-
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 Kaltgasspritzen auf dem Bauteil aufgebracht werden. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung eine entsprechende Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
-
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 und dauerhaft zusammenwirken.
-
Ein Aspekt, der bei Beschichtungen allgemein, aber insbesondere auch für Komponenten von Flugtriebwerken oder Gasturbinen eine hohe Bedeutung aufweist, betrifft die Haftfestigkeit der Beschichtung auf dem Bauteil. Bei mangelnder Haftung kommt es zum Abplatzen der Beschichtung, sodass die Bauteillebensdauer niedrig ist. Entsprechend bedarf dieser Aspekt 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 aufgebracht wird, wird es als Kaltgasspritzen bezeichnet. Beispielsweise ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Kaltgasspritzen in der
WO 2010/003396 A1 beschrieben. Die Haftung des Beschichtungsstoffes auf dem Bauteil und innerhalb der Beschichtung wird durch die plastische Verformung der auftreffenden Partikel auf Grund ihrer hohen kinetischen Energie erzielt. Die Partikel verformen sich mit dem Grundwerkstoff des zu beschichtenden Bauteils und untereinander und fließen ineinander, um sich fest zu verbinden.
-
Aus der Druckschrift
DE 39 07 625 C1 ist die Vorbehandlung mittels Plasma für ein sich anschließendes Plasmaspritzen bekannt.
-
Die Druckschrift
EP 1 903 126 A1 beschreibt eine Behandlung eines Bauteils vor dem Kaltgasspritzen, wobei das zu beschichtende Bauteil vor dem Spritzen unter anderem mit einem Plasmastrahl behandelt (aufgeheizt) wird.
-
Darüber hinaus sind Kaltgeräte aus der Druckschrift
WO 2007/124 910 A2 bekannt, die für die Vorbehandlung von zu beschichtenden Oberflächen geeignet sind.
-
Zur Verbesserung der Haftfestigkeit von Kaltgas gespritzten Beschichtungen ist es bekannt, die Oberfläche in der Weise vorzubehandeln, dass die Oberfläche mit Aluminiumoxid oder Korund gestrahlt wird, um so Verunreinigungen und Oxidschichten, die sich auf der Oberfläche des zu beschichtenden Bauteils gebildet haben, zu entfernen und die Verbindung des Beschichtungswerkstoffs mit dem Grundwerkstoff des zu beschichtenden Bauteils zu ermöglichen. Allerdings ist die Behandlung mit Strahlmitteln insbesondere bei kerbempfindlichen Legierungen, wie beispielsweise Titanlegierungen, in der Hinsicht problematisch, dass die Strahlmittel in die Oberfläche eingebracht werden können und insbesondere bei dynamischen Belastungen als Ausgangspunkt für Schädigungen dienen können, die zu einer erheblichen Verringerung der Lebensdauer des Bauteils führen können.
-
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
-
AUFGABE DER ERFINDUNG
-
Es ist deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Beschichtung eines Bauteils durch Kaltgasspritzen bereitzustellen, bei welchem die Haftfestigkeit verbessert wird ohne die negativen Einflüsse des Standes der Technik aufzuweisen. Insbesondere soll das Verfahren einfach und zuverlässig durchführbar sein und die Beibehaltung der Eigenschaften des beschichteten Bauteils ermöglichen.
-
TECHNISCHE LÖSUNG
-
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie eine Kaltgasspritzvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 8. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
-
Der vorliegenden Erfindung liegt die Idee zugrunde, dass eine besonders wirkungsvolle Vorbehandlung der Oberfläche des zu beschichtenden Bauteils für die nachfolgende Beschichtung durch Kaltgasspritzen ohne zusätzliche Beeinträchtigungen des Werkstoffs des zu beschichtenden Bauteils mit einer Plasmabehandlung möglich ist, die kaltes Plasma verwendet. Im Gegensatz zu heißem Plasma, bei welchem die freien Elektronen und Ionen des Plasmagases durch die hohe Temperatur erzielt werden, wird bei der Herstellung von kaltem Plasma eine gezielte Anregung der Elektronen durchgeführt, die in starke Schwingungen versetzt werden, wobei die Ionen eine deutlich geringere Anregung erfahren. Aufgrund der unterschiedlichen Anregung von Ionen und Elektronen ergibt sich insgesamt, dass die Temperatur des Plasmagases niedrig gehalten werden kann, beispielsweise in einem Bereich knapp oberhalb der Raumtemperatur. Damit wird erreicht, dass keine Beeinträchtigung des Werkstoffs des zu beschichtenden Bauteils durch eine Temperaturbelastung entsteht und zudem wird durch die niedrige Temperatur des Plasmas erreicht, dass keine zusätzlichen Oxidschichten gebildet werden. Stattdessen kann mit dem kalten Plasma eine Reinigung der zu beschichtenden Oberfläche von Anhaftungen, wie beispielsweise eine Reinigung von organischen Substanzen erzielt werden. Darüber hinaus können auch dünne Oxidschichten abgelöst oder aufgebrochen werden oder bei Verwendung eines geeigneten Plasmagases entsprechend reduziert werden. Damit kann eine Oberfläche an dem zu beschichtenden Bauteil geschaffen werden, die es den auftreffenden Werkstoffpartikeln beim Kaltgasspritzen ermöglicht eine innige Verbindung mit dem Werkstoff des zu beschichtenden Bauteils einzugehen.
