DE102010052555A1

DE102010052555A1 - Method for coating components used in gas turbine engine of aircraft, involves providing coating material in form of powder particles that are prepared by performing mechanical grinding process at low temperature

Info

Publication number: DE102010052555A1
Application number: DE201010052555
Authority: DE
Inventors: Dr. Hertter Manuel; Jochen Tewes
Original assignee: MTU Aero Engines GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines AG
Priority date: 2010-11-25
Filing date: 2010-11-25
Publication date: 2012-05-31

Abstract

The method involves providing coating material in form of powder particles (9) for performing the high-speed cold gas spraying process on to-be coated surface of a component (1). The powder particles are welded with each other. An adherent coating (2) is formed at the material on the component surface. The powder particles are prepared by performing mechanical grinding process at low temperature.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNGBACKGROUND OF THE INVENTION

GEBIET DER ERFINDUNGFIELD OF THE INVENTION

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Beschichten von Bauteilen, insbesondere ein Verfahren zum Beschichten von Bauteilen, die in Gasturbinen, insbesondere Flugtriebwerken eingesetzt werden, wobei die Beschichtung durch Kaltgasspritzen erzeugt wird.The invention relates to a method for coating components, in particular a method for coating components that are used in gas turbines, in particular aircraft engines, wherein the coating is produced by cold gas spraying.

STAND DER TECHNIKSTATE OF THE ART

Das sogenannte Kaltgasspritzen oder das kinetische Kaltgaskompaktieren (K3) ist als Beschichtungsverfahren bekannt. Bei diesem Verfahren wird das Beschichtungsmaterial mit hoher Geschwindigkeit, insbesondere mit Geschwindigkeiten im Bereich oberhalb der Schallgeschwindigkeit auf die zu beschichtende Bauteiloberfläche beschleunigt, ohne dass die Pulverpartikel durch eine Temperaturbehandlung aufgeschmolzen werden würden. Stattdessen wird durch die hohe Auftreffgeschwindigkeit der Partikel auf der Bauteiloberfläche oder einer bereits bestehenden Teilbeschichtung erreicht, dass die Partikel durch Kaltverformung untereinander und/oder mit dem Werkstoff des zu beschichtenden Bauteils ineinander fließen bzw. kalt verschweißen, sodass sich eine fest anhaftende und kompakte Beschichtung ergibt.The so-called cold gas spraying or the kinetic cold gas compacting (K3) is known as a coating process. In this method, the coating material is accelerated at high speed, in particular at speeds in the range above the speed of sound on the component surface to be coated, without the powder particles would be melted by a temperature treatment. Instead, it is achieved by the high impact velocity of the particles on the component surface or an existing partial coating that the particles flow into each other or cold welded by cold deformation with each other and / or with the material of the component to be coated, resulting in a firmly adhering and compact coating ,

Die Pulver, die für das Kaltgasspritzen eingesetzt werden, werden durch überwiegend Aufschmelzen des Beschichtungsmaterials und Verdüsen der Schmelze aus dem Beschichtungsmaterial hergestellt. Bei diesem Verfahren kann es zu einer Entmischung der chemischen Komponenten des Werkstoffs kommen, sodass eine inhomogene chemische Zusammensetzung der Beschichtung aufgrund der Entmischung in den Pulverpartikeln entstehen kann. Entsprechende Inhomogenitäten führen jedoch zu einer Veränderung des Eigenschaftsprofils der Beschichtungen und sind von daher nachteilig.The powders used for the cold gas spraying are produced by predominantly melting the coating material and atomizing the melt from the coating material. In this method, it can lead to a separation of the chemical components of the material, so that an inhomogeneous chemical composition of the coating can arise due to the segregation in the powder particles. However, corresponding inhomogeneities lead to a change in the property profile of the coatings and are therefore disadvantageous.

