 40 at.-% bis 55 at.-% sowie einen Aluminium-Anteil von 35 at.-% bis 50 at.-% auf.
Durch die Gewichtseinsparung gegenüber bisherigen Hochtemperaturwerkstoffen er- möglicht der Einsatz von Titanaluminiden sowohl eine Steigerung des Wirkungsgrades in der jeweiligen Anwendung als auch das Potenzial zur Energieeinsparung und damit zur Reduzierung der Umweltbelastung.
Insofern ist es vorteilhaft, wenn das Bauteil ein rotierendes Laufradteil des Verdichters und/oder der Turbine der Turbineneinrichtung umfasst, wobei das Bauteil in einem be- liebigen Querschnitt entlang seiner Rotationsachse mindestens 65% oder 80 % von Konturelemente dessen Bauteils symmetrisch zu der Rotationsachse des Bauteils ausgestaltet sind.
Wie bereits erwähnt, sind insbesondere für die Anwendung von dynamisch bewegten Bauteilen bzw. Komponenten der Turboeinrichtung bei erhöhten Temperaturen, das heißt Temperaturen von > 300 °C, leichte und oxidationsbeständige Bauteile erforderlich.
Speziell Titanaluminide haben in zahlreichen technischen Anwendungen das Potenzial aufgrund ihrer geringen Dichte von ca. 3,8 g/cm3 und aufgrund guter mechanischer Eigenschaften bei Temperaturen von 450 °C bis 950 °C etwa Superlegierungen, wie Ni- ckel-Basis-Legierungen (Dichte 8,19 g/cm3) und andere warmfeste Werkstoffe, als Hochtemperaturwerkstoffe abzulösen.
Mögliche Anwendungen sind, insbesondere aufgrund der geringen Massenträgheit und der Hochtemperatureignung dieser Werkstoffe, besonders bewegte Teile mit hoher Leistungsdichte, wie insbesondere Turbinenschaufeln in Triebwerken oder Gaskraftwerken, Motorventile, Thermoschutzbleche, Heißgasventilatoren oder Turbinen- oder Verdichterräder in Turboladern.
Insbesondere hinsichtlich moderner Verbrennungsmotoren bzw. Brennkraftmaschinen, wie z. B. Diesel- oder Ottomotoren, werden speziell Abgasturbolader immer häufiger eingesetzt. Als Werkstoffe für diese Anwendungen kommen nur wenige warmfeste Hochtemperaturwerkstoffe in Frage, insbesondere aber Nickel-Basis-Legierungen.
Durch gezielte Weiterentwicklungen der Titanaluminide erreichen diese selbst bei erhöhten Temperaturen mittlerweile vergleichbare mechanische Eigenschaften wie manche bekannte Nickel-Basis-Legierungen. Erfreulicherweise ergibt sich durch die erheblich geringere Dichte der Titanaluminide ein hohes Potenzial zur Gewichtseinsparung und Effizienzsteigerung sowie zur Verringerung des Schadstoffausstoßes, insbesondere hinsichtlich derartiger Abgasturbolader.
Es versteht sich, dass das vorliegende Bauteil unterschiedlich hergestellt werden kann.
Beispielsweise ist es vorteilhaft, wenn das Bauteil entweder durch ein Gussverfahren, insbesondere Feinguss, oder pulvermetallurgisch, insbesondere durch ein Metallpulver- Spritzgießen oder durch ein generatives Produktionsverfahren, insbesondere durch Elektronenstrahlsintern oder durch Selektiv-Laser-Melting bevorzugt in Endkontur oder zumindest endkonturnah hergestellt wird.
Bevorzugt umfasst die Oberfläche des vorliegenden Bauteils teilweise oder vollständig eine Oxid haltige Schutzschicht, welche mittels Plasma-Elektrolytischer-Oxidation erzeugt ist.
Besonders präzise kann das vorliegende Bauteil hergestellt werden, wenn die Endkontur durch Funkenerosion (EDM) oder durch eine elektrochemische Bearbeitung (ECM) hergestellt ist. Insbesondere dadurch, dass das Bauteil wenigstens eine von der die Lagerbohrung ausgestaltende erste Materialausnehmung verschiedene weitere Materialaussparung aufweist, welche einen innerhalb des Bauteilkörpers liegenden Hohlraum ausgestaltet, können insbesondere zu beschleunigende Massen an dem Bauteil signifikant reduziert werden. Da hierbei während der Beschleunigung des Bauteil weniger Massenträgheits- momente überwunden werden müssen, erhält auch die Turboeinrichtung insgesamt ein besseres Ansprechverhalten.
Eine bevorzugte Ausführungsvariante sieht in diesem Zusammenhang vor, dass die wenigstens eine weitere Materialaussparung bezogen auf die Rotationsachse des Bauteils radial weiter außen angeordnet ist als die die Lagerbohrung ausgestaltende erste Materi- alausnehmung. Hierdurch können besonders günstig platzierte Hohlräume innerhalb des Bauteils bzw. seines Bauteilkörpers vorgesehen werden.
Zweckmäßig ist es auch, wenn die wenigstens eine weitere Materialaussparung axial auf gleicher Höhe wie die die Lagerbohrung ausgestaltende erste Materialausnehmung angeordnet ist. Zweckmäßig ist es weiter, wenn die wenigstens eine weitere Materialaussparung ein Hohlraum des Bauteils ist, welcher von einer Schaufelelementen abgewandten Seite des Bauteils zugänglich ist. Hierdurch gelingt es besonders gut, eine mittels einer Plasma- Elektrolytischer-Oxidation erzeugte Schutzschicht innerhalb des Bauteils zu erzeugen, sodass die gesamte Oberfläche des Bauteils bzw. seines Bauteilkörpers, welche den innenliegenden Hohlraum begrenzt, mittels einer Oxidationssperre geschützt werden kann.
Die von den Schaufelelementen abgewandten Seite des Bauteils beschreibt hierbei die Rückseite des Bauteils, wobei die Vorderseite des Bauteils die Schaufelelemente eines Laufradteils eines Verdichters oder einer Turbine umfassen. Eine andere bevorzugte Ausfuhrungsvariante sieht vor, dass die wenigstens eine weitere Materialaussparung ein Hohlraum des Bauteils ist, welcher in Axialrichtung durch eine Hinterschneidung des Bauteilkörpers, insbesondere von einem an dem Bauteilkörper aufgehängten Nabenteil, zumindest teilweise verdeckt ist. Hierdurch kann eine besonders hohe Materialeinsparung und somit auch eine hohe Gewichtsreduzierung an dem Bauteil erzielt werden.
Vorteilhafterweise können mittels der vorliegenden Plasma-Elektrolytischen-Oxidation selbst an schwer zugänglichen Oberflächenbereiche des Bauteils eine Schutzschicht, insbesondere eine Aluminiumoxid haltigen Schutzschicht erzeugt werden, wobei diese Oberflächenbereiche von außen betrachtet von Hinterschneidungen des Bauteils abge- deckt sind.
Insofern sieht eine vorteilhafte Verfahrensvariante auch vor, dass diese Aluminiumoxid haltigen Schutzschicht an einer durch eine Hinterschneidung des Turbineneinrichtungs- Bauteils verdeckten Oberfläche des Turbineneinrichtungs-Bauteils erzeugt wird.
Das Bauteil kann besonders gewichtsreduziert hergestellt werden, wenn die wenigstens eine weitere Materialaussparung ein Hohlraum des Bauteils ist, welche die Rotationsachse des Bauteils zumindest teilweise durchquert.
Es versteht sich des Weiteren, dass die vorliegende Titan-Aluminium-Legierung beziehungsweise insbesondere das Titanaluminid je nach Anwendungsbereich des Bauteils unterschiedlich legiert sein kann. Insofern kann insbesondere eine günstige Titanaluminid-Legierung neben anderen Elementen des Periodensystems und beliebigen Verunreinigungen in einer jeweiligen Häu-
figkeit von < 1 at.-% eines oder auch mehrere der folgenden Legierungselemente aufweisen.
Beispielsweise kann die Titan-Aluminium-Legierung Niob, Tantal, Wolfram, Zirkoni- um und/oder Molybdän mit jeweils einem Anteil von mehr als 0 at.-% bis 11 at.-% aufweisen.
Kumulativ oder alternativ kann in die Titan-Aluminium-Legierung Eisen, Chrom, Vanadium und/oder Mangan mit jeweils einem Anteil von mehr als 0 at.-% bis 4 at.-% aufweisen. Darüber hinaus kann die Titan-Aluminium-Legierung kumulativ oder alternativ Bor oder Kohlenstoff oder Silizium mit jeweils einem Anteil von mehr als 0 at.-% bis 1 at- % aufweisen.
Hierbei entspricht die Summe der im Bauteil vorhandenen Bestandteile einer Menge von < 100 at.-%, wobei die vorgenannten Verbindungen innerhalb der vorgenannten Grenzen in beliebigen Kombinationen und jeweils zumindest teilweise gemeinsam vorliegen können.
Durch ein Erzeugen einer derartigen Alumiumoxid haltigen Schutzschicht kann insbesondere bei einem Bauteil aus Titanaluminid verhindert werden, dass sich, wie es sich für Titanaluminide im Rahmen einer thermischen Last insbesondere bei hohem Titan- gehalt bzw. niedrigem Aluminiumgehalt von etwa unterhalb 50 at.-% bzw. von 42 at.-% bekannt ist, ein zu großer Anteil an Titanoxid auf der Oberfläche bilden.
Dies kann besonders von Vorteil sein, weil beispielsweise Mischoxidschichten mit einem zu großem Anteil von Titandioxid nicht oder nur begrenzt diffusions- bzw. gasdicht sind, wobei das Bauteil hierbei nicht wirksam abgeschirmt werden kann. Aus diesem Grund sind sowohl die sich bei erhöhter Temperatur selbst ausbildenden Oxidschichten, als auch durch einen Oberflächenbehandlungsschritt gebildete Schutz-
schichten mit hohem Anteil von solchen Oxiden, beispielsweise Titandioxid, nicht sehr oxidationsbeständig.
In der Folge kann beispielsweise eine Oxidation des eigentlich durch die Schutzschicht zu schützenden Bauteils voranschreiten, wodurch das Bauteil beschädigt oder sogar zerstört werden kann.
Aus dem zuvor Beschriebenen wird somit deutlich, dass eine insbesondere durch Aluminiumoxid angereicherte Schutzschicht in vielen Fälle von Vorteil sein kann.
Besonders vorteilhaft ist es, dass durch das der Erfindung zugrunde liegende Verfahren im Gegensatz zu allen zuvor vorgestellten Methoden bzw. Verfahren eine verhältnismäßig dünne bis dicke oxidhaltige Schutzschicht im Bereich von wenigen μπι bis mehreren hundert μπι auf einem Bauteil aus einer Titan-Aluminium-Legierung, insbesondere aus einem Titanaluminid, kostengünstig erzeugt werden kann. Und dies ist vorteilhafterweise auch nahezu unabhängig von der äußeren Geometrie des Bauteils möglich. Jedenfalls weist die vorliegende oxidhaltige Schutzschicht aufgrund ihres Anteils an Aluminiumoxid eine gute Oxidationsbeständigkeit auf.
Ihr wohnt zugleich aber auch eine äußerst gute Verschleiß- und Korrosionsfestigkeit inne sowie die Möglichkeit zur thermischen oder elektrischen Isolation des Bauteils.
Beispielsweise kann die vorliegende Schutzschicht derart ausgeprägt sein, dass der An- teil an Aluminiumoxid > 35 vol.-% beträgt.
In einem speziellen Anwendungsfall kann gemäß dem der Erfindung zugrunde liegenden Verfahren zunächst ein Bauteil bereitgestellt, welches mindestens teilweise aus einem Titanaluminid gemäß nachfolgender Beschreibung besteht:
Titan in einem Bereich von größer oder gleich 40 at.-% bis kleiner oder gleich 55 at.-%, wobei Aluminium in einem Bereich von größer oder gleich 35 at.-% bis kleiner oder gleich 50 at.-% vorliegt, und wobei ferner Niob, Tantal, Wolfram, Zirkonium oder Mo-
lybdän in einem Bereich von jeweils größer oder gleich 0 at.-% bis kleiner oder gleich 1 1 at.-% sowie Eisen, Chrom, Vanadium oder Mangan in einem Bereich von jeweils größer oder gleich 0 at.-% bis kleiner oder gleich 4 at.-% sowie Bor oder Kohlenstoff oder Silizium in einem Bereich von jeweils größer oder gleich 0 at.-% bis kleiner oder gleich 1 at.-% vorliegen.
Die vorgenannten Verbindungen können hierbei innerhalb der vorgenannten Grenzen in beliebigen Kombinationen und jeweils auch zumindest teilweise gemeinsam vorliegen.
Die Herstellung derartiger Bauteile ist für den Fachmann an sich bekannt. Beispielswei- se können derartige Bauteile, die vollständig oder teilweise aus Titanaluminid bestehen, etwa durch Gussverfahren, z.B. den Feinguss, oder pulvermetallurgisch, z.B. durch das Metallpulver-Spritzgießen (MIM), oder spanend, z.B. durch Fräsen oder Drehen, aus entsprechendem Halbzeugen hergestellt werden.
Es versteht sich, dass die mittels einer Plasma-Elektrolytischen-Oxidation an einem Bauteil erzeugte Schutzschicht vielfältiger Gestalt sein kann, wie hier erläutert ist.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die erzeugte Schutzschicht eine Oxidkeramik- Schicht, insbesondere eine AhCb-Schicht, umfasst. Durch diese Oxidkeramik kann eine besonders gut funktionierende Oxidationssperre an dem vorliegenden Bauteil erzielt werden. Darüber hinaus ist es vorteilhaft, wenn die durch die Umwandlung der Bauteiloberflä- che entstehende Schutzschicht eine Dicke von 0,1 bis 300 μηι, insbesondere 1 bis 10 μιη, aufweist.
Neben dynamisch belasteten bzw. rotierenden Bauteilen ist es im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung auch vorteilhaft, wenn das Bauteil ein mediumdurchström- tes Bauteil des Verdichters und/oder der Turbine der Turboeinrichtung umfasst.
Beispielsweise handelt es sich bei einem zu beschichtenden Bauteil um ein von Abgasen, Kühlmitteln, Schmierstoffen durchströmtes Gehäuseteil, wie etwa ein wassergekühltes Turbinengehäuseteil oder ein Verdichtergehäuseteil. Auch derartige Bauteil können durch die vorliegende Schutzschicht vorteilhaft weiterentwickelt werden, wie insbesondere in der Figurenbeschreibung noch explizit erläutert ist.
Insbesondere im Hinblick auf ein Bauteil einer einen Verdichter und eine Turbine umfassenden Turboeinrichtung, wobei das Bauteil einen zumindest teilweise aus einer Titan-Aluminium-Legierung bestehenden Bauteilkörper aufweist, und die Titan- Aluminium-Legierung einen Titan-Anteil von 40 at.-% bis 60 at.-% sowie einen Alumi- nium-Anteil von 5 at.-% bis 50 at.-% aufweist, ist es vorteilhaft, wenn das Bauteil ein Medium durchströmtes Bauteil des Verdichters und/oder der Turbine der Turboeinrichtung umfasst, da auch ein derartiges Bauteil bzw. Medium durchströmtes Bauteil vorteilhaft durch eine mittels einer Plasma-Elektrolytischen-Oxidation erzeugten Schutzschicht geschützt und somit weiterentwickelt werden kann. Ein das Bauteil durchströmendes Medium kann im Sinne der vorliegenden Erfindung etwa ein Abgas, ein Kühlmittel, ein Schmierstoff oder dergleichen sein.
