WO2020052917A1 - Verfahren für ein beschichten eines bauteils und beschichtetes bauteil - Google Patents

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WO2020052917A1
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crater
laser
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Tobias KALFHAUS
Caren Sophia GATZEN
Daniel Emil Mack
Robert Vassen
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Forschungszentrum Jülich GmbH
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    • C23C4/12—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge characterised by the method of spraying
    • C23C4/129—Flame spraying

Definitions

  • the present invention relates to a method for coating a component.
  • the invention also relates to a component coated according to the method.
  • a surface of a component is coated by depositing a powdery coating material.
  • a heated gas such as nitrogen or helium is accelerated to very high speeds, for example by expansion in a lava nozzle in the direction of the surface to be coated.
  • the speeds are above the speed of sound and are, for example, 500-1000 m / s.
  • the powder coating material is injected into the accelerated gas jet.
  • the powdery coating material impacts the surface to be coated at such a high speed that the particles of the powder plastically deform upon impact and as a result adhere to the surface to be coated.
  • thermal coating processes such as plasma spraying, arc spraying, flame spraying, the particles of the powder are not melted.
  • the impact of a powder particle on the surface to be coated creates a shear stress that plastically deforms the material of a powder particle.
  • the resulting shear stress leads to adiabatic shear instability, which brings the surface areas of a powder particle to temperatures close to the melting point of the coating material and thus softens it, thereby binding powder particles and component to one another.
  • Good adhesion between a substrate and the coating material is therefore a problem
  • Cold gas spraying requires that sufficient shear instabilities are created by the impact.
  • a component can be coated with metals, polymers, ceramics, composite materials and nanocristailin powder by cold gas spraying.
  • the object of the invention is to further develop the coating of a component.
  • the object of the invention is achieved by a method according to claim 1.
  • a subsidiary claim relates to a component coated according to the method.
  • Advantageous configurations result from the dependent claims.
  • the object of the invention is achieved by a method for coating a component, in which a surface of the component to be coated is roughened by a laser and the roughened surface is coated with a high-energy thermal spraying method, such as cold gas spraying. Basically, it is roughened like a crater.
  • the inventors have found that a combination of the two measures “roughening by laser” and “coating by cold gas spraying” lead to particularly stable adhesion between the component and the layer. It has been found that roughening using a laser does not disadvantageously modify the material of the component on its surface physically or chemically in such a way that adhesion between the component and the layer is reduced. Roughening using a laser is therefore advantageous compared to roughening by sandblasting. It has further been found that the physical and chemical properties of the surface are also not adversely changed by cold gas spraying, so that the combination of Both measures a very good adhesion between the component and the coating can be achieved.
  • the surface of the component to be coated is ground and / or polished, that is, smoothed, before it is roughened by means of a laser.
  • ground and / or polished surface areas can advantageously be retained even after processing by a laser in order to favorably influence adiabatic shear instabilities and thereby achieve further improved adhesion properties.
  • the surface of the component to be coated is exposed at predetermined locations by means of a laser in such a way that crater-like depressions occur at the exposed locations and other areas of the surface to be coated also after the production of crater-shaped depressions in the previous state, that is to say in particular in one ground and / or polished and thus smoothed.
  • the ratio between crater-shaped depressions and areas not roughened by laser can be optimized in order to achieve particularly good adhesive properties.
  • the surface of the component to be coated is pulse-exposed several times by laser in such a way that crater-shaped depressions are formed at the exposed locations, in particular to achieve crater depths of at least 1 Cpm or 20 pm, preferably to at least crater depths 30 pm to further improve the adhesion properties. It has been found that excessively great depths deteriorate adhesion properties again. Therefore, the depth of a crater-shaped depression is preferably limited to 60 pm, particularly preferably to 50 pm.
  • the diameter of the crater-shaped depression at the upper edge corresponds approximately to the depth of the crater-shaped depression. So shows a crater-shaped depression upper edge, for example, has a diameter of approx. 40 pm, then a depth of approx. 40 miti is preferred. The depth should preferably not deviate from the diameter by more than 20%. So if the diameter is 40 pm, the depth should be at least 32 pm and not more than 48 pm in order to further improve the adhesion properties. In one embodiment, the crater-shaped depressions have a diameter of 30 pm to 50 pm and a depth of 30 pm to 50 pm.
  • Time intervals are preferably provided between the individual light pulses in such a way that material melted by laser light can only solidify again before the predetermined point is exposed again. Crater-shaped depressions can thus be further optimized. The adhesion between the component and the coating can be further improved in this way.
  • each predetermined location is exposed to the light of the laser at least 3 times, preferably at least 5 times, and / or not more than 25 times, preferably not more than 15 times, in order to produce crater-shaped depressions in an optimized manner, and thus particularly good adhesion properties.
  • the crater-shaped depressions have circular diameters. This configuration ensures that areas of the surface to be coated remain between crater-shaped depressions that have not been exposed by the laser and have therefore not been roughened.