-
Die Plasmabehandlung kann unmittelbar vor der Abscheidung der Beschichtung erfolgen, insbesondere innerhalb von Zeitspannen von weniger als einer Minute, vorzugsweise weniger als fünf Sekunden, insbesondere weniger als einer Sekunde vor der Abscheidung der Beschichtung, um zu vermeiden, dass sich nach der Vorbehandlung der zu beschichtenden Oberfläche wieder Verunreinigungen abscheiden oder Oxidschichten bilden. Insbesondere kann die Plasmabehandlung lokal begrenzt in einem Teilbereich der zu beschichtenden Oberfläche erfolgen, und zwar abgestimmt auf den Strahldurchmesser des Beschichtungsstrahls, mit dem nachfolgend die zu beschichtende Oberfläche beschichtet wird.
-
Entsprechend ist es möglich, dass die Plasmaquelle für das kalte Plasma und die Spritzvorrichtung, wie beispielsweise eine Kaltgasspritzpistole, so zueinander angeordnet sind, dass sie in einer festen Beziehung zueinander über die zu beschichtende Oberfläche bewegt werden, wobei die Plasmaquelle das kalte Plasma zur Vorbehandlung zur Verfügung stellt, während die Düsenvorrichtung der Kaltgasspritzvorrichtung den Spritzstrahl auf genau die vorbehandelte Fläche lenkt.
-
Um eine größere Fläche zu beschichten, können das kalte Plasma und der Spritzstrahl in einer Rasterbewegung über das zu beschichtende Bauteil geführt werden, um mittels einer derartigen Scan-Bewegung über die Bearbeitungsdauer die gesamte zu beschichtende Oberfläche zu überdecken.
-
Die Temperatur des kalten Plasmas kann bei der Oberflächenbehandlung unter 200°C, insbesondere unter 100°C und vorzugsweise unter 50°C gewählt werden, um die Temperaturbelastung des zu beschichtenden Bauteils so gering wie möglich zu halten und die erneute Bildung von Oxidschichten zu vermeiden.
-
Das für die Plasmaerzeugung verwendete Gas kann insbesondere ein Wasserstoff-Argon-Gemisch sein, welches reduzierende Eigenschaften aufweist und dadurch besonders effektiv für die Beseitigung von bestehenden Oxidschichten auf dem zu beschichtenden Bauteil eingesetzt werden kann.
-
Bei einer mehrlagigen Abscheidung einer Beschichtung kann die Plasmavorbehandlung nicht nur bei der ersten Lage, also der Beschichtung auf dem Grundwerkstoff des Bauteils vorgenommen werden, sondern nachfolgend auch bei der Aufbringung weiterer Lagen, also zur Vorbehandlung der bereits abgeschiedenen Beschichtung. Allerdings ist es auch möglich lediglich eine Vorbehandlung der Oberfläche des zu beschichtenden Bauteils vorzusehen und bei der nachfolgenden mehrlagigen Aufbringung der Beschichtung auf die Vorbehandlung mit dem kalten Plasma zu verzichten.
-
Eine entsprechende Kaltgasspritzvorrichtung umfasst somit neben einer Düsenvorrichtung, mit welcher ein Spritzstrahl auf das zu beschichtende Bauteil gerichtet wird, auch eine Plasmaquelle für kaltes Plasma, um dieses für die Vorbehandlung der zu beschichtenden Oberfläche des Bauteils einsetzen zu können.
-
Die Plasmaquelle kann einen Plasmaaustritt umfassen, an welchem das kalte Plasma von der Plasmaquelle austreten kann, um mit der zu behandelnden Oberfläche in Kontakt zu gelangen. Die Plasmaquelle bzw. der Plasmaaustritt können mit der Düsenvorrichtung so gekoppelt sein, dass das bereitgestellte Plasma in einer festen Beziehung zur Düsenvorrichtung angeordnet ist, wobei zusätzlich die Düsenvorrichtung und die Plasmaquelle bzw. der Plasmaaustritt entsprechend bewegbar sein können, sodass eine größere Oberfläche durch eine scannende Bewegung beschichtet werden kann.
-
Die Plasmaquelle für das kalte Plasma kann einen Mikrowellengenerator und einen Gasbehälter umfassen, in welchem Gas bei niedrigem Druck unterhalb des Atmosphärendrucks durch den Mikrowellengenerator angeregt werden kann, um kaltes Plasma zu erzeugen. Der Druck, bei dem das anzuregende Gas im Gasbehälter gehalten wird, kann nahezu im Bereich des technischen Vakuums bzw. geringfügig darüber liegen.