OFFENBARUNG DER ERFINDUNGDISCLOSURE OF THE INVENTION

AUFGABE DER ERFINDUNGOBJECT OF THE INVENTION

Es ist deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung die Nachteile des Standes der Technik zu beseitigen und ein Verfahren zum Beschichten eines Bauteils bereitzustellen, mit welchem eine kompakte und fest anhaftende Beschichtung aus einer Vielzahl unterschiedlicher Materialien auf effektive und kostengünstige Weise hergestellt werden kann.It is therefore an object of the present invention to eliminate the disadvantages of the prior art and to provide a method for coating a component, with which a compact and firmly adhering coating can be made of a variety of different materials in an effective and cost-effective manner.

TECHNISCHE LÖSUNGTECHNICAL SOLUTION

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.This object is achieved by a method having the features of claim 1. Advantageous embodiments are the subject of the dependent claims.

Zur Vermeidung von chemischen Entmischungen bei der Pulverherstellung für das Kaltgasspritzen wird vorgeschlagen, das Pulver durch mechanische Zerkleinerung und/oder mechanisches Mahlen herzustellen. Die mechanische Zerkleinerung kann jedes mechanische Trennverfahren oder dergleichen umfassen, welches aus einem Werkstück eines bestimmten Materials kleinere Einheiten schafft. Insbesondere können zur mechanischen Pulverherstellung Mahlverfahren eingesetzt werden. Im Folgenden wird unter Mahlen somit jede geeignete Form der mechanischen Zerkleinerung bzw. mechanischen Herstellung von Pulverpartikeln aus einem Materialblock oder dergleichen verstanden.In order to avoid chemical segregation during powder production for cold gas spraying, it is proposed to produce the powder by mechanical comminution and / or mechanical grinding. Mechanical comminution may include any mechanical separation process or the like that creates smaller units from a workpiece of a particular material. In particular, grinding processes can be used for mechanical powder production. In the following, grinding means any suitable form of mechanical comminution or mechanical production of powder particles from a material block or the like.

Das Ausgangsmaterial für das anschließende Mahlen kann in jeder geeigneten Art und Weise beispielsweise durch schmelztechnische oder pulvertechnische Herstellung sowie durch thermische, mechanische und/oder thermomechanische Behandlung des Materials hergestellt werden. Durch die mechanische Zerkleinerung bzw. das mechanische Mahlen des Beschichtungsmaterials wird sichergestellt, dass in den Pulverpartikeln dieselbe chemische Zusammensetzung vorliegt, wie im Ausgangsmaterial. Eine chemische Entmischung beim Erstarren aus dem schmelzflüssigen Zustand, wie beim Verdüsen von Pulver, kann somit nicht mehr erfolgen.The starting material for the subsequent grinding can be prepared in any suitable manner, for example by melting or powder technology production as well as by thermal, mechanical and / or thermomechanical treatment of the material. The mechanical comminution or mechanical grinding of the coating material ensures that the same chemical composition is present in the powder particles as in the starting material. A chemical segregation during solidification from the molten state, as in the atomization of powder, thus can not be done.

Das Mahlen kann bei Raumtemperatur oder bei jeder Temperatur unterhalb der Schmelztemperatur des zu mahlenden Materials erfolgen, solange ein Zerbrechen des Materials in entsprechende kleine Partikel und somit eine entsprechend mechanische Zerkleinerung möglich ist. Das Mahlen bei Raumtemperatur oder höheren Temperaturen hat den Vorteil, dass die Partikel nicht kalt verfestigen. Eine Kaltverfestigung der Partikel wirkt sich negativ auf die Verwendung beim Kaltgaskompaktieren aus, da kaltverfestigte Pulverpartikel eine geringere Verformung zeigen und somit das Ineinanderfließen und Kaltverschweißen der Partikel erschwert wird.The grinding can be carried out at room temperature or at any temperature below the melting temperature of the material to be ground, as long as a break of the material into corresponding small particles and thus a corresponding mechanical comminution is possible. Milling at room temperature or higher temperatures has the advantage that the particles do not solidify cold. Cold work hardening of the particles has a negative effect on the use in cold gas compacting, since work hardened powder particles show less deformation and thus make it more difficult for the particles to flow into each other and to cold weld together.