  • the upper edge of the crater-shaped depressions protrudes in a bead-like manner towards regions of the surface to be coated which have not been exposed by the light of the laser.
  • the upper edge protrudes in particular by at least 5 pm, preferably by at least 10 pm and / or by no more than 20 pm from regions of the surface to be coated which have not been exposed to the light of the laser.
  • the component is in a gas atmosphere made of noble gas, preferably argon, or nitrogen during its processing.
  • the component is then in a room through which, for example, an inert gas or nitrogen is passed, or else the is gastight and has previously been introduced into the noble gas or nitrogen.
  • a protective gas jacket is produced which surrounds the laser beam during the exposure.
  • a protective gas jacket can be created using nozzles which are arranged around the light of the laser in such a way that the light beam of the laser impinging on the component is enveloped by the gas which emerges from the nozzles. The adhesion between the component and the coating can be further improved in this way.
  • the coating material matches the material of the surface to be coated. If the material of a component has been damaged by external influences, such damage can be repaired particularly stably and reliably by a coating according to the invention with the same material.
  • beads of crater-shaped depressions adjoin one another and / or overlap or overlap.
  • the diameter of each crater-shaped depression then corresponds approximately to the distance between two center points of two adjacent crater-shaped depressions.
  • the predetermined locations and thus the crater-shaped depressions are arranged according to a repeating pattern and thus according to plan.
  • This can be a checkerboard pattern, for example.
  • the predetermined locations and thus the crater-shaped depressions are arranged one behind the other and next to each other along a straight line.
  • the craters are not arranged randomly.
  • the gas is heated to temperatures of 500 ° C. to 1200 ° C. during cold gas spraying, in order to improve adhesion properties.
  • the component to be coated is preferably not additionally heated. In this way, thermally induced physical and / or chemical changes to the surface to be coated are advantageously avoided. Nitrogen can be used as the gas.
  • the laser beam strikes the surface of the component at a right angle so as to produce crater-shaped depressions. It is but it is also possible to provide an angle deviating from 90 ° in order to suitably roughen the surface of the component by means of laser light.
  • Figure 1 sectional views of a surface created according to the invention
  • FIG. 2 top view of the surface of a component to be coated
  • Figure 3 cross section of a component coated according to the invention.
  • the surface of the substrate to be coated was removed at a frequency of 35 kHz and a pulse length of 120 ns at full power, which corresponds to a peak power of 15 kW.
  • crater-shaped depressions with a diameter of 40 ⁇ m were produced on the surface to be coated.
  • Craters were made one behind the other and side by side, i.e. in a checkerboard fashion, at a distance of 40 pm. Every single place where a crater was to be created was exposed a total of 12 times by the light of the laser. However, a single spot was not immediately exposed the next time after exposure immediately afterwards.
  • each location was first exposed for the first time and then in the same order a second time, etc., until all locations were exposed twelve times in this way. Every single position could cool down after exposure and solidify again before exposure again. Undesired oxidation of the surface could thus be avoided better.
  • a second part of the substrates was not further processed for comparison tests.
  • the surface to be coated thus remained in the state smoothed by grinding and polishing.
  • the surfaces to be coated of substrates made of the alloy IN738 were also roughened by sandblasting. These surfaces to be coated were also previously sanded and polished.
  • FIG. 1 shows two sectional representations of the surface to be coated according to the invention, according to the aforementioned first part of the substrates, which were determined with a laser microscope. On the one hand, a sectional view of exposed areas in the xz direction and on the other hand in the yz direction is shown. The two sectional representations make it clear that a crater-shaped depression with a diameter of approximately 0.4 pm was created at an exposed location. The depth was almost 0.4 pm.
  • the centers of the essentially circular, crater-shaped depressions were regularly arranged on the polished surface of the component at a distance of 40 pm in accordance with a checkerboard pattern.
  • FIG. 2 shows an image of the laser microscope on the surface of a component to be coated, that is to say a substrate.
  • This photograph shows a top view of the distribution of the crater-shaped depressions 1, which was created by repeated exposure, in accordance with a chessboard pattern.
  • the edges of the craters have a solidification pattern 3 on the edges due to the individual exposure that protrude up to approx. 15 pm above the unexposed, polished areas, i.e. in the z direction.
  • the bead-like solidification patterns 3 form upper edges of the crater-shaped depressions 1.
  • Upper edges 3 of the craters overlap or at least adjoin one another.
  • the depth of the crater-shaped depressions 1 is approximately 20 pm in relation to the polished base area. In total, a depth of about 35 pm was created.
  • roughness of surfaces of the substrates processed according to the invention and roughness of surfaces to be coated of the other substrates were determined for comparison purposes.