Insbesondere kann es sich bei diesem Bauteil um ein von Abgasen, Kühlmitteln, Schmierstoffen oder dergleichen durchströmtes Gehäuseteil eines Verdichters oder einer Turbine einer entsprechend ausgestalteten Turboeinrichtung sein. Speziell bei einem zylinderkopfintegrierten, wassergekühlten Integral-Turbinengehäuse eines Abgasturboladers kann die vorliegende Erfindung besonders vorteilhaft eingesetzt werden. Dies betrifft insbesondere das partielle Beschichten von strömungsführenden Innenquerschnitten eines entsprechend ausgebildeten Gehäuseteils wie z. B. abgasführende oder wasserführende Innenkanäle, welche von einem Turbinengehäuseteil einer Turboeinrichtung ausgestaltet sind.
Auch eine Beschichtung mittels Plasma-Elektrolytischer-Oxidation im Bereich von Planflächen eines Anbindungsflansches des Turbinengehäuseteils an ein Gehäuse einer Brennkraftmaschine ist vorteilhaft.
Darüber hinaus kann eine mittels einer Plasma-Elektrolytischen-Oxidation erzeugte Schutzschicht darüber hinaus auch hervorragend zur thermischen Isolierung herangezogen werden. Beispielsweise kann eine solche Schutzschicht zur Isolierung von Kühlwasserkanälen des Turbinengehäuses oder von Abgaskanälen des Turbinengehäuses verwendet werden.
Besonders vorteilhaft ist es, dass die vorliegende Schutzschicht besonders innig mit dem jeweiligen Bauteil wirkverbunden ist, was insbesondere bei thermisch hochbeanspruchten Bauteilen von Vorteil ist, da diese oftmals bereits im normalen Betrieb einer Turboeinrichtung einer elastischen Verformung ausgesetzt sind. Zudem können mit der vorliegenden Schutzschicht thermische Spannungen zwischen einem Grundwerkstoff und einer diesbezüglichen Schutzschicht vermieden werden, da die mittels eines Plas- ma-Elektrolytischen-Oxidation erzeugte Schutzschicht nahezu den gleichen Ausdehnungskoeffizient besitzt, wie die eigentliche Titan-Aluminium-Legierung, aus welcher das Bauteil hergestellt ist.
Insofern besteht zwischen dem Grundwerkstoff des Bauteils und der mittels einer Plas- ma-Elektrolytischen-Oxidation erzeugten Schutzschicht eine atomare Bindung, sodass ein unbeabsichtigtes vorzeitiges Lösen dieser Schutzschicht von dem Grundwerkstoff nahezu ausgeschlossen werden kann.
Hinsichtlich eines speziellen Anwendungsfalls in Bezug auf einen Abgasturbolader ist die vorliegende Schutzschicht dahingehend von Vorteil, dass weniger Wärmeenergie aus Abgasen über das Gehäuseteil in die Umgebung abgeführt wird, sodass hinter der Turboeinrichtung heißere Abgase zum Aufheizen des Katalysators zur Verfügung stehen, wodurch dieser wesentlich schneller seine optimale Betriebstemperatur erreichen kann.
Ferner ist es vorliegend besonders zweckmäßig, wenn das Bauteil ein Lagerteil, insbesondere Lagerteile einer Wellen-Naben- Verbindung, des Verdichters und/oder der Tur- bine der Turboeinrichtung umfasst. Beispielsweise können Oberflächen von Lagerkörpern mit der vorliegenden mittels einer Plasma-Elektrolytischen-Oxidation erzeugten Schutzschicht gegenüber einem mechanischen Verschleiß sehr gut geschützt werden.
Insofern ist es kumulativ oder alternativ vorteilhaft, wenn das Bauteil ein Lagerteil, insbesondere Lagerteile einer Wellen-Naben- Verbindung, des Verdichters und/oder der Turbine der Turboeinrichtung umfasst. Auch derartige Bauteile können durch die vorliegende Schicht vorteilhaft weiterentwickelt werden.
Nachfolgend sind eine Vielzahl an weiteren vorteilhaften Verfahrensvarianten hinsichtlich spezifischer Anwendungsfälle wie folgt beschrieben.
Eine diesbezügliche erste Verfahrensvariante sieht vor, dass ein benutztes Elektrolyt eine siliziumhaltige Verbindung als Elektrolytbasis im Mengenbereich von 0 - 300 g L sowie Kaliumhydroxid (KOH), Wasserglas (Na2Si03), Phosphorsäure (H3P04), Natriumphosphat (Na3P04), Flusssäure (FTF), Ammoniumhydroxid (NH40H), Borsäure (H3B03), Schwefelsäure (H2S04), Zirkoniumsulfat (ZrS04), Zirkoniumwolframat (ZrW04), Ammoniumfluorid (NH4F), Natriumhydrogenphosphat (NaH2P04), Natri- umfluorid Diammoniumhydrogenphosphat (NH4)2HP04, Harnstoff (CH4N20), Kaliumphosphat (K3P04), Kaliumpyrophosphat (K407P2), Dikaliumphosphat (K2HP04), Natriumaluminat (Na2A1204 oder NaAl(OH)4), Natriummetaaluminat (NaA102), Nat- riumfluorid (NaF), Kaliumfluorid (KF) und Natriumhypophosphit (NaH2P02) in jeglicher Kombination im Mengenbereich von jeweils 0 - 120 g/L, jedoch im Einzelnen geringer als die Elektrolytbasis, sowie Natriumborat (Na2B407), Ammoni- umhydrogendifluorid (NH4HF2), Kaliumfluorotitanat (K2TiF6), Kaliumhexafluoro- zirkonat (K2ZrF6), EDTA (C10H12CaN2Na2O8) und deren Salze, z.B. Dinatrium- ethylendiamintetraacetat (Na2H2EDTA), Tetranatrium-ethylendiamin-tetraacetat (Na4EDTA) oder Calcium-dinatrium-ethylendiamin-tetraacetat (CaNa2EDTA), Am-
moniummetavanadat (NH4V03), Dinatriummolybdad (Na2Mo04), Dinatrium- wolframat (Na2Wo4), Wasserstoffperoxid (H202), Zitronensäure (C6H807) sowie Glyzerin (C3H803) in jeglicher Kombination im Mengenbereich von jeweils 0 - 20 g/L, jedoch im Einzelnen geringer als die Elektrolytbasis, sowie Urotropin im Mengenbereich (0 - 400 g/L) aufweist. Des Weiteren ist es vorteilhaft, wenn ein Halogenid-Ionen aufweisendes Elektrolyt verwendet wird.
Eine weitere Verfahrensvariante sieht vor, dass ein benutztes Elektrolyt eine phosphor- haltige Verbindung als Elektrolytbasis im Mengenbereich von 0 - 300 g/L sowie Kali- um-hydroxid (KOH), Wasserglas (Na2Si03), Phosphorsäure (H3P04), Natriumphos- phat (Na3P04), Flusssäure (HF), Ammoniumhydroxid (NH40H), Borsäure (H3B03), Schwefelsäure (H2S04), Zirkoniumsulfat (ZrS04), Zirkoniumwolframat (ZrW04), Ammoniumfluorid (NH4F), Natriumhydrogenphosphat (NaH2P04), Natriumfluorid Diammoniumhydrogenphosphat (NH4)2HP04, Harnstoff (CH4N20), Kaliumphosphat (K3P04), Kaliumpyrophosphat (K407P2), Dikaliumphosphat (K2HP04), Natri- umaluminat (Na2A1204 oder NaAl(OH)4), Natriummetaaluminat (NaA102), Natriumfluorid (NaF), Kaliumfluorid (KF) und Natriumhypophosphit (NaH2P02) in jeglicher Kombination im Mengenbereich von jeweils 0 - 120 g/L, jedoch im Einzelnen geringer als die Elektrolytbasis, sowie Natriumborat (Na2B407), Ammoniumhydro- gendifluorid (NH4HF2), Kaliumfluorotitanat (K2TiF6), Kaliumhexafluorozirkonat (K2ZrF6), EDTA (C10H12CaN2Na2O8) und deren Salze, z.B. Dinatrium- ethylendiamin-tetraacetat (Na2H2EDTA), Tetranatrium-ethylendiamin-tetraacetat (Na4EDTA) oder Calcium-dinatrium-ethylendiamin-tetraacetat (CaNa2EDTA), Am- moniummetavanadat (NH4V03), Dinatriummolybdad (Na2Mo04), Dinatrium- wolframat (Na2Wo4), Wasserstoffperoxid (H202), Zitronensäure (C6H807) sowie Glyzerin (C3H803) in jeglicher Kombination im Mengenbereich von jeweils 0 - 20 g/L, jedoch im Einzelnen geringer als die Elektrolytbasis, sowie Urotropin im Mengenbereich (0 - 400 g/L) aufweist.
Darüber hinaus ist es vorteilhaft, wenn ein benutztes Elektrolyt eine aluminiumhaltige Verbindung als Elektrolytbasis im Mengenbereich von 0 - 300 g/L sowie Kalium- hydroxid (KOH), Wasserglas (Na2Si03), Phosphorsäure (H3P04), Natriumphosphat (Na3P04), Flusssäure (HF), Ammoniumhydroxid (NH40H), Borsäure (H3B03), Schwefelsäure (H2S04), Zirkoniumsulfat (ZrS04), Zirkoniumwolframat (ZrW04), Ammoniumfiuorid (NH4F), Natriumhydrogenphosphat (NaH2P04), Natriumfluorid Diammoniumhydrogenphosphat (NH4)2HP04, Harnstoff (CH4N20), Kaliumphosphat (K3P04), Kaliumpyrophosphat (K407P2), Dikaliumphosphat (K2HP04), Natri- umaluminat (Na2A1204 oder NaAl(OH)4), Natriummetaaluminat (NaA102), Natriumfluorid (NaF), Kaliumfluorid (KF) und Natriumhypophosphit (NaH2P02) in jeglicher Kombination im Mengenbereich von jeweils 0 - 120 g/L, jedoch im Einzelnen geringer als die Elektrolytbasis, sowie Natriumborat (Na2B407), Ammoni- umhydrogendifiuorid (NH4HF2), Kaliumfluorotitanat (K2TiF6), Kaliumhexafluoro- zirkonat (K2ZrF6), EDTA (C10H12CaN2Na2O8) und deren Salze, z.B. Dinatrium- ethylendiamin-tetraacetat (Na2H2EDTA), Tetranatrium-ethylendiamin-tetraacetat (Na4EDTA) oder Calcium-dinatrium-ethylendiamin-tetraacetat (CaNa2EDTA), Am- moniummetavanadat (NH4V03), Dinatriummolybdad (Na2Mo04), Dinatrium- wolframat (Na2Wo4), Wasserstoffperoxid (H202), Zitronensäure (C6H807) sowie Glyzerin (C3H803) in jeglicher Kombination im Mengenbereich von jeweils 0 - 20 g/L, jedoch im Einzelnen geringer als die Elektrolytbasis, sowie Urotropin im Mengenbereich (0 - 400 g/L) aufweist.
Eine andere vorteilhafte Verfahrensvariante sieht vor, dass ein benutztes Elektrolyt eine Zirkonium- oder schwefelhaltige Verbindung als Elektrolytbasis im Mengenbereich von 0 - 300 g/L sowie Kaliumhydroxid (KOH), Wasserglas (Na2Si03), Phosphorsäure (H3P04), Natriumphosphat (Na3P04), Flusssäure (HF), Ammoniumhydroxid (ΝΉ40Η), Borsäure (H3B03), Schwefelsäure (H2S04), Zirkoniumsulfat (ZrS04), Zirkoniumwolframat (ZrW04), Ammoniumfiuorid (NH4F), Natriumhydrogenphosphat (NaH2P04), Natriumfluorid Diammoniumhydrogenphosphat (NH4)2HP04, Harnstoff (CH4N20), Kaliumphosphat (K3P04), Kaliumpyrophosphat (K407P2), Dikaliumpho-
sphat (K2HP04), Natriumaluminat (Na2A1204 oder NaAl(OH)4), Natriummetaalumi- nat (NaA102), Natriumfluorid (NaF), Kaliumfluorid ( F) und Natriumhypophosphit (NaH2P02) in jeglicher Kombination im Mengenbereich von jeweils 0 - 120 g/L, je- doch im Einzelnen geringer als die Elektrolytbasis, sowie Natrium-borat (Na2B407), Ammoniumhydrogendifluorid (NH4HF2), Kaliumfluorotitanat (K2TiF6), Kaliumhexaf- luorozirkonat (K2ZrF6), EDTA (C10H12CaN2Na2O8) und deren Salze, z.B. Dinatri- um-ethylendiamin-tetraacetat (Na2H2EDTA), Tetranatrium-ethylendiamin-tetraacetat (Na4EDTA) oder Calcium-dinatrium-ethylendiamin-tetraacetat (CaNa2EDTA), Am- moniummetavanadat (NH4V03), Dinatriummolybdad (Na2Mo04), Dinatriumwolfra- mat (Na2Wo4), Wasserstoffperoxid (H202), Zitronensäure (C6H807) sowie Glyzerin (C3H803) in jeglicher Kombination im Mengen-bereich von jeweils 0 - 20 g/L, jedoch im Einzelnen geringer als die Elektrolytbasis, sowie Urotropin im Mengenbereich (0 - 400 g/L) aufweist. Ferner ist es vorteilhaft, wenn zur Umwandlung der Bauteiloberfläche eine konstante oder zeitlich alternierender Gleichstrom im Bereich von 0,1 mA bis 250 A, insbesondere 10 mA bis 120 A oder eine Gleichspannung im Bereich von 10 bis 1200 V, insbesondere von 80 V bis 800 V oder eine Gleich-leistung im Bereich von 1 mW bis 300 kW, insbesondere 8 mW bis 96 kW genutzt wird. Darüber hinaus ist es vorteilhaft; wenn zur Umwandlung der Bauteiloberfläche ein ström-, spannungs- oder leistungsgeregeltes, uni- oder bipolares Pulssignal in der Form eines Rechtecks, eines Sägezahns, eines Trapezes oder einer Halbwelle oder einer Überlagerung dieser mit einem Effektiv- oder Peakwert von 10 bis 1200 V, insbesondere zwischen 80 und 800 V, in spannungsgeregelten Segmenten sowie von 0,1 mA bis 250 A, insbesondere 10 mA bis 120 A, in stromgeregelten Segmenten sowie von 1 mW und 300 kW, insbesondere zwischen 8 mW und 96 kW, in leistungsgeregelten Segmenten mit zeitlich variablen Frequenzen im Bereich von 0,01 Hz bis 100 kHz, insbesondere von 0,1 Hz bis 10 kHz, genutzt wird.
Zudem ist zweckmäßig, wenn zur Umwandlung der Bauteiloberfläche ein ström-, span- nungs- oder leistungsgeregeltes, ideales oder verformtes Sinussignal mit beliebigem Offset Effektiv- oder Peakwert von 10 bis 1200 V, insbesondere zwischen 80 und 800 V, in spannungsgeregelten Segmenten sowie von 0,1 mA bis 250 A, insbesondere 10 mA bis 120 A, in stromgeregelten Segmenten sowie von 1 mW und 300 kW, insbesondere zwischen 8 mW und 96 kW, in leistungsgeregelten Segmenten mit zeitlich variab- len Frequenzen im Bereich von 0,01 Hz bis 100 kHz, insbesondere von 0,1 Hz bis 10 kHz, genutzt wird.
