DE102011085143A1

DE102011085143A1 - K3-Beschichtungsverfahren zur Bildung gut haftender und rissfester Beschichtungen sowie entsprechend beschichtendes Bauteil

Info

Publication number: DE102011085143A1
Application number: DE102011085143A
Authority: DE
Inventors: Joachim Bamberg; Roland Hessert; Manuel Hertter
Original assignee: MTU Aero Engines GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines AG
Priority date: 2011-10-25
Filing date: 2011-10-25
Publication date: 2013-04-25
Also published as: GB201219072D0; GB2496041A; GB2496041B; US9512512B2; US20130230723A1; GB2496041A8

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beschichtung eines Bauteils, insbesondere eines Bauteils einer Gasturbine oder eines Flugtriebwerks, bei welchem die Beschichtung (3) durch kinetisches Kaltgasspritzen auf dem Bauteil (1) aufgebracht wird, wobei vor der Abscheidung der Beschichtung die zu beschichtende Oberfläche des Bauteils durch Verfestigungsstrahlen mit Strahlmitteln gereinigt und verdichtet wird. Außerdem betrifft die Erfindung ein entsprechend hergestelltes Bauteil.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beschichtung eines Bauteils, insbesondere eines Bauteils einer Gasturbine oder eines Flugtriebwerks, bei welchem die Beschichtungen durch kinetisches Kaltgasspritzen (K3-Beschichten) auf dem Bauteil aufgebracht werden. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein entsprechend beschichtendes Bauteil.
STAND DER TECHNIK
In vielen Bereichen der Technik ist es erforderlich auf Bauteilen Beschichtungen vorzusehen, um das Bauteil vor Umgebungseinflüssen zu schützen. Insbesondere in Umgebungen mit hohen Temperaturen oder aggressiven Medien, wie beispielsweise bei Gasturbinen oder Flugtriebwerken müssen Bauteile mit Verschleißschutzschichten, Panzerungen, Oxidationsschutzschichten und dergleichen geschützt werden. Allerdings ergeben sich vielfältige Aufgaben und Gesichtspunkte bei der Herstellung von Beschichtungen, da viele Faktoren zu berücksichtigen sind, die sich gegenseitig beeinflussen. So muss beispielsweise das Beschichtungsverfahren für das Bauteil bzw. den Werkstoff, aus dem das Bauteil gebildet ist, geeignet sein und der Werkstoffverbund muss bei den Einsatzbedingungen zuverlässig zusammenwirken.
Zwei Aspekte, die bei Beschichtungen für Komponenten von Flugtriebwerken oder Gasturbinen hohe Aufmerksamkeit erfordern, betreffen die Haftfestigkeit der Beschichtung auf dem Bauteil sowie die Vermeidung von Risswachstum aus der Beschichtung in das Bauteil hinein. Bei mangelnder Haftung kommt es zum Abplatzen der Beschichtung, sodass die Bauteillebensdauer niedrig ist, und bei einem Rissfortschritt von Rissen aus der Beschichtung in das Bauteil hinein ist die Festigkeit des Bauteils und somit die Sicherheit des Flugtriebwerks oder der Gasturbine gefährdet. Entsprechend bedürfen diese Aspekte besonderer Aufmerksamkeit und ständiger Verbesserung.
Ein Verfahren, welches zur Beschichtung von Komponenten von Gasturbinen oder Flugtriebwerken eingesetzt wird, ist das sogenannte Kaltgasspritzen oder kinetische Kaltgasspritzen, auch K3-Verfahren genannt (kinetisches Kaltgas-Kompaktieren). Bei diesem Verfahren wird der Beschichtungsstoff in Form von Partikeln mit hoher Geschwindigkeit auf das zu beschichtende Bauteil beschleunigt, um dort abgeschieden zu werden. Da das abzuscheidende Material nicht auf Schmelztemperatur erwärmt wird, wie beim thermischen Spritzen oder Flammspritzen, sondern bei niedrigeren Temperaturen betrieben wird, wird es als Kaltgasspritzen bezeichnet. Beispielsweise ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Kaltgasspritzen in der WO 2010/003396 A1 beschrieben.