  • Three substrates each made of the IN738 alloy were coated in the commercially available “GGT-Oerlikon Metco Kinetics 8000” system with a water-cooled D-24 De-Laval nozzle with IN738 powder with an average diameter of 7.89 pm, the first three Substrates treated according to the invention had surfaces to be coated, the second three substrates had surfaces treated by sandblasting and surfaces to be coated and the third three substrates had polished surfaces to be coated.
  • a pressure of 40 bar nitrogen, a gas temperature of 950 ° C. and a coating distance of 60 mm were chosen as coating parameters. The layer thicknesses thus produced were approximately 400 pm.
  • coated substrates were bonded between two cylinders for adhesive peel tests, so that the substrate was bonded to one of the cylinders and the coating produced to the other cylinder.
  • the coating detached from the substrate.
  • a cylinder always detached from the coated substrate. It was thus found that in the case of the surfaces to be coated treated according to the invention, significantly better adhesion between the coating and the substrate was achieved.
  • FIG. 3 shows a cross section of a component 4 coated according to the invention with a layer 5 on the substrate 6 after the adhesion removal tests have been carried out in the region of a crater-shaped depression 1.
  • FIG. 3 illustrates that the Crater-shaped depressions 1 were completely filled by the cold gas spraying and the adhesive detachment tests carried out could not change anything. No cracks have formed.
  • the invention is not restricted to the exemplary embodiment. For example, it is also possible, alternatively or additionally, to prepare the surface of a component in a different way compared to grinding and polishing, for example by sandblasting or shot peening, in order to subsequently roughen it using a laser.
  • Good adhesion properties can also be achieved in this way, especially in comparison to a surface preparation which only comprises sandblasting, in order to then coat.
  • another thermal coating method can be provided instead of cold gas spraying, in which the coating material is brought to a high speed so as to coat.
  • HVAF High Velocity Air-Fuel
  • the alternatives mentioned relating to sandblasting, shot peening or HVAF are less preferable.
  • the object of the invention can also be achieved by a method for coating a component, in which a surface of the component to be coated is roughened by a laser and the roughened surface is coated with high kinetic energy such as cold gas spraying or HVFA by a thermal spraying method.

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Abstract

Es ist Aufgabe der Erfindung, das Beschichten eines Bauteils (4) weiter zu entwickeln. Die Aufgabe der Erfindung wird durch ein Verfahren für ein Beschichten eines Bauteils (6), gelöst, bei dem eine zu beschichtende Oberfläche des Bauteils (8) durch einen Laser aufgeraut und die aufgeraute Oberfläche durch Kaltgasspritzen beschichtet wird. Die Erfindung betrifft weiter ein nach dem Verfahren hergestelltes Bauteil (8), das mit einer Schicht (5) beschichtet ist.

Description

Verfahren für ein Beschichten eines Bauteils und beschichtetes Bauteil
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren für ein Beschichten eines Bauteils. Die Erfindung betrifft außerdem ein verfahrensgemäß beschichtetes Bauteil.
Es ist aus der Druckschrift DE 10 2015 207 602 A1 bekannt, ein Bauteil durch Kaltgasspritzen zu beschichten. Es ist aus der Druckschrift DE 10 2015 207 602 A1 auch bekannt, zur Verbesserung der Haftung zwischen einem aus Stahl bestehenden Substrat und dem aufzubringenden Beschichtungswerkstoff die zu beschichtende Oberfläche des Substrats durch Sandstrahlen aufzurauen.
Aus der Druckschrift DE 10 2012 217 685 A1 ist bekannt, schräg gestellte Strukturelemente auf einer Oberfläche zu schaffen, um auch schwer zugängliche Regionen eines Bauteils durch Kaltgasspritzen befriedigend beschichten zu können.
Beim Kaltgasspritzen wird eine Oberfläche eines Bauteils durch Abscheidung eines pulverförmigen Beschichtungswerkstoffs beschichtet. Ein aufgeheiztes Gas wie zum Beispiel Stickstoff oder Helium wird auf sehr hohe Geschwindigkeiten beispielsweise durch Expansion in einer Lavadüse in Richtung der zu beschichtenden Oberfläche beschleunigt. Die Geschwindigkeiten liegen oberhalb der Schallgeschwindigkeit und betragen zum Beispiel 500-1000 m / s. Der pulverförmige Beschichtungswerkstoff wird in den beschleunigten Gasstrahl injiziert. Dadurch prallt der pulverförmige Beschichtungswerkstoff mit einer derart hohen Geschwindigkeit auf die zu beschichtende Oberfläche auf, dass sich die Teilchen des Pulvers beim Aufprall plastisch verformen und als Folge an der zu beschichtenden Oberfläche haften. Im Gegensatz zu thermischen Beschichtungsverfahren wie zB Plasmaspritzen, Lichtbogenspritzen, Flammspritzen, werden die Teilchen des Pulvers nicht geschmolzen.