Es ebenso zweckmäßig, wenn zur Umwandlung der Bauteiloberfläche ein ström-, span- nungs- oder leistungsgeregeltes, ideales oder verformtes Sinussignal mit beliebigem Offset Effektiv- oder Peakwert von 10 bis 1200 V, insbesondere zwischen 80 und 800 V, in spannungsgeregelten Segmenten sowie von 0,1 mA bis 250 A, insbesondere 10 mA bis 120 A, in stromgeregelten Segmenten sowie von 1 mW und 300 kW, insbesondere zwischen 8 mW und 96 kW, in leistungsgeregelten Segmenten mit zeitlich variablen Frequenzen im Bereich von 0,01 Hz bis 100 kHz, insbesondere von 0,1 Hz bis 10 kHz, genutzt wird. Auch ist es vorteilhaft, wenn zur Umwandlung der Bauteiloberfläche ein ström-, span- nungs- oder leistungsgeregeltes, ideales oder verformtes Sinussignal mit beliebigem Offset Effektiv- oder Peakwert von 10 bis 1200 V, insbesondere zwischen 80 und 800 V, in spannungsgeregelten Segmenten sowie von 0,1 mA bis 250 A, insbesondere 10 mA bis 120 A, in stromgeregelten Segmenten sowie von 1 mW und 300 kW, insbeson- dere zwischen 8 mW und 96 kW, in leistungsgeregelten Segmenten mit zeitlich variablen Frequenzen im Bereich von 0,01 Hz bis 100 kHz, insbesondere von 0,1 Hz bis 10 kHz, genutzt wird.
Ebenso ist es vorteilhaft, wenn das zur Umwandlung der Bauteiloberfläche genutzte Elektrolyt einen Temperaturbereich von größer oder gleich 0°C bis kleiner oder gleich 100°C, insbesondere von größer oder gleich 0°C bis kleiner oder gleich 70 °C, aufweist.
Es versteht sich, dass die Merkmale der vorstehend bzw. in den Ansprüchen beschriebenen Lösungen gegebenenfalls auch kombiniert werden können, um die vorliegend erzielbaren Vorteile und Effekte entsprechend kumuliert umsetzen zu können.
Weitere Merkmale, Effekte und Vorteile vorliegender Erfindung werden anhand anlie- gender Zeichnung und nachfolgender Beschreibung erläutert, in welchen beispielhaft Bauteile einer einen Verdichter und einer Turbine umfassenden Turboeinrichtung mit einer mittels einer Plasma-Elektrolytischen-Oxidation, kurz PEO, erzeugten Oxidations- sperrschicht sowie Methoden zu dessen Herstellung dargestellt und beschrieben sind.
Komponenten, welche in den einzelnen Figuren wenigstens im Wesentlichen hinsicht- lieh ihrer Funktion übereinstimmen, können hierbei mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet sein, wobei die Komponenten nicht in allen Figuren beziffert und erläutert sein müssen.
In der Zeichnung zeigen:
Figur 1 schematisch Ansichten von bekannten Schutzschichten, wobei diese hin- sichtlich der eingangs erläuterten Klassifizierung in drei Typen unterteilt sind, nämlich Typ 1 Auftragsschicht, Typ 2 Diffusionsschicht und Typ 3 Halogeneffekt-Schicht;
Figur 2 schematisch die eingangs bereits erwähnte Erweiterung bzgl. der vorgeschlagenen Klassifizierung der in der Figur 1 gezeigten Typen 1 bis 3 um den weiteren Typ 4 der Konversionsschicht, wobei zu diesem Typ 4 beispielsweise die Anodisation und das diesbezügliche Verfahren zählt;
Figur 3 schematisch eine tabellarische Übersicht an verschiedenen Methoden bzw.
Verfahren, welche für einen Oxidationsschutz von Titanaluminiden in Frage kommen und wissenschaftlich untersucht wurden, wobei gemäß der tabella- rischen Übersicht ersichtlich ist, dass Konversionsschichten (Typ 4) gemäß
der Darstellung nach der Figur 2, wie etwa die Anodisation oder die Plasma- Elektrolytische Oxidation, hierin nicht enthalten sind;
Figur 4 schematisch eine Ansicht einer mittels Transmissionsrasterelektronenmikro- skopie (TEM) erstellten Aufnahme einer Anodisationsschicht auf einem Aluminium-Bauteil;
Figur 5 schematisch eine Ansicht einer mittels Rasterelektronenmikroskopie (REM) erstellten Aufnahme einer Plasma-Elektrolytischen-Oxidschicht auf einem Aluminium-Bauteil nach dem hier beschriebenen Verfahren;
Figur 6 schematisch eine Ansicht einer Oberfläche eines Turbinenrades für einen
Turbolader nach einer spanenden Bearbeitung;
Figur 7 schematisch eine Ansicht eines möglichen Verfahrensablaufs eines Selectiv
Laser Meltings;
Figur 8 schematisch eine Ansicht einer Oberfläche eines Turbinenrades für einen
Turbolader nach elektrochemischer Bearbeitung (ECM); Figur 9 schematisch eine Querschnittsansicht eines ersten Bauteils mit einer durch eine PEO erzeugten Schutzschicht in Gestalt eines ersten Turbinenrades;
Figur 10 schematisch eine perspektivische Vorderansicht eines weiteren Turbinenrades;
Figur 1 1 schematisch eine Querschnittsansicht eines weiteren Turbinenrades; Figur 12 schematisch eine weitere Schnittansicht des in der Figur 1 1 gezeigten Turbinenrades;
Figur 13 schematisch eine Querschnittsansicht eines weiteren Turbinenrades;
Figur 14 schematisch eine Querschnittsansicht eines Bauteils in Gestalt eines weiteren Turbinenrades ohne eine durch eine PEO erzeugte Schutzschicht; Figur 15 schematisch eine perspektivische Rückansicht des in der Figur 11 gezeigten
Bauteils;
Figur 16 schematisch eine Querschnittsansicht eines Bauteils mit Hohlräumen in Gestalt eines weiteren Turbinenrades, deren Oberflächen eine durch eine PEO erzeugte Schutzschicht aufweisen; Figur 17 schematisch eine perspektivische Rückansicht des in der Figur 13 gezeigten
Bauteils;
Figur 18 schematisch eine Querschnittsansicht eines Bauteils mit Hohlräumen in Gestalt eines anderen Turbinenrades, welche durch eine PEO erzeugte Schutzschicht aufweisen; Figur 19 schematisch eine perspektivische Rückansicht des in der Figur 15 gezeigten
Bauteils;
Figur 20 schematisch eine erste mögliche Anordnung zum Erzeugen einer Schutzschicht durch eine Plasma-Elektrolytische-Oxidation (PEO) an wenigstens einem insbesondere der in den Figuren 9 bis 16 gezeigten Bauteilen; Figur 21 schematisch eine Ansicht einer weiteren möglichen Anordnung zum Erzeugen einer Schutzschicht mittels einer Plasma-Elektrolytischen-Oxidation (PEO) an wenigstens einem der in den Figuren 9 bis 16 gezeigten Bauteilen;
Figur 22 schematisch eine Ansicht einer weiteren möglichen Anordnung zum Durchführen eines im Sinne der Erfindung ausgestalteten Verfahrens; Figur 23 schematisch eine Ansicht einer weiteren möglichen Anordnung zum Erzeugen einer Schutzschicht;
Figur 24 schematisch eine Ansicht einer Oberfläche eines nach dem der Erfindung zugrunde liegenden Verfahren behandelten Bauteils aus einem Titanalumi- nid mittels Rasterelektronenmikroskopie (REM) in mittlerer und hoher Ver- größerung sowie das Spektrum einer Fläche in EDX-Analysen;
Figur 25 schematisch eine Ansicht der in der Figur 24 gezeigten Oberfläche nach einem Brennvorgang von 100 h bei 950 °C;
Figur 26 schematisch eine Ansicht eines Diagramms hinsichtlich einer prozentualen
Gewichtszunahme von nach dem vorgeschriebenen Verfahren behandelten Proben gemäß Ausführungsbeispiel 2 bzw. Ausführungsbeispiel 3 aus einer
TNM-Titanaluminid-Legierung und einer GE-Titanaluminid-Legierung bei einem Brennvorgang von 10 h bei 1000 °C;
Figur 27 schematisch eine Ansicht eines Diagramms zur Häufigkeitsverteilung der vorhandenen Elemente in einem EDX-Line-Scan entlang eines Querschnitts einer nach vorgeschriebenem Verfahren behandelten Titanaluminidoberflä- che nach einem Brennvorgang von 10 h bei 1000 °C;
Figur 28 schematisch eine Seitenansicht eines Bauteils in Gestalt eines Lagerteils mit einer mittels einer Plasma-Elektrolytischen-Oxidation (PEO) erzeugten Schutzschicht; Figur 29 schematisch eine perspektivische Ansicht des in der Figur 28 gezeigten
Bauteils;
Figur 30 schematisch eine Oberflächenschicht des in den Figuren 28 und 29 gezeigten Bauteils im Querschliff mit einer Struktur, welche Reste von Beschich- tungskanälen (Röhren, Pfeile) aufweist;
Figur 31 schematisch eine Ansicht einer Oberflächenschicht im Querschnitt mit einer geschlossenen Struktur (geschlossene Röhre), ähnliche einer Struktur, welche durch einen Diffusionsvorgang erzeugbar ist;
Figur 32 schematisch eine perspektivische und teilweise geschnittene Ansicht eines
Verdichtergehäuses mit einer mittels einer Plasma-Elektrolytischen- Oxidation auf einer Innen- sowie Außenkontur des Verdichtergehäuses erzeugten Schutzschicht;
Figur 33 schematisch eine Schnittansicht eines Querschliffs des Verdichtergehäusematerials in einem unbeschichteten Zustand;
Figur 34 schematisch eine Schnittansicht eines Querschliffs des Verdichtergehäuse- materials in einem beschichteten Zustand;
Figur 35 schematisch eine Schnittansicht eines Querschliffs des Verdichtergehäusematerials aus einem Druckguss in einem unbeschichteten Zustand;
Figur 36 schematisch eine Schnittansicht eines Querschliffs des Verdichtergehäusematerials aus der Figur 36 in einem beschichten Zustand; Figur 37 schematisch eine Ansicht einer Tabelle hinsichtlich einer chemischen Zusammensetzung einer Gamma-Titanaluminid-Legierung;
Figur 38 schematisch eine Ansicht einer Beschichtungsmethode eines Turbinenrades;
Figur 39 schematisch eine Ansicht eines unbeschichteten Turbinenrades;
Figur 40 schematisch eine alternative Beschichtungsmethode des fertigen Bauteils in
Gestalt des in der Figur 39 gezeigten Turbinenrades;
Figur 41 schematisch eine Ansicht des in den Figuren 38 bis 40 gezeigten Turbinenrades hinsichtlich einer daran ausgebildeten Oxidkeramikschicht;
Figur 42 schematisch eine perspektivische Vorderansicht des insbesondere in Figur 41 gezeigten Turbinenrades; und Figur 43 schematisch eine perspektivische Rückansicht des insbesondere in den Figuren 41 und 42 gezeigten Turbinenrades.
Die in den Figuren 1 und 2 jeweils an einem Bauteil 1 gezeigten Schichtaufbauten 2, 3 und 4 (Figur 1) sowie 5 (Figur 2) betreffen bereits aus dem Stand der Technik bekannte Möglichkeiten einen Oberflächen- bzw. Oxidationsschutz an einem Bauteil insbesonde- re aus einer Titan-Aluminium-Legierung zu verwirklichen, wobei der Schichtaufbau 2 eine Auftragsschicht (Typ 1), der Schichtaufbau 3 eine Diffusionsschicht (Typ 2), der Schichtaufbau 4 eine Halogeneffekt-Schicht (Typ 3) und darüber hinaus der Schichtaufbau 5 eine Konversationsschicht (Typ 4) wiederspiegelt.
Während die in der Figur 1 gezeigten Schichtaufbauten 2, 3 und 4 im Wesentlichen durch eine Materialabscheidung an der Bauteiloberfläche erzeugt werden, wird der in der Figur 2 gezeigte Schichtaufbau 5 durch eine Umwandlung des Bauteilmaterials im Bereich seiner Oberfläche erzeugt, wodurch eine wesentlich innigere Bindung der Oberflächen- bzw. Oxidationsschutzschicht an dem diesbezüglichen Bauteil 1 zustande kommt. Das in der Figur 3 zum Stand der Technik zusätzlich noch gezeigte Schemata 10 illustriert eine Übersicht zu wissenschaftlichen Untersuchungen zur Evaluation verschiedener Oberflächenbehandlungen zum Oxidationsschutz, wobei der in der Figur 2 gezeigte Typ 4 jedoch nicht aufgeführt ist, da dieser Typ 4 der Fachwelt bisher weniger interessant erschien. Gemäß der Darstellung nach der Figur 4 ist an der dort gezeigten Aufnahme 14 eine für die Anodisation charakteristische und prozessbedingte hexagonale Wabenstruktur 15 erkennbar, in deren Mitte eine große in etwa runde Pore 16 liegt. Durch einen diesbezüglich ausgebildeten Porenkanal 17 finden während des Prozesses die zum Schichtauf-
bau benötigten Stofftransporte statt, sodass die Porosität einerseits unvermeidlich ist und zum anderen einen hohen Flächenanteil besitzt, und so im Vergleich zu plasma- elektrolytischen Oxidschichten eine schlechtere Korrosionsbeständigkeit aufweist.
Im Vergleich zu der in der Figur 4 gezeigten Aufnahme 14 zeigt die gemäß der Darstellung nach der Figur 5 illustrierte weitere Aufnahme 19, dass die Oberfläche 20 rauer und dicker ist. Des Weiteren ist ersichtlich, dass die vorhandene Porenstruktur 21, wel- che aufgrund der Plasmaentladungen während des Prozesses theoretisch ebenfalls unvermeidlich ist, einerseits ungeordnet ist und dass im Vergleich zur Anodisationsschicht (Figur 4) einen deutlich geringeren Flächenanteil ausmacht. Durch den Schichtaufbaumechanismus (Plasmaentladungen) und die geringere Porosität wird eine solche Schicht nicht nur härter und fester, sondern auch korrosions- bzw. oxidationsbeständiger. Gemäß der Darstellung nach der Figur 6 ist die Oberfläche eines Turbinenrades für einen Turbolader nach spanender Bearbeitung gezeigt. Deutlich zu erkennen sind die fertigungsbedingten Geometrieabweichungen 3. Und 4. Ordnung, wie beispielsweise Rillen 25 bzw. Riefen, Schuppen und Kuppen 26.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann das Bauteil 1 durch ein generatives Ver- fahren, insbesondere durch das Elektronenstrahlsintern oder Selective Laser Melting hergestellt sein. Diese Verfahren sind erst seit kurzem verfügbar, da sich Titanaluminid- Pulver bislang durch generative Prozesse nicht verarbeiten lies. Erst durch die Temperierung des Pulvers, d.h. unter Nutzung einer Vorheizung, und unter Nutzung von Inertgasen oder Vakuum um u.a. die Oxidation des Pulvers zu vermeiden, können Risse und hohe Eigenspannungen durch thermische Gradienten und andere Nachteile vermieden und die notwendige Energie zum vollständigen Aufschmelzen der Pulverkörner durch den Elektronen- oder Laserstrahl bereitgestellt werden. Durch die Verwendung eines der vorgenannten Verfahren können die Bauteile in Endkontur oder endkonturnah (near- net-shape) hergestellt werden, sodass die Endkontur effizient und ressourcen- sowie materialsparend durch spanende, umformende, physikalische oder elektrochemische
Prozesse nachbearbeitet werden kann, wie schemenhaft gemäß der Darstellung nach der Figur 7 gezeigt ist.