Gleichwohl kann es vorteilhaft sein das Mahlen bei tiefen Temperaturen, insbesondere unter 0°C, vorzugsweise im Bereich der Temperatur des flüssigen Stickstoffs durchzuführen, da die niedrigen Temperaturen ein Zerbrechen bzw. Zerkleinern des Beschichtungsmaterials erleichtern.However, it may be advantageous to carry out the milling at low temperatures, in particular below 0 ° C., preferably in the range of the temperature of the liquid nitrogen, since the low temperatures facilitate a breakage or comminution of the coating material.

Um jedoch eine Kaltverfestigung zu vermeiden, kann bei entsprechend kryo-gemahlenen, also bei niedrigen Temperaturen gemahlenen Materialien ein weiteres Mahlen bei Raumtemperatur oder höheren Temperaturen und/oder eine Wärmebehandlung nachgeschaltet werden. Durch die höheren Behandlungstemperaturen bzw. die Erwärmung der Pulverpartikel kann eine Beseitigung der Kaltverfestigung und insbesondere ein Weichglühen verwirklicht werden, sodass die Pulverpartikel wieder eine entsprechende Verformbarkeit aufweisen und für das Kaltgasspritzen geeignet sind. Insofern können durch eine Kombination von Tiefkühlmahlen (Kryo-Mahlen) und einer nachgeschalteten Wärmebehandlung zwei divergierende Ziele erreicht werden, nämlich einerseits eine einfache mechanische Herstellung des Pulvers und andererseits eine gute Eignung des Pulvers für das kinetische Kaltgaskompaktieren.However, in order to avoid strain hardening, it is possible to use materials which have been cryo-milled in a corresponding manner, ie milled at low temperatures a further grinding at room temperature or higher temperatures and / or a heat treatment to be followed. Due to the higher treatment temperatures or the heating of the powder particles, a removal of the work hardening and in particular a soft annealing can be realized, so that the powder particles again have a corresponding deformability and are suitable for cold gas spraying. In this respect, two divergent goals can be achieved by a combination of deep-freeze milling (cryogenic grinding) and a subsequent heat treatment, on the one hand a simple mechanical production of the powder and on the other hand a good suitability of the powder for the kinetic cold gas compacting.

Das Kryo-Mahlen kann insbesondere bei niedrig schmelzenden Materialien, also bei Materialen mit einer Schmelztemperatur unter 1500°C, insbesondere unter 1000°C durchgeführt werden, da derartige Materialien bei höheren Temperaturen unter Umständen schwierig durch Mahlen zu zerkleinern sind. Darüber hinaus bietet das Kryo-Mahlen bei derartigen Materialien den Vorteil gegenüber Pulverpartikeln, die auf schmelztechnische Art und Weise erzeugt worden sind, dass die Form besser für das kinetische Kaltgaskompaktieren geeignet ist. Niedrig schmelzende Materialien bilden beim Verdüsen oftmals eine Ellipsoide, die für das kinetische Kaltgaskompaktieren nachteilhaft sein können.The cryogenic grinding can be carried out in particular in low-melting materials, ie materials with a melting temperature below 1500 ° C, in particular below 1000 ° C, since such materials at higher temperatures may be difficult to crush by grinding. In addition, cryo-milling of such materials offers the advantage over powder particles produced in a fusible fashion that the mold is better suited for cold gas kinetic compaction. Low melting materials often form ellipsoids upon atomization, which can be detrimental to cold gas kinetic compaction.