Durch den Aufprall eines Pulverteilchens auf der zu beschichtenden Oberfläche wird eine Scherbelastung erzeugt, die das Material eines Pulverteilchens plastisch verformt. Die dadurch verursachte Scherbelastung führt zu einer adiabatischen Scherinstabilität, wodurch Oberfächenbereiche eines Pulverteilchens auf Temperaturen nahe dem Schmelzpunkt des Beschichtungswerkstoffs gebracht und damit erweicht werden, wodurch Pulverteilchen und Bauteil aneinander gebunden werden. Eine gute Haftung zwischen einem Substrat und dem Beschichtungswerkstoff setzt daher beim Kaltgasspritzen voraus, dass hinreichende Scherinstabilitäten durch den Aufprall erzeugt werden.
Der am 16 Februar 2018 veröffentlichten Druckschrift„Materials Science & Engineering A 720 (2018) 75-84, W. Sun et al , Deposition characteristics of cold sprayed Inconel 718 particles on Inconel 718 Substrates with dinerent surface conditions” ist zu entnehmen, dass eine Rauigkeit einer zu beschichtenden Oberfläche eine adiabatische Scherinstabilität beim Aufprall maßgeblich beeinflusst. Um hinreichende adiabatische Scherinstabilitäten beim Aufprall und damit eine gute Haftung zu erzielen, seien hinreichend glatte Oberflächen erforderlich.
Ein Bauteil kann mit Metallen, Polymeren, Keramiken, Verbundmaterialien und nanokristailinem Pulver durch Kaltgasspritzen beschichtet werden.
Es ist Aufgabe der Erfindung, das Beschichten eines Bauteils weiter zu entwickeln.
Die Aufgabe der Erfindung wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1 gelöst. Ein Nebenanspruch betrifft ein verfahrensgemäß beschichtetes Bauteil. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Die Aufgabe der Erfindung wird durch ein Verfahren für ein Beschichten eines Bauteils, gelöst, bei dem eine zu beschichtende Oberfläche des Bauteils durch einen Laser aufgeraut und die aufgeraute Oberfläche durch ein thermisches Spritzverfahren mit hoher Energie wie zum Beispiel Kaltgasspritzen beschichtet wird. Grundsätzlich wird kraterförmig aufgeraut.
Die Erfinder haben festgestellt, dass eine Kombination der beiden Maßnahmen„Aufrauen mittels Laser“ und „Beschichten durch Kaltgasspritzen“ zu einer besonders stabilen Haftung zwischen Bauteil und Schicht führen. Es hat sich herausgestellt, dass durch ein Aufrauen mittels Laser der Werkstoff des Bauteils an seiner Oberfläche nicht nachteilhaft physikalisch oder chemisch so modifiziert wird, dass dadurch eine Haftung zwischen Bauteil und Schicht verringert wird. Ein Aufrauen mithilfe eines Lasers ist daher vorteilhaft gegenüber einem Aufrauen durch Sandstrahlen. Es hat sich weiter herausgestellt, dass durch das Kaltgasspritzen die physikalische und chemische Beschaffenheit der Oberfläche ebenfalls nicht nachteilhaft verändert wird, so dass durch die Kombination der beiden Maßnahmen eine sehr gute Haftung zwischen dem Bauteil und der Beschichtung erzielt werden kann.
In einer Ausgestaltung der Erfindung wird die zu beschichtende Oberfläche des Bauteils geschliffen und/ oderpoliert, also geglättet, bevor diese mitels Laser aufgeraut wird. Bei dieser Ausgestaltung können vorteilhaft geschliffene und/oder polierte Oberflächenbereiche auch nach einer Bearbeitung durch einen Laser erhalten bleiben, um adiabatische Scherinstabilitäten günstig zu beeinflussen und dadurch weiter verbesserte Haftungseigenschaften zu erzielen.
Das Schleifen kann mit einer Schleifmaschine und das Polieren kann mit einer Poliermaschine durchgeführt werden. Für das Polieren kann eine Polierpaste oder eine Suspension mit jeweils darin enthaltenen Polierkörnern eingesetzt werden. ln einer Ausgestaltung der Erfindung wird die zu beschichtende Oberfläche des Bauteils an vorgegebenen Stellen mittels Laser so belichtet, dass kraterförmige Vertiefungen an den belichteten Stellen entstehen und andere Bereiche der zu beschichtenden Oberfläche auch nach der Herstellung von kraterförmigen Vertiefungen im vorhergehenden Zustand, also insbesondere in einem geschliffenen und/oder polierten und damit geglätteten Zustand verbleiben. Hierdurch kann gezielt das Verhältnis zwischen kraterförmigen Vertiefungen und nicht mittels Laser aufgerauten Bereichen optimiert werden, um besonders gute Hafteigenschaften zu erzielen.