Mit der Figur 7 ist nunmehr auch der schematische Ablauf des Selective Laser Meltings gezeigt. Eingangsgrößen des Prozesses sind zum einen die zu realisierende Geometrie des Bauteils 1 , als auch das Pulver 25, aus welchem das Bauteil 1 aufgebaut wird. Im ersten Schritt wird eine Bauteilplattform 26 mit Pulver 25 befüllt und anschließend mit einem Wischer 27 abgezogen, um eine gleichmäßige Oberfläche zu erzielen. Dann fährt ein Laser 74 die Bauteilkontur in der jeweiligen Bearbeitungsebene 75 ab und schmilzt die Pulverkörner entlang seines Weges auf, sodass sich diese zu einem Festkörper 76 verbinden. Danach senkt sich die gesamte Plattform um einen bestimmten Weg 77 ab und wird wieder bis zum Rand mit Pulver 25 aufgefüllt, sodass eine neue Ebene vom Laser 74 aufgebaut und mit dem Bauteil 1 verbunden werden kann. Dieser Kreislauf wiederholt sich solange, bis das gewünschte Werkstück von der untersten bis zur obersten Ebene aufgebaut wurde und das fertige Bauteil 1 verfügbar ist. Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung weist das bereitgestellte Bauteil 1 eine Oberfläche auf, welche durch elektrochemische oder funkenerosive Bearbeitung in einem flüssigen Medium hergestellt wurde. Durch die Nachbearbeitung endkonturnaher Bauteile (near-net-shape), welche mit einem der vorgenannten Produktionsverfahren hergestellt wurden, wird mittels Funkenerosion (EDM) oder elektrochemischer Bearbeitung (ECM) die Endkontur des Bauteils effizient und ressourcen- sowie materialsparend hergestellt, wie gemäß der Darstellung nach der Figur 8 gezeigt ist.
Die mit der Figur 8 illustrierte Darstellung ist die Oberfläche eines Turbinenrades für einen Turbolader nach elektrochemischer Bearbeitung (ECM) gezeigt. Deutlich zu erkennen ist, dass fertigungsbedingte Geometrieabweichungen 80 der 3. bzw. 4. Ordnung wie bei den spanenden Verfahren kaum vorhanden sind. Stattdessen sind prozessbedingte Pittings 81 (Lochfraß) aufgrund des elektrochemischen Abtragmechanismus erkennbar. Durch diesen wird im Gegensatz zu den spanenden Verfahren die Produktivität
nicht von der Spanbarkeit des Materials bestimmt. Da Titanaluminide sehr schwer spanend zu bearbeiten sind, weist das ECM- Verfahren eine höhere Produktivität und eine bessere erzielbare Oberflächenqualität als andere Bearbeitungsverfahren für Titanaluminide auf. Insbesondere endkonturnaher Bauteile (near-net-shape), welche beispielsweise mittel Selective Laser Melting hergestellt wurden, lassen sich somit äußerst effizient und ressourcen- sowie materialsparend herstellen.
Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung weist das bereitgestellte Bauteil 1 die Form eines für eine Rotationsbewegung konstruierten Laufrades 90, insbesondere eines Turbinen- oder Verdichterrades auf. Das heißt, es weist hinsichtlich der Konturelemente in der Querschnittsfläche entlang seiner Rotationsachse 91 überwiegend, beispielsweise zu 65% oder 80 % oder mehr, eine Achssymmetrie auf, wie gemäß der Darstellung nach Figur 9 gezeigt ist. Diese Darstellung zeigt einen Querschnitt eines Turbinenrades, z.B. für einen Turbolader. Konstruktionsbedingt weist das Turbinenrad hinsichtlich der Konturelemente in der Querschnittsfläche überwiegend eine Symmetrie auf. Die Symmetrieachse entspricht der Rotationsachse 91. Nicht symmetrische Elemente - hier bedingt durch die geschwungene Form der Schaufeln - werden durch einen Kasten 92 schematisch markiert. Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung handelt es sich bei dem bereitgestellten Bauteil ferner um ein Turbinen- oder Verdichterrad eines Turboladers (Figur 10). Gemäß der Darstellung nach der Figur 10 ist schematisch eine mögliche Ausführung eines Turbinenrads für einen Turbolader gezeigt. Zu erkennen sind die zentrale Bohrung 101 zur Aufnahme einer Welle sowie die charakteristischen geschwungenen Schaufeln 102 zur Umwandlung der durch die Expansion des heißen Abgases rückgewonnenen Energie in eine Drehbewegung des Läufers (Läufer = Verbund aus Turbinenrad und Welle).
Das gemäß den Darstellungen nach den Figuren 11 und 12 ist schematisch ein Querschnitt einer weiteren möglichen Ausführung eines Turbinenrads für einen Turbolader gezeigt. In diesem Querschnitt sind die massiven Bereiche 131 und die Nabe in Form
einer Innenbohrung 132 zur Aufnahme einer Stahlwelle (nicht dargestellt) zu erkennen. Das bereitgestellte Bauteil weist ein strukturoptimiertes Design in Form eines Hohlraums 133 im Bauteilkern auf, der rotationssymmetrisch zwischen Nabe und dem Schaufelansatz verläuft. Dieser Hohlraum 133 wird durch Durchbrüche 134 an der Unterseite bzw. Rückseite des Bauteils eröffnet, wobei Stege 135 im rechten Winkel stehen bleiben.
Gemäß der Darstellung nach der Figur 13 ist wieder schematisch ein Querschnitt einer weiteren möglichen Ausführung eines Turbinenrads für einen Turbolader gezeigt. Im Querschnitt sind die massiven Bereiche 141 und die Nabe in Form einer Innenbohrung 142 zur Aufnahme der Stahlwelle (nicht dargestellt) zu erkennen. Das bereitgestellte Bauteil weist ein strukturoptimiertes Design in Form von Hohlräumen 143 innerhalb der Schaufeln auf. Jede Schaufel weist eine kleine Bohrung 144 auf der Schaufelunterseite auf.
Im Rahmen dieser weiteren Ausgestaltungen weist das bereitgestellte Bauteil, insbesondere ein Turbinen- oder Verdichterrad, eine strukturoptimierte Form, insbesondere ei- nen Hohlraum im Bauteilkern auf, der rotationssymmetrisch zwischen Nabe und dem Schaufelansatz (siehe auch Figuren 1 1 und 12) und oder innerhalb der Schaufeln verlauft (siehe insbesondere Figur 13) auf.
Dieser Hohlraum kann allgemein in verschiedenen Ebenen senkrecht zur Rotationsachse von Streben oder Materialinseln zur Versteifung und Stabilisierung des Bauteils durchbrochen werden.
Gemäß den Darstellungen nach den Figuren 14 und 15 ist ein weiteres Bauteil 301 in Gestalt eines Laufradteils 302 einer Turbine (nicht gezeigt) einer Turboeinrichtung (ebenfalls nicht gezeigt) illustriert. Das Bauteil 301 besitzt einen Bauteilkörper 303 aus einer Titan-Aluminium-Legierung, welche als Titanaluminid vorliegt.
Das Bauteil 301 besitzt eine Lagerbohrung 304 zum Aufnehmen eines Wellenteils (nicht gezeigt), wobei die Lagerbohrung 304 sich als eine entsprechend ausgebildete Materialausnehmung 305 mit ihrer Längserstreckung 306 in Axialrichtung 307 des Bauteils 301 erstreckt. Die Lagerbohrung 304 erstreckt insofern fluchtend und in Richtung einer Rotationsachse 308 des Bauteils 301. Um das Bauteil 301 möglichst gewichtsoptimiert bereitstellen zu können, weist das Bauteil 301 zusätzliche Materialaussparungen 310 (nur exemplarisch beziffert) auf, welche innerhalb des Bauteilkörpers 303 bzw. des Bauteils 301 liegende Hohlräume
311 (nur exemplarisch beziffert) ausgestaltet.
Hierbei ist die Materialaussparung 310 bezogen auf die Rotationsachse 308 des Bauteils 301 radial weiter außen angeordnet als die Lagerbohrung 304.
Die Hohlräume 31 1 sind zumindest in diesem Ausführungsbeispiel von der Rückseite
312 des Bauteils 301 her offen und somit zugänglich, wobei die die Hohlräume 31 1 ausgestaltende Materialaussparung 310 durch unterschiedliche Verfahren in den Bauteilkörper 303 eingebracht werden können. Insofern sind die Hohlräume 31 1 von der den Schaufelelementen 313 abgewandten Seite 314, nämlich der Rückseite 312, des Bauteils 301 zugänglich.
Insofern unterscheiden sich die hier gemeinte Materialaussparung 310 bzw. die diesbezüglichen Hohlräume 31 1 von Zwischenräumen 315, welche konstruktionsbedingt zwischen den einzelnen Schaufelelementen 313 angeordnet sind. Jedenfalls ist mit diesen zusätzlich geschaffenen Hohlräumen 31 1 eine signifikante Gewichtsreduzierung an dem Bauteil 301 erzielt, wodurch das Ansprechverhalten einer Turboeinrichtung erheblich verbessert werden kann.
Das hier gezeigte Bauteil 301 ist nicht mit einer mittels einer Plasma-Elektrolytischen- Oxidation (PEO) erzeugten Schutzschicht versehen.
Gemäß den Darstellungen nach den Figuren 16 und 17 ist ein anderes Bauteil 401 ebenfalls in Gestalt eines Laufradteils 402 einer Turbine (nicht gezeigt) einer Turboeinrichtung (ebenfalls nicht gezeigt) illustriert. Das Bauteil 401 besitzt auch einen Bauteilkörper 403 aus einer Titan-Aluminium-Legierung, welche als Titanaluminid vorliegt.
Das Bauteil 401 besitzt eine Lagerbohrung 404 zum Aufnehmen eines Wellenteils (nicht gezeigt), wobei die Lagerbohrung 404 sich als eine entsprechend ausgebildete Materialausnehmung 405 mit ihrer Längserstreckung 406 in Axialrichtung 407 des Bauteils 401 erstreckt. Die Lagerbohrung 404 erstreckt insofern fluchtend und in Richtung einer Rotationsachse 408 des Bauteils 401.
Um auch dieses Bauteil 401 möglichst gewichtsoptimiert bereitstellen zu können, weist es zusätzliche Materialaussparungen 410 (nur exemplarisch beziffert) auf, welche innerhalb des Bauteilkörpers 403 des Bauteils 401 liegende Hohlräume 41 1 (nur exemplarisch beziffert) ausgestaltet.
Hierbei sind die Materialaussparungen 410 bezogen auf die Rotationsachse 408 des Bauteils 401 radial weiter außen angeordnet als die Lagerbohrung 404. Die Hohlräume 411 sind zumindest in diesem Ausführungsbeispiel von der Rückseite 412 des Bauteils 401 her offen und somit zugänglich, wobei die die Hohlräume 41 1 ausgestaltende Materialaussparung 410 durch unterschiedliche Verfahren in den Bauteilkörper 403 eingebracht werden können.
Insofern sind die Hohlräume 41 1 von der den Schaufelelementen 413 abgewandten Sei- te 414, nämlich der Rückseite 412, des Bauteils 401 zugänglich.
Insofern unterscheiden sich die hier gemeinte Materialaussparung 410 bzw. die diesbezüglichen Hohlräume 41 1 von Zwischenräumen 415, welche konstruktionsbedingt zwischen den einzelnen Schaufelelementen 413 angeordnet sind.
Jedenfalls ist mit diesen zusätzlich geschaffenen Hohlräumen 41 1 eine signifikante Ge- wichtsreduzierung an dem Bauteil 401 erzielt, wodurch das Ansprechverhalten einer Turboeinrichtung erheblich verbessert werden kann.
Um das in den Figuren 16 und 17 gezeigte Bauteil 401 auch im Inneren, also im Bereich der Hohlräume 41 1 mit einer Oxidationssperre ausstatten zu können, sind die Oberflächen 420, welche die Hohlräume 41 1 begrenzen, durch eine mittels einer Plasma- Elektrolytischen-Oxidation (PEO) erzeugten Schutzschicht 421 versehen und somit vor unbeabsichtigten, kritischen Verschleißerscheinungen geschützt.
Trotzdem die Hohlräume 41 1 in Axialrichtung 407 durch von dem Bauteilkörper Hin- terschneidungen 422 des Bauteilkörpers 403 zumindest teilweise verdeckt sind, können alle Bereiche der die Hohlräume 411 begrenzenden Oberflächen 420 durch eine mittels einer Plasma-Elektrolytischen-Oxidation (PEO) erzeugte Schutzschicht 421 geschützt werden.
Die Hinterschneidungen 422 sind in diesem Ausfuhrungsbeispiel durch die Vielzahl an Querstreben 423 (nur exemplarisch beziffert) bedingt.
Bei dem gemäß den Darstellungen nach den Figuren 18 und 19 gezeigten Bauteil 450 handelt es sich ebenfalls um eine Laufradteil 402 einer Turbine (nicht gezeigt) einer Turboeinrichtung (ebenfalls nicht gezeigt), wobei das Bauteil 401 auch wieder einen Bauteilkörper 403 aus einer Titan-Aluminium-Legierung besitzt, welche als Titanalu- minid vorliegt.
Um Wiederholungen zu vermeiden, werden nachfolgend nur die wesentlichen Unter- schiede zwischen den beiden Bauteilen 401 (Figuren 16 und 17) und 450 (Figuren 18 und 19) erläutert. Ansonsten wird auf die Ausführungen zu dem Bauteil 401 verwiesen.
Das Bauteil 450 zeichnet sich zusätzlich zu den bereits hinsichtlich des Bauteils 401 beschriebenen Merkmalen noch dadurch aus, dass es ein Nabenteil 451 aufweist, welches in Gestalt einer Lagermanschette 452 ausgebildet ist. Das heißt mit anderen Wor-
1000 ten, dass dieses Nabenteil 451 von dem Hauptbauteilkörper 453 des Bauteils 450 getrennt ist, und im Wesentlichen nur durch die Querstreben 423 mit dem Hauptbauteilkörper 453 verbunden ist.
Somit werden die Hinterschneidungen 422 nicht nur durch die einzelnen Querstreben 423 sondern auch durch das Nabenteil 451 gebildet.
1005 Eine Besonderheit des Bauteils ist noch darin zu sehen, dass die Hohlräume 411 des Bauteils 450 in Axialrichtung 407 durch eine Hinterschneidung 422, welche durch das aufgehängte Nabenteil 451, zumindest teilweise verdeckt sind.
Dennoch gelingt es mittels der durch die Plasma-Elektrolytischen-Oxidation (PEO) erzeugten Schutzschicht 412 die Hohlräume 41 1 vollständig und lückenlos zu beschich- 1010 ten.
Die Materialaussparungen 410 bilden hierbei Hohlräume 41 1 des Bauteils 450 aus, welcher die Rotationsachse 408 des Bauteils 450 und damit auch Lagerbohrung 404 zumindest teilweise durchqueren.