Die DE 10 2009 018 685 A1 betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Panzerung einer Schaufelspitze sowie entsprechend hergestellte Schaufeln und Gasturbinen, wobei die Panzerung ebenfalls durch kinetisches Kaltgasspritzen aufgebracht werden kann. Zur Vermeidung von Risswachstum aus der Panzerung in das beschichtende Bauteil hinein wird gemäß der DE 10 2009 018 685 A1 vorgeschlagen, eine poröse Schicht unterhalb der Panzerung vorzusehen, um an den Poren das Risswachstum zu stoppen und damit den Rissfortschritt in den Grundwerkstoff zu vermeiden. Obwohl damit bereits eine Lösung zur Vermeidung von Risswachstum aus Beschichtungen, die durch Kaltgasspritzen hergestellt worden sind, gegeben ist, besteht weiterhin Bedarf Verbesserungen bei Beschichtungen, die durch kinetisches Kaltgasspritzen hergestellt werden, insbesondere hinsichtlich der Verbesserung der Haftfestigkeit und der Vermeidung des Rissfortschritts aus der Beschichtung in das Bauteil, zu erzielen.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
AUFGABE DER ERFINDUNG
Es ist deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Beschichten eines Bauteils, insbesondere eines Bauteils einer Gasturbine oder eines Flugtriebwerks bereitzustellen, bei welchem die Haftung der Beschichtung, die durch kinetisches Kaltgasspritzen aufgebracht wird, verbessert wird und ein möglicher Rissfortschritt aus der Beschichtung in das Bauteil vermieden wird oder zumindest verlangsamt wird. Zugleich soll das Beschichtungsverfahren einfach und zuverlässig durchführbar sein.
TECHNISCHE LÖSUNG
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie ein Bauteil mit den Merkmalen des Anspruchs 9. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die vorliegende Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass bei Beschichtungen, die durch kinetisches Kaltgasspritzen hergestellt werden, eine Verbesserung der Haftfestigkeit und eine Verminderung des Rissfortschritts bzw. Risswachstums aus der Beschichtung in das Bauteil dadurch erzielt werden können, wenn eine Vorbehandlung der zu beschichtenden Oberfläche des Bauteils vorgenommen wird, bei welcher durch Auftreffen von Strahlmitteln auf die Oberfläche des zu beschichtenden Bauteils diese gereinigt und verdichtet wird. Entsprechend wird die Vorbehandlung als Verfestigungsstrahlen bezeichnet, da damit die Bauteiloberfläche verfestigt wird. Gleichzeitig wird jedoch auch eine Reinigung erzielt, da anhaftender Schmutz und/oder dünne Oxidschichten, die sich insbesondere auf metallischen Bauteilen ausbilden, beseitigt werden.
Das Verfestigungsstrahlen kann nach einer Ausgestaltung insbesondere zwei oder mehrstufig folgen, wobei in den verschiedenen Stufen die Strahlgeschwindigkeit der Strahlmittel verändert wird. Eine entsprechende Veränderung der Strahlgeschwindigkeit kann auch kontinuierlich erfolgen.
Die Veränderung der Strahlgeschwindigkeit kann mit zunehmender Behandlungsdauer in der Weise erfolgen, dass die Strahlgeschwindigkeit der Strahlmittel erhöht wird, also die Strahlgeschwindigkeit in der ersten Stufe geringer ist als in der zweiten Stufe oder bei einer kontinuierlichen Veränderung der Strahlgeschwindigkeit am Ende des Verfestigungsstrahlens höher ist als zu Beginn des Verfestigungsstrahlens.
Da das Verfestigungsstrahlen lediglich eine Kompaktierung der Oberfläche und/oder Reinigung der Oberfläche bewirken soll aber keine Einlagerung der für das Verfestigungsstrahlen verwendeten Strahlmittel erfolgen soll, kann durch die Steigerung der Strahlgeschwindigkeit der Strahlmittel mit der Behandlungsdauer eine hohe Verfestigung des Oberflächenbereichs des zu beschichtenden Bauteils bewirkt werden, ohne dass Strahlmittel in die Oberfläche eingelagert werden.
Während des Verfestigungsstrahlens kann die Strahlgeschwindigkeit der Strahlmittel immer so niedrig gehalten werden, dass keine wesentliche Anhaftung der Strahlmittel während des Verfestigungsstrahlens an der Oberfläche des zu beschichtenden Bauteils auftritt. Insbesondere kann die Strahlgeschwindigkeit der Strahlmittel zu Beginn des Verfestigungsstrahlens unterhalb der Schallgeschwindigkeit gehalten werden, während zum Ende des Verfestigungsstrahlens die Strahlgeschwindigkeit oberhalb der Schallgeschwindigkeit eingestellt werden kann.