In einer Ausgestaltung der Erfindung wird die zu beschichtende Oberfläche des Bauteils an den vorgegebenen Stellen mehrfach mittels Laser pulsförmig so belichtet, dass kraterförmige Vertiefungen an den belichteten Stellen entstehen, insbesondere um Kratertiefen von wenigsten 1 Cpm oder 20 pm zu erzielen, vorzugsweise um Kratertiefen von wenigstens 30 pm zu erzielen, um die Haftungseigenschaften weiter zu verbessern. Es hat sich herausgestellt, dass zu große Tiefen Haftungseigenschaften wieder verschlechtern. Daher wird die Tiefe einer kraterförmigen Vertiefung vorzugsweise auf 60 pm, besonders bevorzugt auf 50 pm begrenzt.
Damit eine kraterförmige Vertiefung besonders gut zu einer stabilen Haftung beitragen kann, entspricht der Durchmesser der kraterförmigen Vertiefung am oberen Rand in etwa der Tiefe der kraterförmigen Vertiefung. Weist also eine kraterförmige Vertiefung am oberen Rand beispielsweise einen Durchmesser von ca. 40 pm auf, dann ist eine Tiefe von ca. 40 miti zu bevorzugen. Die Tiefe sollte vorzugsweise nicht mehr als 20 % von dem Durchmesser abweichen. Beträgt der Durchmesser also 40 pm, so sollte die Tiefe also wenigstens 32 pm betragen und nicht mehr als 48 pm, um Haftungseigenschaften weiter zu verbessern. Die kraterförmigen Vertiefungen weisen in einer Ausgestaltung am oberen Rand einen Durchmesser von 30 pm bis 50 pm auf und eine Tiefe von 30 pm bis 50 pm.
Vorzugsweise werden zwischen den einzelnen Lichtpulsen zeitliche Abstände so vorgesehen, dass durch Laserlicht geschmolzener Werkstoff erst wieder erstarren kann, bevor die vorgegebene Stelle erneut belichtet wird. Kraterförmige Vertiefungen lassen sich dadurch weiter verbessert optimieren. Die Haftung zwischen dem Bauteil und der Beschichtung lässt sich so weiter verbessern.
Vorzugsweise wird eine jede vorgegebene Stelle wenigstens 3 mal, vorzugsweise wenigstens 5 mal, und/oder nicht mehr als 25 mal, vorzugsweise nicht mehr als 15 mal, durch das Licht des Lasers belichtet, um kraterförmige Vertiefungen in optimierter Weise herzustellen, um so zu besonders guten Haftungseigenschaften zu gelangen.
In einer Ausgestaltung der Erfindung weisen die kraterförmigen Vertiefungen kreisrunde Durchmesser auf. Durch diese Ausgestaltung wird erreicht, dass zwischen kraterförmigen Vertiefungen Bereiche der zu beschichtenden Oberfläche verbleiben, die nicht durch den Laser belichtet und daher nicht aufgeraut worden sind.
In einer Ausgestaltung der Erfindung ragt der obere Rand der kraterförmigen Vertiefungen wulstartig gegenüber Bereichen der zu beschichtenden Oberfläche hervor, die nicht durch das Licht des Lasers belichtet wurden. Der obere Rand ragt insbesondere um wenigstens 5 pm, bevorzugt um wenigstens 10 pm und/oder um nicht mehr ais 20 pm gegenüber Bereichen der zu beschichtenden Oberfläche hervor, die nicht durch das Licht des Lasers belichtet wurden.
In einer Ausgestaltung der Erfindung befindet sich das Bauteil während seiner Bearbeitung in einer Gasatmosphäre aus Edelgas, vorzugsweise Argon, oder aus Stickstoff. Das Bauteil befindet sich dann in einer Ausgestaltung in einem Raum, durch den beispielsweise ein Edelgas oder Stickstoff hindurch geleitet wird, oder aber der gasdicht ist und in den Edelgas oder Stickstoff zuvor eingeleitet wurde. Alternativ oder ergänzend wird ein Schutzgasmantel erzeugt, der den Laserstrahl während der Belichtung umgibt. Ein Schutzgasmantel kann mithilfe von Düsen erzeugt werden, die um das Licht des Lasers herum so angeordnet sind, dass der auf das Bauteil auftreffende Lichtstrahl des Lasers von dem Gas umhüllt wird, das aus den Düsen austritt. Die Haftung zwischen dem Bauteil und der Beschichtung lässt sich so weiter verbessern.
In einer Ausgestaltung der Erfindung stimmt der Beschichtungswerkstoff mit dem Werkstoff der zu beschichtenden Oberfläche überein. Ist der Werkstoff eines Bauteils durch äußere Einflüsse beschädigt worden, so können solche Schäden durch eine erfindungsgemäße Beschichtung mit dem gleichen Werkstoff besonders stabil und zuverlässig behoben werden.
In einer Ausgestaltung der Erfindung grenzen Wulste von kraterförmigen Vertiefungen aneinander an und/oder überschneiden bzw. überlappen sich. Der Durchmesser einer jeden kraterförmigen Vertiefung entspricht dann in etwa dem Abstand zwischen zwei Mitelpunkten von zwei benachbarten kraterförmigen Vertiefungen.