Insbesondere Turbolader kommen mit dem heißen Abgas aus dem Verbrennungsraum 1015 einer Brennkraftmaschine in Berührung, weshalb berührende Komponenten aus Ti- tanaluminid besonders einem oxidativen Angriff ausgesetzt sind. In der Regel werden die Turbinenräder aus Titanaluminid zusammen mit einer Stahlwelle zu einem sogenannten Läufer gefugt. Hier kann insbesondere das mit der Figur 20 nachfolgend beschriebene Verfahren von Vorteil sein, da auf dem Turbinenrad sowohl vor dem Fugen, 1020 als auch nach dem Fugen eine Schutzschicht ausgebildet werden kann. Im gefugten Zustand können die Läufer an der Welle befestigt und die Turbinenräder teilweise oder vollständig, insbesondere bis zu der Fügestelle von Stahlwelle und Turbinenrad, in einen Elektrolyt getaucht und durch den Anschluss an eine Leistungsquelle mit einem elektrischen Strom beaufschlagt werden, wie gemäß der Darstellung nach Figur 20 ge- 1025 zeigt ist. Dieser Darstellung ist insbesondere zu entnehmen, dass der Läufer aufweisend
das an der Stahlwelle 1 1 1 befestigte Turbinenrad 1 12 aus Titanaluminid sowie eine simple rondenförmige Gegenelektrode 113 aus Edelstahl in das Elektrolytbecken 1 14 eingebracht wird. Der Läufer wird ferner nur teilweise, hier bis zu der Fügestelle von Stahl welle 111 und Turbinenrad 1 12, in den Elektrolyt 115 getaucht, sodass die Stahl- 1030 welle 1 1 1 nicht in Berührung mit dem Elektrolyten 1 15 kommt, und ebenso wie die Gegenelektrode 1 13 mit der Leistungsquelle 1 16 wirkverbunden ist.
Gemäß der Darstellung nach der Figur 21 ist eine weitere mögliche Anordnung zur Erzeugung einer Schutzschicht nach dem vorbeschriebenen Verfahren beschrieben. Hierbei werden der Läufer aufweisend das an der Stahlwelle 121 befestigte Turbinenrad 123
1035 aus Titanaluminid sowie eine simple rondenförmige Gegenelektrode 124 aus Edelstahl in das Elektrolytbecken 125 eingebracht. Der Läufer wird dabei fast vollständig in den Elektrolyt 126 getaucht, wobei die Stahlwelle 121 derart mit einem Isolierband abgedeckt wird, dass die Stahlwelle 121 nicht in Berührung mit dem Elektrolyten 126 kommt und noch über den Eintrittspunkt in den Elektrolyten 126 hinaus bedeckt ist. Die
1040 Bauteilelektrode wird ebenso wie die Gegenelektrode 124 mit der Leistungsquelle 127 verbunden.
Mittels der vorliegend beschriebenen Anordnungen kann auf einem Turbinenrad aus Titanaluminid eine geschlossene, insbesondere aluminiumoxidreiche Schutzschicht, im Sinne der vorliegenden Erfindung ausgebildet werden.
1045 Alternativ kann die Fügestelle mit einem geeigneten Isolierungsmaterial, zum Beispiel einem Polymer, Abdeckfolie, Wachs, Klebeband oder ähnlichem Materialien abgedeckt werden, so dass das Bauteil mit der Stahlwelle bis zum Ende des abgedeckten Bereichs in den Elektrolyten getaucht ist.
In den meisten Fällen kann das Turbinenrad durch elektrische Kontaktierung der Stahl- 1050 welle als Elektrode genutzt werden.
Auf diese Weise wird auf dem Turbinenrad des Turboladers eine dichte und langlebige Schutzschicht ausgebildet, welche nicht nur verlässlich die Oxidationsbeständigkeit erhöht, sondern auch einen besseren Schutz gegen die sonst im Turbolader üblichen Schadenseinflüsse wie beispielsweise Korrosion, Tropfen- und Partikelschlag sowie 1055 Abrieb schützt.
Ferner werden fertigungsbedingte Störgrößen wie Geometrieabweichungen bei den spanenden Fertigungsverfahren oder Pittings- bzw. Ätzgrübchen wie beim ECM, oder die Randschicht wie sie nach der Funkenerosion vorliegt, durch die plasmaelektrolytische Umwandlung ausgebessert und die Oberfläche prozessbedingt homogenisiert, sodass 1060 ein zwischengeschalteter zusätzlicher Reinigungs- bzw. Aktivierungsprozess unter günstigen Umständen vermieden werden kann.
Ferner können auf diese Weise andere Verfahren zur Ausbildung einer oxidationsbe- ständigeren Aluminiumoxidschicht auf Titanaluminiden, zum Beispiel die Wärmebehandlung derartiger Werkstoffverbunde, welche Stahl umfassen, unter Erhitzung auf 1065 800 bis 900 C für 12 bis 14 Stunden an Luft und somit negative Einflüsse auf den Vergütungszustand des Stahls und sowie auf das gesamte Bauteil vermieden werden.
Gemäß der Darstellung nach Figur 22 ist schematisch ein weiterer möglicher, vorteilhafter Aufbau zum Durchführen der vorliegend beschriebenen Verfahren gezeigt. Hierbei werden die Bauteilelektrode in Form eines quaderförmigen Bauteils 161 und die 1070 Gegenelektrode 162 in Form eines Rundstabs aus Edelstahl in den Elektrolyten 163 in einem geeigneten Elektrolytbecken 164 eingehängt und von diesem vollständig bedeckt. Die beiden Elektroden werden elektrisch mit einer Leistungsquelle 165 verbunden. Zur Entsorgung der entstehenden Prozessgase bzw. zur Temperierung des Beckens sind eine Absaugvorrichtung 166 sowie ein Wärmetauscher 167 vorgesehen.
1075 Gemäß der Darstellung nach der Figur 23 ist schematisch eine weitere mögliche Anordnung zur Erzeugung einer Schutzschicht nach dem im Sinne der Erfindung vorgeschlagenen Verfahren gezeigt. Hierbei sind jeweils zwei Turbinenräder 171 und 172 zu einer
Elektrode zusammengefasst und vollständig in den Elektrolyten 173 eingebracht, sodass Bauteilelektrode und Gegenelektrode die identische Form und Zusammensetzung (Ti- 1080 tanaluminid) aufweisen.
Gemäß der Darstellung nach der Figur 24 ist die Oberfläche eines nach dem vorbeschriebenen Verfahren behandelten Titanaluminidbauteils mittels Rasterelektronenmikroskopie (REM) in mittlerer Vergrößerung 181 und hoher Vergrößerung 182 sowie das Spektrum einer flächigen EDX Analyse abgebildet. Es ist ersichtlich, dass insbesondere 1085 die Porendichte und der Porendurchmesser 183 auf der Titanaluminidoberfläche zum Beispiel im Vergleich zu einem ähnlich behandelten Aluminiumbauteil (vgl. auch Figur 5), verfahrensuntypisch gering bzw. klein sind. Weiterhin zeigt die EDX Analyse, dass sich auf der Oberfläche 184 erwartungsgemäß Mischoxide des Titans und des Aluminiums gebildet haben.
1090 Gemäß der Darstellung nach der Figur 25 ist die Oberfläche eines nach dem vorbeschriebenen Verfahren behandelten Titanaluminidbauteils mittels Rasterelektronenmikroskopie (REM) wieder in mittlerer Vergrößerung 191 und hoher Vergrößerung 192 sowie das Spektrum einer flächigen EDX Analyse nach einem Brennvorgang von 100 Stunden bei 950°C. Es ist ersichtlich, dass sich die Morphologie der Oberfläche 193
1095 verändert und sich eine geschlossene und im Vergleich zur thermisch unbelasteten Oberfläche (vgl. insbesondere Figur 24) eine aluminiumoxidreiche Grenzschicht 194 ausgebildet hat.
Gemäß der Darstellung nach der Figur 26 ist die prozentuale Gewichtszunahme von nach dem vorbeschriebenen Verfahren behandelten Proben 201 bzw. 202 gemäß den 1100 noch nachstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel 2 bzw. Ausführungsbeispiel 3 aus einer TNM-Titanaluminid-Legierung 203 und einer GE-Titanaluminid-Legierung 204 nach einem Brennvorgang von 10 Stunden bei 1000°C wiedergegeben. Es wird deutlich, dass beide behandelten Proben bei beiden Legierungen aufgrund der erzeugten
Schutzschicht eine deutlich geringere Gewichtszunahme aufgrund von Oxidation auf- 1105 zeigen, als die unbehandelte Referenz 205.
Gemäß der Darstellung nach der Figur 27 ist beispielhaft die Häufigkeitsverteilung der vorhandenen Elemente im EDX Line Scan entlang des Querschnitts einer nach vorbeschriebenem Verfahren behandelten Titanaluminidoberfläche nach einem Brennvorgang von 10 Stunden bei 1000°C gezeigt. Dabei markiert 211 die Oberfläche der ausgebildei l 10 ten Schutzschicht und 214 das Interface zwischen Schutzschicht und Substrat der ca. 15 μιη dicken Schicht. Es ist deutlich zu erkennen, dass sich zur Oberfläche des Bauteils hin eine Schutzschicht mit geringem Titanoxidoxidanteil 212 und hohem Aluminiumoxidanteil 213 ausgebildet hat.
An dieser Stelle sei noch angemerkt, dass zur Realisierung von i.d.R. komplexen Geo- 1 115 metrien, häufig nur einer der vorgenannten Herstellungsprozesse, insbesondere der Feinguss, das Metallpulver-Spritzgießen (MIM), das Elektronenstrahl Sintern oder das Selective Laser Melting genutzt werden kann.
Um auf diesen spezifischen Bauteilen aus einem definierten Titanaluminid eine Schutzschicht aus Oxiden, insbesondere mit einem hohen Anteil an Aluminiumoxid zu erzeu-
1 120 gen, wird das derart ausgestaltete Bauteil einer elektrochemischen Plasmabehandlung durch einen elektrischen Stromfluss in einem wässrigen Elektrolyten unterworfen. Dieser Prozess lauft zwar in einem flüssigen Medium ab, jedoch findet die eigentliche Konversion der Oberfläche, d. h. die elektrochemische Reaktion, im Rahmen kurzlebiger (ca. 1 μηι), hochenergetischer (8000 K) Plasmaentladungen statt, welche die Ober-
1 125 fläche in allen mit dem Elektrolyten in Kontakt befindlichen Bereichen ab rastern. Ein solches Verfahren kann deshalb als plasmaelektrolytische Oxidation (PEO) bezeichnet werden. Im wissenschaftlichen Kontext werden für das angewendete Prinzip synonym auch die Begriffe Anodisation unter Funkenentladung (ANOF), Plasma-Anodisation oder Micro-Are Oxidation (MAO) verwendet.
1 130 Das vorbeschriebene Verfahren ist dabei kontrolliert durchführbar und weiterhin besonders geeignet, um Bauteile unabhängig von ihrer Geometrie und Größe verlässlich und vollständig oder teilweise mit einer Schutzschicht zu versehen.
Insbesondere die Wahl geeigneter Elektrolyte und Prozessparameter, wie nachstehend erläutert, kann die Bildung von Aluminiumoxid gegenüber der Bildung von Titanoxid 1 135 und weiteren Oxiden der Legierungs- und / oder Elektrolytbestandteile begünstigen, sodass an der Bauteiloberfläche eine insbesondere Aluminiumoxid-reiche Schutzschicht entsteht (siehe Figur 27).
Zur Klassifizierung der für die plasmaelektrolytische Oxidation geeigneten Elektrolyte wird der Begriff der Elektrolytbasis genutzt.
1 140 Im Allgemeinen kann und im Folgenden wird der Begriff der Elektrolytbasis wie folgt definiert: Eine Elektrolytbasis ist ein Stoff aus einer Klasse von Stoffen, der Mengenmäßig in g/L neben Wasser und Urotropin am Häufigsten in einem Elektrolyten vorkommt. Beispielsweise weist ein Elektrolyt, der aus 10 g/L Na2Si03, 4 g/L H3P04, 2 g/L KOH und 30 g/L Urotropin in vollentsalztem Wasser besteht, eine Silikatbasis auf.
1145 Überraschend hat sich nun gezeigt, dass sich eine Titanaluminid-Oberfläche in einem geeigneten Elektrolyten aufweisend eine Siliziumverbindung, z.B. Natronwasserglas (Na2Si03), als Elektrolytbasis unter elektrischem Stromfluss durch die Bildung von Reaktionsprodukten aus Bestandteilen des Elektrolyten sowie des Substrates in eine oxidhaltige Schutzschicht, z.B. aufweisend Aluminiumoxid, umwandeln lasst.
1 150 Dies ist deshalb unerwartet, weil sich mit den bisher bekannten Elektrolytzusammensetzungen in der Regel nur reines bzw. niedriglegiertes Aluminium oder reines bzw. niedriglegiertes Titan plasmaelektrolytisch oxidieren lies. Hierbei liegt es in der Erwartung, dass entweder Aluminium oder Titan, jedoch nicht beide Stoffe in einem identischen Elektrolyten plasmaelektrolytisch reagieren.
1 155 Des Weiteren wird nicht erwartet, dass ein hochlegierter Werkstoff auf Basis einer der beiden Metalle in einem Elektrolyten überhaupt derart reagiert.
Ebenfalls überraschend hat sich gezeigt, dass sich eine Titanaluminid-Oberfläche in einem geeigneten Elektrolyten aufweisend eine Phosphorverbindung, z.B. Phosphorsaure (H3P04), als Elektrolytbasis unter elektrischem Stromfluss durch die Bildung von 1 160 Reaktionsprodukten aus Bestandteilen des Elektrolyten sowie des Substrates in eine oxidhaltige Schutzschicht, z. B. aufweisend Aluminiumoxid, umwandeln lasst.
Dies ist deshalb unerwartet, weil sich mit den bisher bekannten Elektrolytzusammensetzungen in der Regel nur reines bzw. niedriglegiertes Aluminium oder reines bzw. niedriglegiertes Titan plasmaelektrolytisch oxidieren lies. Hierbei liegt es in der Erwartung, 1165 dass entweder Aluminium oder Titan, jedoch nicht beide Stoffe in einem identischen Elektrolyten plasmaelektrolytisch reagieren.
Des Weiteren wird nicht erwartet, dass ein hochlegierter Werkstoff auf Basis einer der beiden Metalle in einem Elektrolyten überhaupt derart reagiert.
Ebenfalls überraschend hat sich gezeigt, dass sich eine Titanaluminid-Oberfläche in 1170 einem geeigneten Elektrolyten aufweisend eine Aluminiumverbindung, z.B. Natri- umaluminat (Na2A1204 oder NaAl (OH)4), als Elektrolytbasis unter elektrischem Stromfluss durch die Bildung von Reaktionsprodukten aus Bestandteilen des Elektrolyten sowie des Substrates in eine oxidhaltige Schutzschicht, z. B. aufweisend Aluminiumoxid, umwandeln lasst.
1175 Dies ist deshalb unerwartet, weil sich mit den bis her bekannten Elektrolytzusammensetzungen in der Regel nur reines bzw. niedriglegiertes Aluminium oder reines bzw. niedriglegiertes Titan plasmaelektrolytisch oxidieren lies. Hierbei liegt es in der Erwartung, dass entweder Aluminium oder Titan, jedoch nicht beide Stoffe in einem identischen Elektrolyten plasmaelektrolytisch reagieren.
1 180 Des Weiteren wird nicht erwartet, dass ein hochlegierter Werkstoff auf Basis einer der beiden Metalle in einem Elektrolyten überhaupt derart reagiert.
Ebenfalls überraschend hat sich gezeigt, dass sich eine Titanaluminid-Oberfläche in einem geeigneten Elektrolyten aufweisend eine Zirkoniumverbindung, z.B. Zirkoniumsulfat (ZrS04), als Elektrolytbasis unter elektrischem Stromfluss durch die Bildung 1 185 von Reaktionsprodukten aus Bestandteilen des Elektrolyten sowie des Substrates in eine oxidhaltige Schutzschicht, z.B. aufweisend Aluminiumoxid, umwandeln lasst.