Die durch das Verfestigungsstrahlen gebildete Verfestigungsschicht bewirkt, dass Risse, die sich in der Beschichtung gebildet haben, nicht in einfacher Weise in das Bauteil weiter wachsen können, sondern an der Grenzfläche zum Bauteil gestoppt werden. Die Behandlung der Oberfläche mit den Strahlmitteln bewirkt weiterhin, dass störende Oxidschichten entfernt werden, sodass auch die Haftfestigkeit der Beschichtung erhöht wird.
Vor dem Verfestigungsstrahlen kann zusätzlich ein Reinigungsstrahlen zur Reinigung der zu beschichtenden Oberfläche durchgeführt werden, wobei hier die Strahlgeschwindigkeit der Strahlmittel so niedrig eingestellt werden kann, dass im Wesentlichen keine Verfestigung des Oberflächenbereichs des zu beschichtenden Bauteils erfolgt, sondern lediglich eine Reinigung stattfindet.
Sämtliche Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens können mit ein und derselben Vorrichtung durchgeführt werden. So kann mit einer Vorrichtung zum kinetischen Kaltgasspritzen sowohl das Reinigungsstrahlen als auch das Verfestigungsstrahlen und die Abscheidung der Beschichtung selbst vorgenommen werden. Hier sind lediglich die Strahlmittel zu wechseln, da für das Reinigungsstrahlen und/oder Verfestigungsstrahlen reaktionsträge Partikel verwendet werden, während bei der Abscheidung der Beschichtung der Beschichtungswerkstoff als Strahlmittel eingesetzt wird.
Für das Reinigungsstrahlen und/oder Verfestigungsstrahlen können spröde und reaktionsträge Materialien wie keramische Stoffe, Sand, Glasperlen, insbesondere Wolframkarbidpartikel oder dergleichen eingesetzt werden. Auch die Verwendung von Eisperlen ist möglich.
Ein entsprechend beschichtetes Bauteil zeichnet sich dadurch aus, dass unterhalb der durch kinetisches Kaltgasspritzen aufgebrachten Beschichtung eine Verdichtungs- bzw. Verfestigungsschicht vorliegt, in der Druckeigenspannungen eingebracht sind, die Risswachstum bzw. Rissfortschritt verhindern bzw. vermindern. Die Verfestigungsschicht ist hierbei dadurch gekennzeichnet, dass diese Schicht überwiegend aus dem Grundwerkstoff des zu beschichtenden Bauteils besteht, da die Kompaktierung nicht während der Abscheidung der Beschichtung erfolgt, sondern bereits vorher. Insbesondere kann die Verfestigungsschicht zumindest teilweise, insbesondere jedoch zum überwiegenden Teil im Wesentlichen frei von Beschichtungsmaterial sein, insbesondere an der zum Bauteilinneren gerichteten Seite der Verfestigungsschicht.
KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
Die beigefügten Zeichnungen zeigen in rein schematischer Weise in
1 eine Darstellung einer Kaltgasspritzvorrichtung, mit welcher Strahlmittel zum erfindungsgemäßen Verdichten der Bauteiloberfläche auf das Bauteil beschleunigt werden;
2 eine Schnittansicht durch ein Bauteil nach dem Verfestigungsschritt;
3 eine Darstellung der Kaltgasspritzvorrichtung aus 1 beim Beschichten des Bauteils mit Verfestigungsschicht;
4 eine Querschnittsansicht durch ein fertig beschichtetes Bauteil.
AUSFÜHRUNGSBEISPIEL
Weitere Vorteile, Kennzeichen und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden bei der nachfolgenden detaillierten Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der beigefügten Zeichnungen deutlich. Allerdings ist für den Fachmann selbstverständlich, dass die Erfindung nicht auf dieses Ausführungsbeispiel beschränkt ist.
Die 1 zeigt in einer rein schematischen Darstellung einen Teil einer Kaltgasspritzvorrichtung 4, wobei im Wesentlichen eine sogenannte Lavalldüse 5 gezeigt ist, durch welche ein Strahlmittelstrahl 8 bestehend aus einem Trägergas und darin transportierten Strahlmitteln 9 auf das zu beschichtende Bauteil 1 geleitet wird. Das Trägergas wird über die Gaszufuhr 6 zur Lavalldüse 5 zugeführt, während die Strahlmittel 9 über eine Strahlmittelzufuhr 7 in die Lavalldüse 5 geleitet werden.