Zudem besitzen Pulverpartikel, die durch mechanisches Mahlen hergestellt worden sind, den Vorteil, dass durch die Form der Pulverpartikel der Verformungsgrad gegenüber sphärischen, durch Verdüsen hergestellten Pulverpartikeln größer ist, so dass ein leichteres Ineinanderfließen und/oder Kaltverschweißen möglich ist. Durch die größere Oberfläche der gemahlenen Pulverpartikel kommt es in größeren Bereichen zu Scherinstabilitäten, die ein Kaltverschweißen ermöglichen.In addition, powder particles which have been produced by mechanical grinding have the advantage that due to the shape of the powder particles, the degree of deformation is greater than spherical powder particles produced by atomization, so that easier intermingling and / or cold welding is possible. Due to the larger surface area of the ground powder particles, shear instabilities occur in larger areas, which enable cold welding.

KURZE BESCHREIBUNG DER FIGURBRIEF DESCRIPTION OF THE FIGURE

Die beigefügte Zeichnung zeigt in rein schematischer Weise in der einzigenThe attached drawing shows in a purely schematic way in the single

Figur eine Darstellung einer Kaltgasspritzvorrichtung zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Beschichtung.Figure shows a representation of a cold gas spraying device for producing a coating according to the invention.

AUSFÜHRUNGSBEISPIELEmbodiment

Weitere Vorteile, Kennzeichen und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden bei der nachfolgenden detaillierten Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der beigefügten Figur deutlich.Further advantages, characteristics and features of the present invention will become apparent in the following detailed description of an embodiment with reference to the accompanying figure.

Die 1 zeigt in einer schematischen Darstellung die Abscheidung einer erfindungsgemäßen Beschichtung 2 auf einem Bauteil 1 mittels kinetischen Kaltgasspritzens. Hierzu ist eine Kaltgasspritzvorrichtung 4 vorgesehen, welche eine Gaszufuhr 6 aufweist, über die ein Trägergas zugeführt wird, welches zum Transport der abzuscheidenden Pulverpartikel auf die Oberfläche des Bauteils 1 dient. Das Trägergas 6 wird von einer Gaszuführeinrichtung (nicht gezeigt) mit hohem Druck und hoher Geschwindigkeit in die Kaltgasspritzvorrichtung 4 eingeführt, wo es über eine Düsenanordnung, z. B. eine Laval-Düse 5 mit sehr hoher Geschwindigkeit im Bereich der Schallgeschwindigkeit austritt und in Richtung der zu beschichtenden Oberfläche des Bauteils 1 strömt (Spritzstrahl 8). In der Kaltgasspritzvorrichtung 4 ist zudem eine Pulverzuführung 7 vorgesehen, über die ein zu beschichtender Werkstoff in Form eines Pulvers zugeführt werden kann, so dass er mit dem Trägergas die Kaltgasspritzvorrichtung 4 über die Laval-Düse 5 verlässt und auf dem Bauteil 1 abgeschieden werden kann.The 1 shows a schematic representation of the deposition of a coating according to the invention 2 on a component 1 by kinetic cold gas spraying. For this purpose, a cold gas spraying device 4 provided, which is a gas supply 6 via which a carrier gas is supplied, which for transporting the powder particles to be deposited on the surface of the component 1 serves. The carrier gas 6 is supplied from a gas supply device (not shown) with high pressure and high speed in the cold gas spraying device 4 introduced where it has a nozzle arrangement, for. B. a Laval nozzle 5 emerges at a very high speed in the range of the speed of sound and in the direction of the surface of the component to be coated 1 flows (spray jet 8th ). In the cold gas spraying device 4 is also a powder feeder 7 provided, via which a material to be coated in the form of a powder can be supplied, so that it with the carrier gas, the cold gas spraying device 4 over the Laval nozzle 5 leaves and on the component 1 can be deposited.