Dies ist deshalb unerwartet, weil sich mit den bisher bekannten Elektrolytzusammensetzungen in der Regel nur reines bzw. niedriglegiertes Aluminium oder reines bzw. niedriglegiertes Titan plasmaelektrolytisch oxidieren lies. Hierbei liegt es in der Erwartung, 1190 dass entweder Aluminium oder Titan, jedoch nicht beide Stoffe in einem identischen Elektrolyten plasmaelektrolytisch reagieren.
Des Weiteren wird nicht erwartet, dass ein hochlegierter Werkstoff auf Basis einer der beiden Metalle in einem Elektrolyten überhaupt derart reagiert.
Ebenfalls überraschend hat sich gezeigt, dass sich eine Titanaluminid-Oberfläche in 1 195 einem geeigneten Elektrolyten aufweisend eine Schwefelverbindung, z.B. Schwefelsaure (H2S04), als Elektrolytbasis unter elektrischem Stromfluss durch die Bildung von Reaktionsprodukten aus Bestandteilen des Elektrolyten sowie des Substrates in eine oxidhaltige Schutzschicht, z. B. aufweisend Aluminiumoxid, umwandeln lasst.
Dies ist deshalb unerwartet, weil sich mit den bisher bekannten Elektrolytzusammenset- 1200 zungen in der Regel nur reines bzw. niedriglegiertes Aluminium oder reines bzw. niedriglegiertes Titan plasmaelektrolytisch oxidieren lies. Hierbei liegt es in der Erwartung, dass entweder Aluminium oder Titan, jedoch nicht beide Stoffe in einem identischen Elektrolyten plasmaelektrolytisch reagieren. Des Weiteren wird nicht erwartet, dass ein hochlegierter Werkstoff auf Basis einer der beiden Metalle in einem Elektrolyten über- 1205 haupt derart reagiert.
Im Detail wird zunächst ein Elektrolyt bereitgestellt, beispielsweise in einem hierfür bestimmten Becken. Dieses Becken kann neben den nachfolgend aufgeführten Elementen zur zusätzlichen Prozesskontrolle sowohl eine Kühlung, als auch eine Umwälzung sowie eine Absaugung für die Prozessgase aufweisen (Figur 22). Der insbesondere
1210 wässrige Elektrolyt weist eine der vorbenannten Elektrolytbasen auf, beispielsweise eine Saure oder Base aus einer Silizium-, Phosphor-, Aluminium-, Zirkonium-, oder Schwefelverbindung im Mengenbereich 0 - 300 g/L. Besonders bevorzugt, aber nicht zwingend und ohne Anspruch auf Vollständigkeit kann der Elektrolyt neben einer der vorbenannten Elektrolytbasen Kaliumhydroxid (KOH), Wasserglas (Na25i03), Phos-
1215 phorsaure (H3P04), Natriumphosphat (Na3P04), Flusssaure (HF), Ammoniumhydroxid (NH40H), Borsäure (H3B03), Schwefelsaure (H2S04), Zirkoniumsulfat (ZrS04), Zir- koniumwolframat (ZrW04), Ammoniumfluorid (NH4F), Natriumhydrogenphosphat (NaH2P04), Natriumfiuorid Dianimoniumhydrogenphosphat (N H4)2H P04, Harnstoff (CH4N20), Kaliumphosphat (K3P04), Kaliumpyrophosphat (K407P2), Dikaliumphos-
1220 phat (K2H PC4), Natriumaluminat (N82A1204 oder NaAI(OH)4), Natriummetaalumi- nat (NaA102), Natriumfiuorid (NaF), Kaliumfluorid (KF) und Natriumhypophosphit (NaH2P02) in jeglicher Kombination im Mengenbereich von jeweils 0 - 120 glL, jedoch im Einzelnen geringer als die Konzentration der Elektrolytbasis, sowie Natriumborat (Na2B407), Ammoniumhydrogendifluorid (NH4HF2), Kaliumfluorotitanat
1225 (K2TiF6), Kaliumhexafluorozirkonat (K2ZrF6), EDTA (C10H12CaN2Na2O8) und deren Salze, z.B. Dinatrium-ethylendiamin-tetraacetat (Na2H2EDTA), Tetranatrium- ethylendiamin-tetraacetat (NaiEDTA) oder Calcium-dinatrium-ethylendiamin- tetraacetat (CaNa2EDTA), Ammoniummetavanadat (N H4V03), Dinatriummolybdad (Na2Mo04), Dinatriumwolframat (Na2Wo4), Wasserstoffperoxid (H202), Zitronensau-
1230 re (C6H807) sowie Glyzerin (C3H803) in jeglicher Kombination im Mengenbereich von jeweils 0 - 20 g/L, jedoch im Einzelnen geringer als die Konzentration der Elektrolytbasis, sowie Urotropin im Mengenbereich (0 - 400 g/L) aufweisen.
In diesem Elektrolyt werden dann mindestens ein oder mehrere elektrisch kontaktierte Titanaluminid-Bauteile getaucht, um so vollständig oder teilweise vom Elektrolyten
1235 benetzt zu werden. Hierbei sind die in den Elektrolyten eingebrachten Bauteile als Elektroden zu verstehen und werden im Folgenden in beliebiger Anzahl unter dem Begriff Bauteilelektrode zusammengefasst.
Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung kann ein Elektrolyt verwendet werden, der Halogenid-lonen aufweist. Insbesondere kann der Elektrolyt Chlorid-, Bromid- oder
1240 Fluorid-Ionen aufweisen. Durch das Einbringen von Halogenid-lonen in den sauren oder basischen Elektrolyten können vorteilhafterweise diese Halogenid-lonen in die Schutzschicht eingebaut werden und so das Ausbilden einer dichten Aluminiumoxidschicht, insbesondere zum Oxidationsschutz gefördert werden. Insbesondere kann auf diese Weise eine Schutzschicht erzeugt werden, die überwiegend aus Aluminiumoxid
1245 aufgebaut ist oder zumindest einen hohen Anteil an Aluminiumoxid aufweist, beziehungsweise einen geringen Anteil an Titandioxid aufweist. Somit kann der vorbeschriebene Halogeneffekt (Typ 3) im Rahmen einer solchen Konversionsschicht (Typ 4) integriert werden, wobei die vorteilhaften Eigenschaften der Konversionsschicht (gute Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit sowie elektrische oder thermische Isolation) kom-
1250 biniert werden und gleichzeitig auf die aus dem Stand der Technik bekannten aufwändigen Verfahren zur Ionenimplantation verzichtet werden kann. Auf diese Weise wird das Verfahren in dieser Ausgestaltung besonders einfach und kostengünstig, insbesondere im Vergleich zu bisher verfügbaren Technologien.
Weiterhin können eine oder mehrere Elektroden, beispielsweise Graphitelektroden oder 1255 metallische Elektroden sowie ebenfalls Titanaluminidbauteile zur Gegenkontaktierung der Bauteilelektrode in den Elektrolyten eingebracht, d.h. teilweise oder vollständig eingetaucht, werden. Diese werden im Folgenden in beliebiger Anzahl unter dem Begriff Gegenelektrode zusammengefasst (Figur 24).
An die Bauteil- und Gegenelektrode wird weiterhin eine elektrische Versorgungseinheit 1260 mit einer Steuerungselektronik angeschlossen.
Zur Umwandlung der Bauteiloberfläche in eine oxidreiche Schutzschicht wird im Folgenden insbesondere zwischen der Kontaktierung der Bauteilelektrode über den Elektrolyten hin zu Kontaktierung der Gegenelektrode eine Arbeit geleistet. Die Bauteilelektrode wird hierbei entweder konstant oder zeitlich alternierend als Anode oder Kathode 1265 geschaltet und es wird durch die versorgende elektrische Einheit ein Gleichstrom oder eine Gleichspannung oder eine Gleichleistung eingestellt, d. h. durch die Regelung der elektrischen Versorgungseinheit wird auf einen definierten aber zeitlich variablen Strom- oder Spannungs- oder Leistungswert geregelt, wobei die Bauteilelektrode ihre Polarität nicht wechselt.
1270 Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung wird diese Arbeit zwischen der Kontaktierung der Bauteilelektrode und der Gegenelektrode derart geleistet, dass die Versorgungseinheit auf ein ström-, spannungs- oder leistungsgeregeltes Pulssignal geregelt wird, d.h. auf ein unipolares oder bipolares Pulsmuster, wobei bei jedem Wechsel der Polarität die Regelgröße von einem Strom- oder Spannungs- oder Leistungswert auf einen Strom-
1275 oder Spannungs- oder Leistungswert übergehen kann. Die Form eines solchen Pulses kann sowohl einem Rechteck, einem Sägezahn, einem Trapez oder einer Halbwelle oder einer Überlagerung dieser entsprechen und kann betragsmäßig hinsichtlich des Effektivoder Peakwertes bei einer Spannungsvorgabe zwischen von 10 bis 1200 V, insbesondere zwischen 80 und 800 V, sowie bei einer Strom vorgäbe zwischen 0,1 mA bis 250 A,
1280 insbesondere 10 mA bis 120 A, sowie bei einer Leistungsvorgabe zwischen 1 mW und 300 kW, insbesondere zwischen 8 mW und 96 kW, frei eingestellt werden, wobei sich sowohl Effektiv- oder Peakwert, als auch die Pausen (Puls-Off) und Pulszeiten (Puls- On) bei jedem neuen Puls während des Prozesses andern können. Die hieraus resultierenden Frequenzen zwischen zwei aufeinanderfolgenden Pulsen liegen zwischen 0,01
1285 Hz und 100 kHz, insbesondere zwischen 0,1 Hz und 10 kHz.
Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung wird diese Arbeit zwischen der Kontaktierung der Bauteilelektrode und der Gegenelektrode derart geleistet, dass die Versorgungseinheit auf ein ström-, spannungs- oder leistungsgeregeltes Sinussignal mit beliebigem
Offset in Form eines Gleichstrom-, Gleichspannungs- oder Gleichleistungsanteil gere- 1290 gelt wird, d.h. auf ein wellenförmiges Muster, wobei bei jedem Wechsel der Polarität die Regelgröße von einem Strom- oder Spannungs- oder Leistungswert auf einen Strom- oder Spannungs- oder Leistungswert übergehen kann. Die Form einer solchen Welle kann einem idealen oder durch verschiedene mathematische Operationen verformten Sinus entsprechen und kann betragsmäßig hinsichtlich des Effektiv- oder 1295 Peakwertes bei einer Spannungsvorgabe zwischen von 10 bis 1200 V, insbesondere zwischen 80 und 800 V, sowie bei einer Stromvorgabe zwischen 0,1 raA bis 250 A, insbesondere 10 mA bis 120 A, sowie bei einer Leistungsvorgabe zwischen 1 mW und 300 kW, insbesondere zwischen 8 mW und 96 kW, frei eingestellt werden, wobei sich sowohl Effektiv- oder Peakwert, als auch die Periode der Halbwelle bei jeder neuen 1300 Halbwelle während des Prozesses andern können. Die hieraus resultierenden Frequenzen zwischen zwei aufeinanderfolgenden Pulsen liegen zwischen 0,01 Hz und 100 kHz, insbesondere zwischen 0,1 Hz und 10 kHz.
Insbesondere unter Nutzung der genannten Parameterbereiche kann das Ausbilden einer Oxidationsschicht so erfolgen, dass eine besonders Aluminiumoxid-reiche Schutz-
1305 Schicht auf dem Bauteil geschlossen aufwächst und somit eine besonders dichte und damit sichere Schutzschicht ausgebildet wird. Das Bauteil kann sicher und langzeitstabil vor äußeren Einflüssen wie etwa unerwünschten Oxidationen geschützt werden sicher in großen Serien mit entsprechenden Qualitätsanforderungen eingesetzt werden. Darüber hinaus sind durch das Verwenden der vorgenannten Parameterbereiche praktikable Re-
1310 aktionsgeschwindigkeiten erzielbar, so dass das Verfahren insbesondere in dieser Ausgestaltung auch für Serienprozesse geeignet ist.
Hierbei wird das angelegte konstante oder puls- oder wellenförmige Strom- oder Spannungs- oder Leistungssignal für einen vorbestimmten Zeitraum aufrechterhalten und so eine charakteristische Dicke der Schutzschicht eingestellt. Ferner kann eine gezielte 1315 Kontrolle der Prozessparameter wie Elektrolyttemperatur, Umwälzung und Konzentra-
tion einzelner Elektrolytbestandteile dazu beitragen, geeignete Reaktionsbedingungen und somit eine reproduzierbare Qualität einzustellen.
Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung wird das beschriebene Verfahren derart verwendet, dass durch die Wahl geeigneter Parameter eine Schichtdicke der erzeugten
1320 Schutzschicht von 0,1 bis 300 μιη, insbesondere 1 bis 10 μηι, gezielt eingestellt wird.
Auf diese Weise bleibt die Schicht elastisch und kann größere Spannungen wie sie beispielsweise durch die unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten von Bauteil und Schutzschicht, insbesondere wie sie bei thermischen Lastzyklen mit hohen Aufheiz- und Abkühlraten, zum Beispiel im Turbolader, entstehen, entweder durch eine Ei-
1325 gendehnung oder durch Rissbildung ausgleichen. Im Gegensatz zu dicken oder spröden Schichten oder solchen, die eine schlechte Schichthaftung sowie einen eindeutig abgrenzbaren Übergang zwischen Substrat und Schicht haben (z. B. Typ 1), kommt es jedoch nicht zu Schichtabplatzungen, welche ganze Bereiche des Bauteils freilegen und diese somit vor weiterer Oxidation ungeschützt lassen.
1330 Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung wird das beschriebene Verfahren in einem Temperaturbereich von größer oder gleich 0°C bis kleiner oder gleich 100°C, insbesondere von größer oder gleich 0°C bis kleiner oder gleich 70 °C, durchgeführt. Auch derartige Temperaturbereiche können sich unter Umstanden auf das Ausbilden einer Aluminiumoxid-reichen Schutzschicht positiv auswirken. Ferner sind die vorgenannten
1335 Temperaturbereiche insbesondere für gefügte Anbauteile des Bauteils von Vorteil, zum Beispiel bei einem gefugten Stahlanabauteil, welches zumindest teilweise aus Stahl ausgeführt ist. Durch die verhältnismäßig niedrigen Temperaturbereiche werden sowohl eine negative Beeinflussung der Struktur als auch der Gefüge-Eigenschaften sowohl des Titanaluminids, als auch des Stahls vermieden.
1340 Gemäß dem vorstehenden Verfahren, bei dem der Prozess der plasmaelektrolytischen Oxidation genutzt wird, kann bei einem definierten Titanaluminid ström-, spannungs- oder leistungsgeregeltes durch die Oberflächenbehandlung die gesamte oder Teile der
Oberfläche des Bauteils gezielt oxidiert bzw. geschützt werden, so dass das bearbeitete Bauteil sicher vor Oxidationen geschützt wird und somit besonders langzeitstabil ist. 1345 Des Weiteren kann die Schutzschicht ohne Einfluss der Geometrie des Bauteils ausgebildet werden, so dass das Verfahren im Wesentlichen mit jedem Bauteil durchführbar ist.
Gemäß der Darstellung nach den Figuren 28 und 29 ist beispielhaft ein Nabenteil 550 gezeigt, welches zumindest in diesem Ausführungsbeispiel vollständig an seiner Ober- 1350 fläche von einer mittels einer Plasma-Elektrolytischen-Oxidation erzeugten Schutzschicht überzogen ist. Selbst die gezeigten Ölzulaufbohrungen 551 (nur exemplarisch beziffert) sind hierdurch geschützt, wobei die vorliegende Schutzschicht derart filigran aufgetragen ist, dass eine Nachbearbeitung des Nabenteils 550 an keinem Oberflächenbereich des Nabenteils erforderlich ist.