In einer Ausgestaltung der Erfindung sind die vorgegebenen Stellen und damit die kraterförmigen Vertiefungen gemäß einem sich wiederholenden Muster und damit planmäßig angeordnet. Es kann sich dabei beispielsweise um ein Schachbrettmuster handeln. Im Fall eines Schachbrettmusters sind die vorgegebenen Stellen und damit die kraterförmigen Vertiefungen hintereinander und nebeneinander jeweils entlang einer geraden Linie angeordnet. Bei dieser Ausgestaltung sind die Krater also nicht zufällig verteilt angeordnet.
In einer Ausgestaltung der Erfindung wird das Gas während des Kaltgasspritzens auf Temperaturen von 500 °C bis 1200 °C aufgeheizt, um so Haftungseigenschaften zu verbessern. Vorzugsweise wird das zu beschichtende Bauteil nicht darüber hinaus aufgeheizt. Es werden so vorteilhaft thermisch bedingte physikalische und/oder chemische Veränderungen der zu beschichtenden Oberfläche vermieden. Als Gas kann Stickstoff eingesetzt sein.
In einer Ausgestaltung der Erfindung trifft der Laserstrahl unter einem rechten Winkel auf der Oberfläche des Bauteils auf, um so kraterförmige Vertiefungen zu erzeugen. Es ist aber auch möglich, einen von 90° abweichenden Winkel vorzusehen, um die Oberfläche des Bauteils durch Laserlicht geeignet aufzurauen.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Beispielen und Figuren näher erläutert.
Es zeigen:
Figur 1 : Schnittdarstellungen einer erfindungsgemäß entstandenen Oberfläche;
Figur 2: Aufsicht auf zu beschichtende Oberfläche eines Bauteils;
Figur 3: Querschliff eines erfindungsgemäß beschichteten Bauteils.
Es wurden eine Vielzahl von Versuchen durchgeführt, bei denen aus der Legierung 1N738 bestehende Substrate als Bauteile eingesetzt und diese mit einer pulverförmigen Legierung IN738 durch Kaltgasspritzen beschichtet wurden.
Aus der Legierung 1N738 bestehende Substrate, also Bauteile, wurden zunächst geschliffen und danach mit einer 1 pm Diamantsuspension, also mit Diamantkörnern mit einem mittleren Durchmesser von 1 mhti, auf einem weichen Tuch poliert. Nach der Säuberung mit Ethanol im Ultraschallbad wurde ein erster Teil der Substrate in eine Laserbearbeitungsanlage gebracht, die unter der Bezeichnung „Laser Marking Trumpf 5020“ kommerziell erhältlich ist. Diese umfasst einen Nd-YAg Laser mit einer Wellenlänge des Laserlichts von 1064 nm. Der Fokus des Lasers wurde auf 100 pm unterhalb der zu beschichtenden Substratoberfläche eingestellt. Als Atmosphäre wurde Argon während der Belichtung durch den Laser eingesetzt, um nachteilhafte Oxidationen zu vermeiden. Im gepulsten Modus wurde bei voller Leistung, was einer Spitzenleistung von 15 kW entspricht, die zu beschichtende Oberfläche des Substrats bei einer Frequenz von 35 kHz und einer Pulslänge von 120 ns abgetragen. Es wurden so kraterförmige Vertiefungen mit einem Durchmesser von 40 pm an der zu beschichtenden Oberfläche erzeugt. Es wurden Krater hintereinander und nebeneinander, also schachbrettartig, im Abstand von 40 pm hergestellt. Jede einzelne Stelle, an der ein Krater erzeugt werden sollte, wurde insgesamt 12 mal durch das Licht des Lasers belichtet. Eine einzelne Stelle wurde allerdings nicht sofort im Anschluss nach einer Belichtung unmittelbar danach ein nächstes Mal belichtet. Stattdessen wurde zunächst eine jede Stelle ein erstes Mal und danach in gleicher Reihenfolge ein zweites Mal usw. belichtet, bis auf diese Weise sämtliche Stellen zwölfmal belichtet worden sind. Eine jede einzelne Stelle konnte daher nach einer Belichtung abkühlen und wieder erstarren, bevor diese erneut belichtet wurde. Unerwünschte Oxidationen der Oberfläche konnten so verbessert vermieden werden.
Für Vergleichsversuche wurde ein zweiter Teil der Substrate nicht weiter bearbeitet. Die zu beschichtende Oberfläche verblieb also in dem durch Schleifen und Polieren geglätteten Zustand.
Für Vergleichsversuche wurden außerdem die zu beschichtenden Oberflächen von aus der Legierung IN738 bestehenden Substraten durch Sandstrahlen aufgeraut. Auch diese zu beschichtenden Oberflächen wurden zuvor geschliffen und poliert.