Die mit hoher Geschwindigkeit auf das Bauteil 1 beschleunigten Pulverpartikel 9 werden auf dem Bauteil 1 abgeschieden, wobei durch die hohe Auftreffgeschwindigkeit der Partikel beim Kaltgasspritzen eine Verformung der Partikel 9 und/oder der Bauteiloberfläche stattfindet, so dass es zu einem Ineinanderfließen der Werkstoffe und/oder einem Verschweißen der Werkstoffe kommt, so dass eine dichte, gut haftende Schicht 2 auf dem Bauteil 1 ausgebildet wird. Da beim Kaltgasspritzen die verspritzten Pulverpartikel 9 nicht aufgeschmolzen werden, liegen die Partikel in der Schicht 2 in unveränderter Zusammensetzung vor.The high speed on the component 1 accelerated powder particles 9 be on the component 1 deposited, wherein due to the high impact velocity of the particles during cold gas spraying, a deformation of the particles 9 and / or the component surface takes place, so that there is a flow into one another of the materials and / or a welding of the materials, so that a dense, well-adhering layer 2 on the component 1 is trained. Because during cold gas spraying the sprayed powder particles 9 are not melted, the particles are in the layer 2 in unchanged composition.

Da die Pulverpartikel 9, die beim Kaltgasspritzen Verwendung finden, nicht durch Aufschmelzen des entsprechenden Materials und Verdüsen der Schmelze hergestellt worden sind, entspricht die chemische Zusammensetzung der Beschichtung 2 genau dem Ausgangsmaterial, welches zur Herstellung der Pulverpartikel mittels Mahlen eingesetzt worden ist.Because the powder particles 9 , which are used in cold gas spraying, have not been made by melting the corresponding material and atomizing the melt, corresponds to the chemical composition of the coating 2 exactly the starting material which has been used to prepare the powder particles by grinding.

Sofern also die Pulverpartikel 9 aus einer bestimmten Legierung hergestellt worden sind, welche gusstechnisch oder pulvermetallurgisch mit einer bestimmten homogenen chemischen Zusammensetzung hergestellt worden ist, so weist auch die Beschichtung die gleiche homogene chemische Zusammensetzung auf, da bei den Verfahrensschritten Mahlen bzw. vorgeschaltetes Zerkleinern und anschließendes Kaltgasspritzen keine Veränderung der chemischen Zusammensetzung erfolgen kann.So if the powder particles 9 The coating has the same homogeneous chemical composition, since in the process steps grinding or upstream crushing and subsequent cold gas spraying no change in the chemical Composition can be done.

Das Ausgangsmaterial, welches in jeder geeigneten Form, welche ein anschließendes Zerkleinern und Mahlen ermöglicht, vorliegen kann, kann auf unterschiedlichste Art und Weise hergestellt werden, beispielsweise durch Gießen, Sintern, anschließendes Kalt- oder Warmumformen sowie durch nachfolgende Wärmebehandlungen und dergleichen.The starting material, which may be in any suitable form which permits subsequent comminution and grinding, may be produced in a variety of ways, for example by casting, sintering, subsequent cold or hot working, and by subsequent heat treatments and the like.

Neben Legierungspulvern, bei denen die einzelnen Pulverpartikel die chemische Zusammensetzung einer Legierung aufweisen bzw. allgemein aus verschiedenen Elementen gebildet sind, kann das vorliegende Verfahren selbstverständlich auch auf chemisch reine Materialien, wie beispielsweise technisch reine Metalle oder auf Pulvergemische, wie beispielsweise mechanisch legiertes Pulver, angewandt werden.In addition to alloy powders in which the individual powder particles have the chemical composition of an alloy or are generally formed from different elements, the present method can of course be applied to chemically pure materials such as technically pure metals or powder mixtures such as mechanically alloyed powder become.