1355 Gemäß der Darstellung nach der Figur 30 ist die Morphologie der Schutzschicht im Querschliff gezeigt, wobei hier eine Struktur erzielt ist, welche die Reste von Beschich- tungskanälen (Röhren, siehe Pfeil 552) aufweist. Die in der Figur 31 gezeigte Morphologie betrifft eine anodisch erzeugte PEO-Schicht 553.
Gemäß der Darstellung nach der Figur 31 ist eine Morphologie einer kathodisch erzeug- 1360 ten PEO-Schicht 554 gezeigt, wobei an der Oberfläche eine geschlossene Struktur vorhanden ist, welche ähnlich einer Struktur ist, welche durch einen Diffusionsvorgang erzeugt ist (geschlossene Röhre).
Es versteht sich, dass Bauteil-Geometrien, wie insbesondere die beispielhaft in den Figuren 28 und 29 gezeigten Ölzulaufbohrungen 551, nach dem Erzeugen der vorliegen- 1365 den Schutzschicht mittels herkömmlicher Fertigungsverfahren weiter bearbeitetet werden können, wie z. B. Schleifen, Reiben, Honen, Läppen, durch einen Superfinish- Prozess oder dergleichen.
Dies betrifft im Allgemeinen sowohl Außendurchmesser als auch Innendurchmesser eines im Sinne der Erfindung hergestellten Bauteils.
1370 Durch eine geeignete Prozessführung können sowohl variable Schichtdicken als auch eine gleichmäßige Schichtdicke auf dem Bauteil bzw. an dem Bauteil erzeugt werden.
Gemäß der Darstellung nach der Figur 32 ist eine Turboeinrichtung 660 beispielhaft gezeigt, an welcher sowohl Innenkonturen 661 eines Verdichters 662 als auch diesbezügliche Außenkonturen 663 durch eine mittels einer Plasma-Elektrolytischen- 1375 Oxidation erzeugten Schutzschicht behandelt bzw. hierdurch geschützt sind.
Hierdurch weist der eigentliche Bauteilkörper des behandelten Bauteils eine Art Sandwich-Aufbau auf, welcher sowohl an seiner Außenkontur 663 als auch an seiner Innenkontur 661 die vorliegende Schutzschicht aufweist, wobei zwischen diesen beiden Schutzschichten die normale Titan-Aluminium-Legierung vorliegt.
1380 Die Turboeinrichtung 660 weist darüber hinaus auch entsprechend eine Turbine 664 auf.
Gemäß der Darstellung nach der Figur 33 ist die Titan-Aluminium-Legierung im Mate- rialquerschliff bzw. -querschnitt in einem unbeschichteten Zustand gezeigt.
Gemäß der Darstellung nach der Figur 34 ist der Sandwich-Aufbau gut zu erkennen, 1385 wobei der in der Figur 33 gezeigte Materialquerschliff bzw. -querschnitt hier im beschichteten Zustand dargestellt ist.
Im Gegensatz hierzu ist gemäß den Darstellungen nach den Figuren 35 und 36 ein entsprechender Materialquerschliff bzw. -querschnitt sowohl im unbeschichteten Zustand als auch im beschichten Zustand (Figur 36) dargestellt, wobei die vorliegende Schutz- 1390 Schicht hier nur auf Seiten der Innenkontur 661 erzeugt ist.
Beispielsweise kann die Schichtdicke der vorliegenden Schutzschicht durch Wählen von unterschiedlichen Prozessparametern sowohl als Dünnschichten (50 bis 30 μ) als auch als Dickschichten (bis zu 300 μ) erzeugt werden.
Der Hauptvorteil der Beschichtung des vorliegenden Verdichters bzw. Verdichterge- 1395 häuses ist darin zu sehen, dass das Verdichtergehäuse gepanzert ist. Hierdurch wird insbesondere die Durchschlagfestigkeit des Bauteils deutlich verbessert, wodurch wiederum die Gefahr verringert ist, dass bei einem Versagen eines rotierenden Laufradteils Teile dieses Laufradteils das Verdichtergehäuse durchschlagen können.
Mittels der vorliegenden Schutzschicht können Schichthärten von 500 HV bis 2000 HV 1400 erzielt werden, wodurch ein derart beschichtetes Bauteil eine sehr hohe Beschussbe- ständigkeit erfahrt.
Gemäß der Darstellung nach der Figur 37 ist in einer Tabelle die chemische Zusammensetzung einer Gamma-Titanaluminid-Legierung TMMB-1 beispielhaft gezeigt.
Es versteht sich, dass jedoch auch andere Leichtmetall-Legierungen wie beispielsweise 1405 die Titan-Legierung Ti6A14V für die Herstellung des vorliegenden Bauteils verwendet werden können.
Weitere Legierungen können beispielsweise GE 45 22 oder GE 48 22 sein, um insbesondere ein Bauteil in Gestalt eines rotierenden Laufradteils herzustellen.
Es versteht sich, dass sich zur Herstellung des vorliegenden Bauteils die unterschied- 1410 lichsten Herstell verfahren eignen können, wie nachfolgend beispielhaft aufgelistet:
- Gießverfahren (Feinguss) - Ausführung near netshape Geometrie (Schaufelpro- fil hat Endgeometrie + Aufmaß im Bereich der Außendurchmesser für die nachfolgende Endbearbeitung der Kontur)
Druckguss - Ausführung near netshape Geometrie (Schaufelprofil hat Endgeometrie + Aufmaß im Bereich der Außendurchmesser für die nachfolgende Endbearbeitung der Kontur)
Semi-solid-casting Verfahren - Ausführung near netshape Geometrie (Schaufelprofi 1 hat Endgeometrie + Aufmaß im Bereich der Außendurchmesser für die nachfolgende Endbearbeitung der Kontur)
Thixoforming-Verfahren - Ausführung near netshape Geometrie (Schaufelprofil hat Endgeometrie + Aufmaß im Bereich der Außendurchmesser für die nachfolgende Endbearbeitung der Kontur)
Gießverfahren (Feinguss) - Ausführung aufgedickte Geometrie im Bereich der Nabe, der Außendurchmesser und der Schaufeldicke (Dickschaufler) + elektrochemische Bearbeitung (ECM) auf die near-netshape Geometrie
Druckguss - Ausführung aufgedickte Geometrie im Bereich der Nabe, der Außendurchmesser und der Schaufeldicke (Dickschaufler) + elektrochemische Bearbeitung (ECM) auf die near-netshape Geometrie
Semi-solid-casting - Ausführung aufgedickte Geometrie im Bereich der Nabe, der Außendurchmesser und der Schaufeldicke (Dickschaufler) + elektrochemische Bearbeitung (ECM) auf die near-netshape Geometrie
Thixoforming-Verfahren - Ausführung aufgedickte Geometrie im Bereich der Nabe, der Außendurchmesser und der Schaufeldicke (Dickschaufler) + elektrochemische Bearbeitung (ECM) auf die near-netshape Geometrie auf Basis eines geschmiedeten Rohlings (konventionell oder isotherm geschmiedet, abhängig von der eingesetzten Legierung) und mechanische Bearbeitung mittels Drehen und Fräsen)
- auf Basis eines geschmiedeten Rohlings (konventionell oder isotherm geschmiedet, abhängig von der eingesetzten Legierung) und mechanische Bearbeitung
1440 mittels Drehen und Fräsen) auf eine aufgedickte Geometrie (Dickschaufler) + elektrochemische Bearbeitung auf die near-netshape Geometrie
- auf Basis eines geschmiedeten Rohlings (konventionell oder isotherm geschmiedet, abhängig von der eingesetzten Legierung) und elektrochemische Bearbeitung (EC ) auf die near-netshape Geometrie
1445 - SLM- Verfahren (selective laser melting Verfahren) auf Basis eines Metallpulvers aus der entsprechenden Legierung Ausführung aufgedickte Geometrie im Bereich der Nabe, der Außendurchmesser und der Schaufeldicke (Dickschaufler) + elektrochemische Bearbeitung (ECM) auf die near-netshape Geometrie
- EBM- Verfahren (electron beam melting Verfahren) auf Basis eines Metallpul- 1450 vers aus der entsprechenden Legierung Ausfuhrung aufgedickte Geometrie im
Bereich der Nabe, der Außendurchmesser und der Schaufeldicke (Dickschaufler) + elektrochemische Bearbeitung (ECM) auf die near-netshape Geometrie
- MIM Verfahren (metal injection moulding Verfahren) auf Basis eines Metallpulvers aus der entsprechenden Legierung auf eine near-netshape Geometrie
1455 - MIM Verfahren (metal injection moulding Verfahren) auf Basis eines Metallpulvers aus der entsprechenden Legierung - Ausführung aufgedickte Geometrie im Bereich der Nabe, der Außendurchmesser und der Schaufeldicke (Dickschaufler) + elektrochemische Bearbeitung (ECM) auf die near-netshape Geometrie
1460 Eine Herstellroute des Laufzeugs mit einem keramisierten Turbinenrad sieht wie folgt aus - Keramisieren des Turbinenrad vor dem Fugen mit der Welle
- Herstellung des Turbinenradrohteils (near-netshape-Geometrie) nach einem der oben genannten Verfahren
- mechanische Bearbeitung des Turbinenrades = Anbringen der Anbindungsgeo- 1465 metrie (zur Verbindung mit der Welle)
- Keramisieren des Turbinenrades mittels PEO-Verfahren
- Mechanisches (beispielsweise Gewinde) oder stoffliches (Schweißen, Löten, EB-Löten)
- Anbinden des keramisierten Turbinenrades an eine Welle aus einer Stahllegie- 1470 rung bzw.
- aus einer Nickelbasislegierung bzw. in einer weiteren Ausführung an ein Zwischenstück aus einer Nickelbasislegierung
- Fertigbearbeitung des Läufers (beispielsweise Konturschleifen des Läufers und/oder Drehen und Schleifen der Welle)
1475 - Auswuchten des fertigbearbeiteten Läufers
- Optional: nachträgliches PEO-Beschichten
Diese beschriebene Ausführung hat oftmals den Nachteil, dass durch die Endbearbeitung (Konturschleifen Turbinenrad) und das Auswuchten die gebildete Oxidkeramikschicht abgetragen wird und das Bauteil an dieser Stelle nicht gegen Korrosion und 1480 Oxidation geschützt ist.
Man könnte in einem nachgeschalteten Beschichtungsprozess die abgetragene Schicht nachbeschichten bzw. nachoxidieren, hierzu musste auf dem Bauteil in diesen Bereichen, in denen die Schicht abgetragen wurde, noch einmal mittels PEO-Verfahren bzw. PEO-Prozess 698 eine Oxidkeramikschicht 699 ausgebildet werden.
1485 Die Keramisierung des Turbinenrades 700 als Einzelteil (ohne Welle 701 aus Stahl) konnte den Vorteil besitzen, dass der artfremde Werkstoff der Welle (beispielsweise eine Stahl legierung) das Oxidationsergebnis nicht negativ beeinflusst (siehe insbesondere auch Figur 38).
Die Kontaktierung des Turbinenrades 700 kann an unterschiedlichen Stellen erfolgen.
1490 Eine mögliche Kontaktierung des Bauteils erfolgt in einer Bohrung 702 im Inneren des Turbinenrades.
Die Bohrung 702 kann als Sacklochbohrung 702A bzw. als Durchgangsbohrung ausgeführt sein.
Bei einer Sacklochbohrung 702 ist zu beachten, dass die Bohrung keinen negativen Ein- 1495 fluss auf die Festigkeit des Bauteils darstellt.
Eine ähnliche Kontaktierung gilt auch für eine Durchgangsbohrung.
Die jeweilige Ausführung der Bohrung kann mit einem mechanischem Bearbeitungsverfahren (Drehen, Fräsen, Schleifen, etc.) eingebracht werden.
In einer vorteilhaften Ausführung wird die Bohrung bereits bei der Herstellung des Roh- 1500 teils eingebracht, beispielsweise durch ein Gießverfahren oder durch das MIM und EBM Verfahren.
Zur besseren Kontaktierung des Bauteils ist es von Vorteil die Bohrung bei Einbringung bereits im Rohteil noch einmal mechanisch nachzuarbeiten. Vorteil hierbei: Einbringen einer Passung zwischen Turbinenrad und Kontaktierung in der Bohrung.
1505 Weitere Bereiche für eine Kontaktierung wäre der Bereich des Radrückens, in einem Bereich des Turbinenrades, der hinsichtlich Oxidation und Korrosion nicht in einem Maße belastet ist, dass es zu einer Beschädigung des Bauteils im Betrieb kommt.
Eine besonders gute Kontaktierung ist durch ein in die Bohrung bzw. in die Sacklochbohrung 702 eingebrachtes Anodenbauteil 703 gewährleistet.
1510 Die Oxidation des Turbinenradrohteils mittels PEO-Verfahren kann in einem Bad 705 erfolgen, unter Verwendung eines geeigneten Gestells zur Platzierung des Turbinenrades im Becken 705, eines auf das Verfahren abgestimmten Elektrolyts 706 und einer entsprechenden Kathode 707 (beispielsweise aus Edelstahl oder Graphit).
Alternativ kann der Beschichtungsprozess auch in einer Zelle erfolgen - hier wird im 1 15 Gegensatz zur Beschichtung im Bad der Elektrolyt dem Bauteil zugeführt.
Das zu beschichtende Bauteil kann vor dem eigentlichen Beschichtungsprozess noch einen Beizprozess unterzogen werden, um die Oxidkeramik Ausbildung zu verbessern.
Eine vorteilhafte Herstellroute des Laufzeugs mit einem keramisierten Turbinenrad sieht wie folgt aus: Keramisieren des Turbinenrad nach dem Fugen mit der Welle
1520 - Herstellung des Turbinenradrohteils (near-netshape-Geometrie) nach einem der oben genannten Verfahren
- Mechanische Bearbeitung des Turbinenrades = Anbringen der Anbindungsgeo- metrie (zur Verbindung mit der Welle)
- Mechanisches (beispielsweise Gewinde) oder stoffliches (Schweißen, Löten, 1525 EB-Löten)
- Anbinden des noch nicht keramisierten Turbinenrades an eine Welle aus einer Stahllegierung bzw. einer Nickelbasislegierung bzw. in einer weiteren Ausführung an ein Zwischenstück aus einer Nickelbasislegierung
- Fertigbearbeitung des Läufers (beispielsweise Konturschleifen des Läufers 1530 und/oder Drehen und Schleifen der Welle)
- Auswuchten des fertigbearbeiteten Läufers
- Keramisieren des Turbinenrades mittels PEO- Verfahren
Diese beschriebene Ausführung hat den Vorteil, dass hierdurch die Bereiche der Endbearbeitung des Turbinenrades (Schleifen des Außendurchmessers = Kontur) und die ein- 1535 gebrachten Wuchtmarken (mechanisch oder mittels ECM- Verfahren) ebenfalls kerami- siert werden, so dass das Bauteil vollständig gegen Korrosion und Oxidation geschützt ist.
Die Oxidation des Laufzeugs im Bereich des Turbinenrades mittels PEO Verfahren kann in einem Bad erfolgen, unter Verwendung eines geeigneten Gestells zur Platzie- 1540 rung des Laufzeugs im Becken, eines auf das Verfahren abgestimmten Elektrolyts und einer entsprechenden Kathode (beispielsweise aus Edelstahl oder Graphit).
Das zu beschichtende Bauteil (Turbinenrad) kann vor dem eigentlichen Beschichtungs- prozess noch einen Beizprozess unterzogen werden, um die Oxidkeramik Ausbildung zu verbessern.