Die Figur 1 zeigt zwei Schnittdarstellungen der erfindungsgemäß entstandenen, zu beschichtenden Oberfläche gemäß dem vorgenannten ersten Teil der Substrate, welche mit einem Lasermikroskop ermittelt wurden. Gezeigt wird einerseits eine Schnittdarstellung von belichteten Stellen in xz - Richtung und andererseits in yz - Richtung. Die beiden Schnittdarstellungen verdeutlichen, dass an einer belichteten Stelle eine kraterförmige Vertiefung mit einem Durchmesser von ungefähr 0,4 pm geschaffen wurde. Die Tiefe betrug knapp 0,4 pm.
Die Mittelpunkte der im Wesentlichen kreisrunden, kraterförmigen Vertiefungen wurden gemäß einem Schachbrettmuster regelmäßig auf der polierten Oberfläche des Bauteils mit einem Abstand von 40 pm angeordnet.
Die Figur 2 zeigt eine Aufnahme des Lasermikroskops auf die zu beschichtende Oberfläche eines Bauteils, also eines Substrats. Diese Aufnahme zeigt eine Aufsicht auf die gemäß einem Schachbretmuster erfolgte Verteilung der durch mehrmalige Belichtung entstandenen kraterförmigen Vertiefungen 1. Zwischen sich schräg gegenüberliegenden runden kraterförmigen Vertiefungen 1 gibt es unbelichtete, polierte Bereiche 2. Die Ränder der Krater weisen randseitig ein Erstarrungsmuster 3 aufgrund der Einzelbelichtung auf, die bis zu ca. 15 pm gegenüber den unbelichteten, polierten Bereichen nach oben, also in z-Richtung, vorstehen. Die wulstartigen Erstarrungsmuster 3 bilden obere Ränder der kraterförmigen Vertiefungen 1. Obere Ränder 3 der Krater überlappen sich oder grenzen zumindest aneinander an. Die Tiefe der kraterförmigen Vertiefungen 1 liegt bezogen auf die polierte Grundfläche bei ca. 20 pm. Insgesamt ist so eine Tiefe von etwa 35 pm entstanden. Mit Hilfe eines Laser - Profilometers wurden Rauheiten von Oberflächen der erfindungsgemäß bearbeiteten Substrate sowie Rauheiten von zu beschichtenden Oberflächen der anderen Substrate zu Vergleichszwecken ermittelt. Für erfindungsgemäß bearbeitete Substrate, also Bauteile, mit einer Oberfläche gemäß den Figuren 1 und 2 wurde eine mittlere Rauheit Ra (pm) =7,15 und eine maximale Rautiefe R™c (miti) = 48,85 ermittelt. Für Bauteile mit einer durch Sandstrahlen aufgerauten Oberfläche wurde eine mittlere Rauheit Ra (pm) = 2,31 und eine maximale Rautiefe Rmax (pm) = 19,12 ermittelt. Für Bauteile mit einer polierten Oberfläche wurde eine mittlere Rauheit Ra (pm) = 0,02 und eine maximale Rautiefe Rmax (pm) = 0,44 ermittelt.
Jeweils drei aus der IN738 Legierung bestehende Substrate wurden in der kommerziell erhältlichen Anlage„GGT-Oerlikon Metco Kinetics 8000“ mit einer wassergekühlten D-24 De-Laval Düse mit IN738 Pulver mit einem mittleren Durchmesser von 7,89 pm beschichtet, wobei die ersten drei Substrate erfindungsgemäß behandelte, zu beschichtete Oberflächen aufwiesen, die zweiten drei Substarte durch Sandstrahlen behandelte, zu beschichtende Oberflächen aufwiesen und die dritten drei Substrate polierte, zu beschichtende Oberflächen aufwiesen. Als Beschichtungsparameter wurde ein Druck von 40 bar Stickstoff, eine Gastemperatur von 950°C und ein Beschichtungsabstand von 60 mm gewählt. Die so hergestellten Schichtdicken betrugen ca. 400 pm.
Diese beschichteten Substarte wurden für Haftabzugsversuche zwischen zwei Zylinder geklebt, so dass das Substrat mit einem der Zylinder und die hergestellte Beschichtung mit dem anderen Zylinder verklebt waren. Im Fall der Substrate mit den polierten, zu beschichtenden Oberflächen sowie mit den sandgestrahlten, zu beschichtenden Oberflächen löste sich die Beschichtung von dem Substrat. Im Fall der erfindungsgemäß behandelten, zu beschichtenden Oberflächen löste sich immer ein Zylinder von dem beschichteten Substrat. Es wurde so festgestellt, dass im Fall der erfindungsgemäß behandelten, zu beschichtenden Oberflächen eine deutlich bessere Haftung zwischen der Beschichtung und dem Substrat erzielt wurde.