Auf jeden Fall bietet das erfindungsgemäße Verfahren den Vorteil, dass durch das mechanische Zerkleinern und/oder Mahlen größere Oberflächen bei den einzelnen Pulverpartikeln bezogen auf das Volumen der Partikel und/oder Formen von Oberflächen entstehen, die Bereiche aufweisen, die eine leichte Verformung oder ein leichtes Ineinanderfließen der Materialien ermöglichen, sodass durch entsprechend gemahlene Partikel eine verbesserte Haftfestigkeit der Beschichtung an dem Bauteil und eine verbesserte Verbindung der Partikel in der Beschichtung ermöglicht wird. Gegenüber sphärischen Partikeln, wie sie beispielsweise beim Verdüsen von Schmelzen entstehen können, weisen somit gemahlene Pulverpartikel 9 den Vorteil eines zumindest örtlich höheren Verformungsgrades auf, welcher das Kaltverschweißen der aufgespritzten Partikel und somit deren Anbindung verbessert.In any case, the method according to the invention has the advantage that, due to the mechanical grinding and / or grinding, larger surfaces are formed in the individual powder particles relative to the volume of the particles and / or shapes of surfaces having areas that exhibit slight deformation or a slight deformation Allow the materials to flow into each other so that appropriately sized particles enable improved adhesion of the coating to the component and improved bonding of the particles in the coating. Compared to spherical particles, such as those that may be produced during the atomization of melts, therefore, have ground powder particles 9 the advantage of at least locally higher degree of deformation, which improves the cold welding of the sprayed particles and thus their connection.

Obwohl die vorliegende Erfindung anhand des Ausführungsbeispiels detailliert beschrieben worden ist, ist selbstverständlich, dass die Erfindung nicht auf das Ausführungsbeispiel beschränkt ist, sondern dass vielmehr Abweichungen in der Weise möglich sind, dass einzelne Merkmale weggelassen werden oder andersartige Kombinationen von Merkmalen verwirklicht werden, solange der Schutzbereich der beigefügten Ansprüche nicht verlassen wird. Die Erfindung umfasst insbesondere sämtliche Kombinationen aller vorgestellter Einzelmerkmale.Although the present invention has been described in detail with reference to the embodiment, it is to be understood that the invention is not limited to the embodiment, but rather deviations are possible in the manner that individual features are omitted or other combinations of features are realized, as long as The scope of the appended claims will not be abandoned. In particular, the invention encompasses all combinations of all presented individual features.

Claims

Verfahren zum Beschichten von Bauteilen, bei welchem das Beschichtungsmaterial in Form von Pulverpartikeln (9) durch Kaltgasspritzen mit hoher Geschwindigkeit auf die zu beschichtende Bauteiloberfläche eines. Bauteils (1) auftrifft, um durch ein Ineinanderfließen und/oder Verschweißen der Pulverpartikel (9) untereinander und/oder mit dem Werkstoff an der Bauteiloberfläche eine fest haftende Beschichtung (2) zu bilden, dadurch gekennzeichnet, dass das Pulver durch Mahlen hergestellt wird.Process for coating components, in which the coating material is in the form of powder particles ( 9 ) by cold gas spraying at high speed on the component surface to be coated. Component ( 1 ) in order to prevent the powder particles from flowing into one another and / or welding ( 9 ) with one another and / or with the material on the component surface, a firmly adhering coating ( 2 ), characterized in that the powder is produced by grinding.

Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kaltgasspritzen bei Temperaturen unterhalb der Schmelztemperatur der Legierung des Pulvers durchgeführt wird.A method according to claim 1, characterized in that the cold gas spraying is carried out at temperatures below the melting temperature of the alloy of the powder.

Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Mahlen zumindest teilweise bei Raumtemperatur und/oder teilweise bei Temperaturen unterhalb von 0°C, insbesondere im Bereich der Temperatur des flüssigen Stickstoffs durchgeführt wird.A method according to claim 1 or 2, characterized in that the grinding is carried out at least partially at room temperature and / or partially at temperatures below 0 ° C, in particular in the range of the temperature of the liquid nitrogen.

Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Mahlen bei Temperaturen unter 0°C bei niedrig schmelzenden Materialien, insbesondere solchen mit einer Schmelztemperatur unter 1500°C, insbesondere unter 1000°C durchgeführt wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the grinding is carried out at temperatures below 0 ° C in low-melting materials, in particular those having a melting temperature below 1500 ° C, in particular below 1000 ° C.

Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Mahlen eine Wärmebehandlung durchgeführt wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that after the grinding, a heat treatment is carried out.

Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmebehandlung ein Weichglühen des Pulvers ist.A method according to claim 4, characterized in that the heat treatment is a soft annealing of the powder.