1545 Bereiche die nicht beschichtet / umgewandelt / keramisiert werden sollen (beispielsweise die Welle) müssen vor dem Beschichten entsprechend maskiert werden, so dass auf diesen geschützten Oberflächen sich keine Oxidkeramik ausbilden kann bzw. es zu Beschädigung der Oberfläche kommt - beispielsweise durch einen Gummi- / Kunststoffabdichtung.
1550 Aufgrund der chemischen Zusammensetzung der verwendeten Leichtmetall-Legierung wird sich durch den Keramisierungsprozess ein Mischoxid auf dem Turbinenrad ausbilden (Ti02 und A1203). Problem hierbei ist ein unbestimmtes Oxidwachstum von Ti02 aufgrund mangelnder Diffusionsbeständigkeit.
Um einen entsprechend hohen Oxidationsschutz auf dem Bauteil zu erreichen ist es 1555 notwendig, dass sich eine geschlossene A1203 Schicht ausbildet.
Dies soll bei der Gamma-TiAI-Legierung durch spezielle Parameter durch eine Erhöhung der Aluminium Aktivität erreicht werden - es ist notwendig, die Titan Aktivität (höhere Reaktivität als Aluminium) zu mindern.
Eine Möglichkeit ist es, dem verwendeten Elektrolyten Aluminium beizusetzen bzw. 1560 Silizium beizusetzen.
Im Falle eines Turbinenrades aus einer Titanlegierung, die aufgrund des zu geringen Aluminiumgehalts in der Legierung (beispielsweise Ti6AI4V = mit 6 % Aluminium) zu einer sehr starken Mischoxid Ausbildung mit Ti02 Überschussbildung neigt, kann ein entsprechendes Alitierungsverfahren des zu beschichtenden Bauteils (Turbinenrad) vor 1565 dem eigentlichen Keramisierungsprozess im PEO-Verfahren, einen positiven Einfluss auf die Ausbildung der schützenden AI 203 Schicht haben.
Das Bauteil, in einer vorteilhaften Ausführung als fertigbearbeitetes Laufzeug mit einem Turbinenrad aus einer Titanlegierung, wird vor dem Keramisieren mit einem herkömmlichen Verfahren im Bereich des Turbinenrades alitiert - es wird mit Aluminium
1570 bzw. AI 203 Schichtbildnern vor dem Keramisieren beschichtet und anschließend im alitierten Bereich mittels PEO-Verfahren keramisiert unter Ausbildung einer Schicht mit A1203 Überschuss. Die nicht zu beschichtenden Bereiche (Welle) sind sowohl beim Alitieren, wie auch beim Keramisieren zu maskieren, so dass sich auf diesen geschützten Oberflächen sowohl kein Aluminium (Alitieren) wie auch keine Oxidkeramik (Ke-
1575 ramisieren) ausbilden kann - beispielsweise durch einen Gummi- / Kunststoffabdichtung - oder durch gezieltes Eintauchen in das Keramisierungsbad vom Elektrolyten ferngehalten.
Gleiches gilt auch für die Herstellroute Keramisieren des Turbinenrad vor dem Fugen mit der Welle im Bereich der Anbindung (falls erforderlich).
1580 Nachfolgend sind stellvertretend noch vier konkretere Ausführungsbeispiele beschrieben:
Ausfuhrungsbeispiel 1
Hinsichtlich eines ersten Ausfuhrungsbeispiels wird das Turbinenrad eines Turbolader-
1585 läufers aus einer TNM-Legierung bereitgestellt (vgl. auch Figur 10). Hierfür wird zunächst durch Verdüsen ein Titanaluminidpulver aus einer TNM-Legierung hergestellt und für das Selective Laser Melting bereitgestellt. Mittels dem Selective Laser Melting (vgl. auch Figur 7) wird anschließend aus dem verdüsten Pulver ein Turbinenrad gemäß einem topologieoptimierten Design hergestellt. Dieses Design mittels eines Algorithmus
1590 zur Topologie- bzw. Strukturoptimierung gewonnen werden. Hierfür wird das reale Belastungskollektiv in einer FEM Simulation angenommen, ein Hohlraum im Bauteilkern unter gewissen Randbedingungen im Algorithmus hinterlegt und das Ursprungsdesign des Turbinenrades solange unter Entfernung von Material modifiziert, bis ein gewichtsoptimiertes Design mit einer inneren Kavität erreicht wird (vgl. Figuren 1 1 und 12).
1595 Dieses Design wird mittels Selective Laser Melting mit einem allgemeinen Aufmaß von 0, 1 mm nahe der Endkontur (near-net-shape) in Form des Bauteils umgesetzt. Nach der Herstellung wird das Bauteil mit einem geeigneten Werkzeug zur elektrochemischen Bearbeitung in einer geeigneten Anlage geschlichtet, das heißt, das Aufmaß wird unter Bildung einer hohen Oberflächengüte abgetragen und so die Endkontur hergestellt (vgl.
1600 Figur 8). Nach dem ECM Vorgang wird das Bauteil gereinigt und gespült und ohne einen weiteren Aktivierungsschritt, wie zum Beispiel das Beizen, beispielswiese in eine Vorrichtung gemäß Figur 20 gegeben. Dabei wird die bereits fertig montierte Läufergruppe bestehend aus einer Stahlwelle und dem angefügten Turbinenrad aus Titanalu- minid nur bis kurz unter die Fügestelle des Läufers in das Elektrolytbecken eingetaucht,
1605 sodass die Stahlwelle nicht in Berührung mit dem Elektrolyten kommt. Anschließend wird unter Nutzung eines konstant geregelten Gleichstroms eine aluminiumoxidreiche- Schutzschicht (vgl. Figur 27) auf dem Bauteil erzeugt. Aufgrund der erzeugten Schutzschicht bildet sich im Einsatz bereits nach kurzer Zeit eine geschlossene Aluminiumoxidschicht (vgl. Figur 25), welche das gewichtsoptimierte Turbinenrad im Ver-
1610 gleich zu einem unbehandelten Turbinenrad sowohl vor Partikel- als auch Tropfenschlag aus dem heißen Abgas sowie vor Oxidation besser schützt.
Ausführungsbeispiel 2
Ein Titanaluminidbauteil aus einer GE 48-2-2 Legierung wird gemäß dem vorbeschrie-
1615 benen Verfahren mittels plasmaelektrolytischer Oxidation behandelt. Hierzu wird werden jeweils zwei identische Bauteile als Bauteil- und Gegenelektrode vollständig mit Elektrolyt bedeckt und mit der Leistungsquelle verbunden (vgl. Figur 23). Der Elektrolyt kann sich wie vorstehend beschrieben zusammensetzen. Anschließend wird für 20 Minuten ein bipolares, auf einen RMS Spannungswert von XX geregeltes Rechteck-
1620 muster mit einer Frequenz von 6 Hz appliziert, sodass sich für jede Elektrode aufweisend zwei Bauteile abwechselnd ein positiver und dann ein negativer Stromwert aufgrund der angelegten Spannung einstellt. Um die durch den Konversionsvorgang sowie den elektrischen Widerstand entstehende Wärme abzuführen und eine konstante Temperatur von 18,5 °C zu halten, wird dem Prozess über einen Wärmetauscher Energie ent-
1625 zogen. Zusätzlich wird über eine Pumpstrecke der Elektrolyt umgewälzt und die entstehenden Prozessgase über eine Absaugvorrichtung über dem Becken abgeleitet. Es entsteht eine aluminiumoxidhaltige Schutzschicht mit einer Dicke von 6 μ m bis 8 μ m, welche eine deutlich geringere Oxidationsneigung als die unbehandelte Referenz sowie aufgrund ihrer geringen Schichtdicke eine hohe Temperaturschockbeständigkeit auf-
1630 weist (vgl. Figur 26).
Ausführungsbeispiel 3
Ein Titanaluminidbauteil aus einer TNM Legierung wird gemäß dem vorbeschriebenen Verfahren mittels plasmaelektrolytischer Oxidation behandelt. Hierzu wird ein Bauteil 1635 als Bauteil- und eine Edelstahlronde als Gegenelektrode in den Elektrolyten ein gehan-
gen und mit der Leistungsquelle verbunden. Die Bauteilelektrode wird hierbei partiell von einem Isolierband derart bedeckt, dass der abgedeckte Bereich sowohl im Elektrolyten als auch außerhalb dessen vorliegt (vgl. Figur 21). Der Elektrolyt kann sich wie vorstehend beschrieben zusammensetzen und weist insbesondere Halogenide, wie vor-
1640 stehend vorgeschlagen, auf. Anschließend wird für 15 Minuten ein bipolares Sägezahnmuster mit einer Frequenz von 2,5 kHz derart appliziert, dass im für das Bauteil elektrisch positiven (anodischen) Bereich des bipolaren Musters der Strom und im negativen Bereich die Spannung konstant auf einen geeigneten Peakwert von XX A bzw. XX V geregelt werden. Um die durch den Konversionsvorgang sowie den elektrischen
1645 Widerstand entstehende Wärme abzuführen und eine konstante Temperatur von 21°C zu halten, wird dem Prozess über einen Wärmetauscher Energie entzogen. Zusätzlich wird über eine Pumpstrecke der Elektrolyt umgewälzt und die entstehenden Prozessgase über eine Absaugvorrichtung über dem Becken abgeleitet. Es entsteht eine alumini- umoxidreiche Schutzschicht mit einer Dicke von 4 μ m bis 5 μ ηι, welche eine deutlich
1650 geringere Oxidationsneigung als die unbehandelte Referenz sowie aufgrund ihrer geringen Schichtdicke eine hohe Temperaturschockbeständigkeit aufweist (vgl. Figur 26).
Ausführungsbeispiel 4
Ein Verdichterrad für einen Abgasturbolader aus einer 45 XD Legierung aufweisend 45 1655 at.-%, 47 at.-% Aluminium, 2 at.-% Niob, 2 at.-% Mangan und 0.8 vt.-% TiB2 wird gemäß dem vorbeschriebenen Verfahren mittels plasmaelektrolytischer Oxidation behandelt. Hierzu wird zwei baugleiche Teile jeweils als Bauteil- und als Gegenelektrode vollständig in den Elektrolyten ein gehangen und mit der Leistungsquelle verbunden. Der Elektrolyt kann sich wie vorstehend beschrieben zusammensetzen. Anschließend 1660 wird für 150 Minuten ein sinusförmiger Wechselstrom mit einer Frequenz von 1,5 Hz derart appliziert, dass der geregelte Stromwert von Anfang bis zum Ende des Prozesses von 0 A auf einen geeigneten RMS-Wert von XX A ansteigt, d. h. eine Rampe durch-
läuft. Weiterhin wird der Sinusförmige Strom um einen ebenfalls rampenförmig verlaufenden Gleichstromanteil (Offset) derart verschoben, dass der minimale Stromwert in
1665 jeder Periode immer gleich null ist und zu keinem Zeitpunkt negativ wird. Um die durch den Konversionsvorgang sowie den elektrischen Widerstand entstehende Wärme abzuführen und eine konstante Temperatur von 65°C zu halten, wird dem Prozess über einen Wärmetauscher Energie entzogen. Zusätzlich wird über eine Pumpstrecke der Elektrolyt umgewälzt und die entstehenden Prozessgase über eine Absaugvorrichtung über dem
1670 Becken abgeleitet. Es entsteht eine dicke, raue und aluminiumoxidreiche Schutzschicht mit einer Dicke von 250 μ m bis 280 μ m, welche eine deutlich geringere Oxidations- neigung als die unbehandelte Referenz sowie aufgrund ihrer Dicke einen guten Verschleißschutz gegen Partikel- oder Tropfenschlag aufweist.
An dieser Stelle sei explizit daraufhingewiesen, dass die Merkmale der vorstehend bzw. 1675 in den Ansprüchen und/oder Figuren beschriebenen Lösungen gegebenenfalls auch kombiniert werden können, um die erläuterten Merkmale, Effekte und Vorteile entsprechend kumuliert umsetzen bzw. erzielen zu können.
Es versteht sich, dass es sich bei den vorstehend erläuterten Ausführungsbeispielen lediglich um erste Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Bauteils bzw. Verfahrens 1680 handelt. Insofern beschränkt sich die Ausgestaltung der Erfindung nicht auf diese Ausführungsbeispiele.
Sämtliche in den Anmeldungsunterlagen offenbarten Merkmale werden als erfindungswesentlich beansprucht, sofern sie einzeln oder in Kombination gegenüber dem Stand der Technik neu sind.
1685 Letztlich sei hier noch bemerkt, dass hinsichtlich chemischer Bezeichnungen Tiefstellungen von Ziffern im vorliegenden Text nicht immer korrekt wiedergegeben sein können. Der Fachmann liest diese Tiefstellungen jedoch mit.
Liste der verwendeten Bezugszeichen:
1 Bauteil
2 erster Schichtaufbau
3 zweiter Schichtaufbau
4 dritter Schichtaufbau
5 vierter Schichtaufbau
10 Schemata
14 Aufnahme
15 Wabenstruktur
16 Pore
17 Porenkanal
19 weitere Aufnahme
20 Oberfläche
21 Porenstruktur
23 Rillen
24 Riefen, Schuppen, Kuppen
25 Pulver
26 Bauteilplattform
27 Wischer
74 Laser
75 Bearbeitungsebene
76 Festkörper
77 Weg
80 Geometrieabweichungen
81 Pittings
90 Laufrad
91 Rotationsachse
Kasten
Bohrung
Schaufeln
Stahlwelle
Turbinenrad
Gegenelektrode
Elektrolytbecken
Elektrolyt
Leistungsquelle
Stahlwelle
Turbinenrad
Gegenelektrode
Elektrolytbecken
Elektrolyt
Leistungsquelle massive Bereiche
Innenbohrung
Hohlraum
Durchbrüche
Stege
massive Bereiche
Innenbohrung
Hohlräume
kleine Bohrung quaderförmiges Bauteil
Gegenelektrode
Elektrolyt
Elektrolytbecken
Leistungsquelle
Absaugvorrichtung
Wärmetauscher
erstes Turbinenrad
zweites Turbinenrad
Elektrolyt
mittlerer Vergrößerung hoher Vergrößerung
Porendurchmesser
Oberfläche
mittlerer Vergrößerung hoher Vergrößerung
Oberfläche
aluminiumoxidreiche Grenzschicht erste Probe
zweite Probe
TNM-Titanaluminid-Legierung
GE-Titanaluminid-Legierung unbehandelte Referenz
Oberfläche
geringer Titanoxidoxidanteil hoher Aluminiumoxidanteil
Interface
Bauteil
Laufradteil
Bauteilkörper
Lagerbohrung
Materialausnehmung
Längserstreckung
Axialrichtung
Rotationsachse
Materialaussparungen
Hohlräume
Rückseite
Schaufelelemente abgewandte Seite
Zwischenräumen
Bauteil
Laufradteil
Bauteilkörper
Lagerbohrung
Materialausnehmung
Längserstreckung
Axialrichtung
Rotationsachse
Materialaussparungen
Hohlräume
Rückseite
Schaufelelemente abgewandte Seite
Zwischenräumen
Oberflächen
Schutzschicht
Hinterschneidungen
Querstreben
Bauteil
Nabenteil
Lagermanschette
Hauptbauteilkörper
550 Nabenteil
551 Ölzulaufbohrungen
552 Pfeil
553 PEO-Schicht
554 weitere PEO-Schicht
660 Turboeinrichtung
661 Innenkonturen
662 Verdichter
663 Außenkonturen
664 Turbine
698 PEO-Prozess
699 Oxidkeramikschicht
700 Turbinenrad
701 Welle aus Stahl
702 Bohrung
702A Sacklochbohrung
703 Anodenbauteil
705 Bad bzw. Becken
706 Elektrolyt
707 Kathode