Die Figur 3 zeigt einen Querschliff eines erfindungsgemäß beschichteten Bauteils 4 mit einer Schicht 5 auf dem Substrat 6 nach Durchführung der Haftabzugsversuche im Bereich einer kraterförmigen Vertiefung 1. Die Figur 3 verdeutlicht, dass die kraterförmigen Vertiefungen 1 durch das Kaltgasspritzen vollständig gefüllt wurden und daran die durchgeführten Haftabzugsversuche nichts ändern konnten. Auch haben sich keine Risse gebildet. Die Erfindung ist nicht auf das Ausführungsbeispiel beschränkt. So ist es beispielsweise auch möglich, die Oberfläche eines Bauteils alternativ oder ergänzend auf andere Weise im Vergleich zu Schleifen und Polieren vorzubereiten, so zum Beispiel durch Sandstrahlen oder Kugelstrahlen, um im Anschluss daran mittels Laser aufzurauen. Auch auf diese Weise lassen sich gute Haftungseigenschaften erzielen und zwar gerade auch im Vergleich zu einer Oberflächenvorbereitung, die nur Sandstrahlen umfasst, um im Anschluss daran zu beschichten. Um zu guten Haftungseigenschaften zu gelangen, kann anstelle von Kaltgasspritzen ein anderes thermisches Beschichtungsverfahren vorgesehen sein, bei dem das Beschichtungsmaterial auf eine hohe Geschwindigkeit gebracht wird, um so zu beschichten. So kann HVAF (High Velocity Air-Fuel) anstelle von Kaltgasspritzen vorgesehen sein, um zu guten Ergebnissen zu gelangen. Die genannten sich auf Sandstrahlen, Kugelstrahlen oder HVAF beziehenden Alternativen sind aber weniger zu bevorzugen. Die Aufgabe der Erfindung kann also auch gelöst werden durch ein Verfahren für ein Beschichten eines Bauteils, bei dem eine zu beschichtende Oberfläche des Bauteils durch einen Laser aufgeraut und die aufgeraute Oberfläche durch ein thermisches Spritzverfahren mit hoher kinetischer Energie wie Kaltgasspritzen oder HVFA beschichtet wird.
Im Vergleich zu Literaturwerten konnte die maximal erreichbare Schichtdicke durch die Erfindung verdreifacht werden.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren für ein Beschichten eines Bauteils (6), dadurch gekennzeichnet, dass eine zu beschichtende Oberfläche des Bauteils (6) durch einen Laser kraterförmig aufgeraut und die aufgeraute Oberfläche durch ein thermisches Spritzverfahren mit hoher kinetischer Energie beschichtet wird.
2. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die zu beschichtende Oberfläche vor dem Aufrauen geschliffen und/oder poliert wird.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zu beschichtende Oberfläche des Bauteils (6) an vorgegebenen Stellen mehrfach mittels Laser pulsförmig so belichtet wird, dass kraterförmige Vertiefungen (1 ) an den vorgegebenen Stellen entstehen.
4. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den einzelnen Lichtpulsen zeitliche Abstände so vorgesehen, dass durch das Licht des Lasers geschmolzener Werkstoff erst wieder erstarren kann, bevor die vorgegebene Stelle erneut durch das Licht des Lasers belichtet wird.
5. Verfahren nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine jede vorgegebene Stelle wenigstens 3 mal und/oder nicht mehr als 25 mal durch das Licht des Lasers belichtet wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch das Aufrauen mittels Laser kraterförmige Vertiefungen (1 ) mit einer Tiefe von wenigsten 10 pm und/oder mit einer Tiefe von nicht mehr als 60 pm erzeugt werden.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch das Aufrauen mitels Laser kraterförmige Vertiefungen (1 ) erzeugt werden, bei denen der Durchmesser der kraterförmigen Vertiefung am oberen Rand (3) in etwa der Tiefe der kraterförmigen Vertiefung (1) entspricht.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die kraterförmigen Vertiefungen am oberen Rand einen Durchmesser von 30 miti bis 50 pm aulweisen und eine Tiefe von 30 pm bis 50 pm.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich das Bauteil (6) während des Aufrauens und/oder während des Beschichtens in einer Gasatmosphäre aus Edelgas, vorzugsweise Argon, oder aus Stickstoff befindet.
10. Verfahren für ein Beschichten eines Bauteils {6) nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, bei dem die aufgeraute Oberfläche durch Kaltgasspritzen oder HVFA beschichtet wird.
1 1. Beschichtetes Bauteil (4) herstellbar durch ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine beschichtete
Oberfläche kraterförmige Vertiefungen (1 ) mit kreisrunden Durchmessern und mit einer Tiefe von wenigsten 20 pm und/oder mit einer Tiefe von nicht mehr als 60 pm aulweist.
12. Beschichtetes Bauteil (4) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der obere Rand (3) einer jeden kraterförmigen Vertiefung (1 ) wulstartig gegenüber benachbarten polierten Bereichen (2) der beschichteten Oberfläche vorsteht und zwar insbesondere um wenigstens 10 pm.
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