Bei dem in 1 gezeigten ersten Schritt des erfindungsgemäßen Beschichtungsverfahrens wird die zu beschichtende Oberfläche des Bauteils 1 zunächst von anhaftenden Schmutz und/oder einer anhaftenden Oxidschicht gereinigt. Dazu werden reaktionsträge Partikel 9, die vorzugsweise auch besonders spröde sind, auf die zu beschichtende Bauteiloberfläche gestrahlt, wobei die Strahlgeschwindigkeit so gewählt wird, dass keine Einlagerung der Partikel 9 in die Oberfläche des zu beschichtenden Bauteils 1 erfolgt, sondern lediglich anhaftender Schmutz oder eine bestehende Oxidschicht abrasiv abgetragen werden. Auch eine Verfestigung bzw. Kompaktierung der Oberflächenschicht des zu beschichtenden Bauteils 1 findet in diesem Stadium des Verfahrens nicht notwendiger Weise statt. Entsprechend ist die Strahlgeschwindigkeit der Strahlmittel, also die Geschwindigkeit mit der die Partikel 9 auf das Bauteil 1 bewegt werden, im Vergleich zu nachfolgenden Verfahrensschritten vergleichsweise gering.
Als Stahlmittel für den Reinigungsschritt kommen insbesondere Wolframkarbidpartikel oder allgemein keramische Partikel in Frage. Daneben ist es auch möglich Eispartikel zu verwenden. Diese können beispielsweise durch Wassereinleitung über die Strahlmittelzufuhr 7 in die Lavalldüse 5 erzeugt werden, wenn durch entsprechende adiabatische oder quasi-adiabatische Expansion eine Kühlung des eingeleiteten Wassers unter den Gefrierpunkt erfolgt.
Dieselben Strahlmittel können vorzugsweise auch beim nachfolgenden Schritt des Beschichtungsverfahrens, nämlich dem Verfestigungsschritt eingesetzt werden. Allerdings wird hier die Strahlgeschwindigkeit der Strahlmittel so gewählt, dass eine Kompaktierung des oberflächennahen Bereichs des zu beschichtenden Bauteils erfolgt. Trotzdem wird auch hier die Geschwindigkeit der Strahlmittel so gewählt, dass keine An- oder Einlagerung der Strahlmittel 9 in das Bauteil 1 erfolgt.
Mit zunehmender Verfestigung kann die Strahlmittelgeschwindigkeit kontinuierlich oder stufenweise weiter erhöht werden, um eine zunehmende Verfestigung des oberflächennahen Bereichs des Bauteils 1 und somit eine Verfestigungsschicht 2 zu erzeugen (siehe 2). Insbesondere kann die Strahlmittelgeschwindigkeit zum Ende des Verfestigungsstrahlens auf Überschallgeschwindigkeit eingestellt werden, um eine deutliche Verfestigung zu erreichen, wobei selbstverständlich beim Verfestigungsstrahlen ebenfalls eine Reinigung der Oberfläche, insbesondere Entfernung von Oxidschichten erfolgt.
Nach der Reinigung und/oder Verfestigung der Oberfläche des zu beschichtenden Bauteils 1 wird mit derselben Kaltgasspritzvorrichtung 4 die Beschichtung vorgenommen, wobei nunmehr anstelle der Partikel 9 zur Reinigung und/oder Verfestigung der Bauteiloberfläche Beschichtungspartikel 10 auf das Bauteil 1 mit der Verfestigungsschicht 2 gestrahlt werden. Durch die Verwendung ein und derselben Kaltgasspritzvorrichtung 4 für die Reinigung, Verfestigung der Oberfläche und Beschichtung kann der Übergang von dem Verfestigungsschritt zur Abscheidung der Beschichtung kontinuierlich erfolgen, sodass sich unmittelbar an die Reinigung und/oder Verfestigung die Beschichtung anschließen kann. Beispielsweise kann über die Strahlmittelzufuhr 7 unmittelbar von den Strahlmitteln, die zur Reinigung und/oder Verfestigung genutzt werden, auf Beschichtungspartikel 10 umgestellt werden.
Die Beschichtungspartikel 10 können beispielsweise duktiler sein, sodass beim Auftreffen auf dem Bauteil 1 eine plastische Verformung erfolgt, sodass der Beschichtungswerkstoff mit dem Grundwerkstoff des Bauteils 1 bzw. die Beschichtungspartikel 10 untereinander verformt werden und ineinander fließen und dadurch einen kompakten und stabilen Verbund bilden. Dadurch kann eine Beschichtung 3 auf der Verfestigungsschicht 2, die im vorangegangenen Verfahrensschritt gebildet worden ist, aufgebaut werden. Auf Grund der Tatsache, dass die Oberfläche des zu beschichtenden Bauteils 1 durch die Vorbehandlung sehr sauber ist und insbesondere keine nachteiligen Oxidschichten oder dergleichen aufweist, kann die Haftfestigkei der Beschichtung 3 auf dem Bauteil 1 trotz der Verfestigungsschicht 2 beibehalten und sogar verbessert werden. Darüber hinaus ermöglicht jedoch die Verfestigungsschicht 2, die, wie in 4 zu sehen ist, unterhalb der Beschichtung 3 angeordnet ist, dass das Risswachstum von Rissen, die in der Beschichtung 3 entstehen können, gestoppt wird.
In der 4 sind nur besseren Unterscheidung von Verfestigungsschicht 2 und Beschichtung 3 rein schematisch einige wenige Beschichtungspartikel 10 in der Beschichtung 3 gezeigt.
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand des Ausführungsbeispiels detailliert beschrieben worden ist, ist für den Fachmann selbstverständlich, dass die Erfindung nicht auf dieses Ausführungsbeispiel beschränkt ist, sondern Abwandlungen in der Weise umfassen kann, dass einzelne Merkmale weggelassen oder andersartige Kombinationen von Merkmalen vorgenommen werden können, solange der Schutzbereich der beigefügten Ansprüche nicht verlassen wird. Insbesondere umfasst die Offenbarung der vorliegenden Erfindung sämtliche Kombinationen sämtlicher vorgestellter Einzelmerkmale.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 2010/003396 A1 [0004]
DE 102009018685 A1 [0005, 0005]

Claims

Verfahren zur Beschichtung eines Bauteils (1), insbesondere eines Bauteils einer Gasturbine oder eines Flugtriebwerks, bei welchem die Beschichtung durch kinetisches Kaltgasspritzen auf dem Bauteil aufgebracht wird, dadurch gekennzeichnet, dass vor der Abscheidung der Beschichtung (3) die zu beschichtende Oberfläche des Bauteils durch Verfestigungstrahlen mit Strahlmitteln gereinigt und verdichtet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfestigungsstrahlen der zu beschichtenden Oberfläche des Bauteils (1) mindestens zweistufig erfolgt, wobei die Strahlgeschwindigkeit der Strahlmittel in der ersten Stufe geringer als in der zweiten Stufe ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfestigungsstrahlen mehrstufig mit unterschiedlichen Strahlgeschwindigkeiten der Strahlmittel (9) oder mit kontinuierlicher Veränderung der Strahlgeschwindigkeit der Strahlmittel erfolgt, wobei die Strahlgeschwindigkeit der Strahlmittel mit zunehmender Zeit des Verfestigungsstrahlens zunimmt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlgeschwindigkeit der Strahlmittel (9) immer so niedrig gehalten wird, dass keine wesentliche Anhaftung der Strahlmittel an das zu beschichtende Bauteil während des Verfestigungsstrahlens auftritt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlgeschwindigkeit der Strahlmittel (9) zu Beginn des Verfestigungsstrahlens unterhalb der Schallgeschwindigkeit gehalten wird und/oder zum Ende des Verfestigungsstrahlens oberhalb der Schallgeschwindigkeit eingestellt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Verfestigungsstrahlen zur Reinigung der zu beschichtenden Oberfläche ein Reinigungsstrahlen mit Strahlmitteln erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Reinigungsstrahlen zur Reinigung der zu beschichtenden Oberfläche und/oder das Verfestigungsstrahlen und/oder die Abscheidung der Beschichtung durch kinetisches Kaltgasspritzen in derselben Vorrichtung erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für ein Reinigungsstrahlen zur Reinigung der zu beschichtenden Oberfläche und/oder für das Verfestigungsstrahlen spröde und reaktionsträge Materialien, wie keramische Stoffe, Sand, Glasperlen, insbesondere Wolframkarbid-Partikel oder Eisperlen verwendet werden.
Beschichtetes Bauteil, insbesondere einer Gasturbine oder eines Flugtriebwerks, vorzugsweise hergestellt nach einem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welches eine durch kinetisches Kaltgasspritzens auf dem Bauteil aufgebrachte Beschichtung (3) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass unterhalb der Beschichtung eine Verfestigungsschicht (2) mit Druckeigenspannungen aus überwiegend dem an der beschichteten Oberfläche des Bauteils vorliegenden Grundwerkstoff angeordnet ist.
Bauteil nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Verfestigungsschicht (2) zumindest teilweise im Wesentlichen frei von Beschichtungsmaterial ist.