-
KURZBESCHREIBUNG DER FIGUR
-
Die einzige beigefügte Figur zeigt in einer schematischen Darstellung eine Kaltgasspritzvorrichtung mit einer Plasmaquelle zur Erzeugung eines kalten Plasmas gemäß der vorliegenden Erfindung und zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
-
AUSFÜHRUNGSBEISPIEL
-
Weitere Vorteile, Kennzeichen und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden bei der nachfolgenden detaillierten Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der beigefügten Zeichnung deutlich. Allerdings ist für den Fachmann selbstverständlich, dass die Erfindung nicht auf dieses Ausführungsbeispiel beschränkt ist.
-
Die einzige beigefügte Figur zeigt in rein schematischer Weise einen Teil einer Kaltgasspritzvorrichtung 4, mit der ein Bauteil 1 beschichtet werden kann. Die Kaltgasspritzvorrichtung 4 umfasst eine Laval-Düse 5, mit der ein Spritzstrahl 8 erzeugt werden kann, der Beschichtungspartikel 9 mit hoher Geschwindigkeit auf die zu beschichtende Oberfläche des Bauteils 1 befördert. Hierzu wird über die Gaszufuhr 6 ein Trägergas in die Düsenvorrichtung 5 eingeführt, welches die der Materialzufuhr 7 zugeführten Beschichtungspartikel mitführt und durch die Laval-Düse 5 mit hoher Geschwindigkeit auf das zu beschichtende Bauteil 1 beschleunigt, wobei Geschwindigkeiten im Bereich oberhalb der Schallgeschwindigkeit erreicht werden können. Durch die hohe kinetische Energie, die die Beschichtungspartikel 9 aufweisen, wenn sie auf die Oberfläche des Bauteils 1 auftreffen, kommt es zu einer plastischen Verformung der Partikel 9 und der Oberfläche, auf die die Partikel auftreffen, sodass es zu einem Ineinanderfließen der Partikel 9 und der zu beschichteten Oberfläche kommt. Darüber hinaus fließen nacheinander auftreffende Beschichtungspartikel ineinander, sodass sich insgesamt eine Beschichtung ergibt, bei der die Beschichtungspartikel untereinander und mit der Oberfläche des zu beschichtenden Bauteils aufgrund der plastischen Verformung miteinander verbunden sind. Die Strahlgeschwindigkeit, mit der die Partikel auf die zu beschichtenden Bauteil 1 auftreffen wird dabei so hoch gewählt, dass die plastische Verformung auch bei Temperaturen weit unterhalb des Schmelzpunkts der Beschichtungspartikel 9 auftritt, sodass im Gegensatz zum thermischen Spritzen oder Flammspritzen, bei denen die Beschichtungspartikel im Bereich der Schmelztemperatur erwärmt werden, vom Kaltgasspritzen gesprochen wird.
-
Wie der Figur weiter zu entnehmen ist, ist der Düsenvorrichtung 5 ein Gasbehälter 2 zugeordnet, in dem oder an dem ein Mikrowellengenerator 3 vorgesehen ist, um Gas, welches sich unter niedrigem Druck in dem Gasbehälter 2 befindet, zu einem kalten Plasma anzuregen. Das kalte Plasma kann durch einen Plasmaaustritt 10 austreten, sodass eine Behandlung der Oberfläche des zu beschichteten Bauteils 1 möglich ist. Dies ist in der Figur durch den ovalen Bereich angedeutet, der das Plasma 11 zur Behandlung der Oberfläche des Bauteils 1 rein schematisch andeuten soll.
-
Durch die Anregung des kalten Plasmas liegt ein Gas vor, welches freie Ionen und Elektronen umfasst, wobei besonders die Elektronen zu Schwingungen angeregt sind, während die Ionen nur geringfügig in Bewegung versetzt sind, sodass insgesamt die Temperatur des angeregten Gases bzw. Plasmas gering ist. Die Temperatur kann beispielsweise in einem Bereich von 40 bis 50°Celsius liegen.
-
Gleichwohl kommt es durch das Plasma zu einer Reaktion mit der Oberfläche des zu beschichtenden Bauteils, sodass organische Substanzen und dünne Oxidschichten entfernt werden können. Insbesondere durch die Verwendung von reduzierenden Gasgemischen, wie beispielsweise Wasserstoff-Argon, ist die Reduktion von dünnen Oxidschichten auf der zu beschichtenden Oberfläche des Bauteils 1 zumindest teilweise möglich, sodass die zu beschichtende Oberfläche für die nachfolgende Beschichtung mittels Kaltgasspritzen aktiviert ist und eine verbesserte Haftung der auftreffenden Partikel mit dem Grundwerkstoff des Bauteils 1 möglich ist.
-
Durch die niedrige Temperatur des Plasmas wird auch bewirkt, dass sich keine zusätzlichen Oxidschichten während oder kurz nach der Behandlung bilden können. Insbesondere bei Werkstoffen, die sehr schnell dünne Oxidschichten ausbilden, wie beispielsweise Titan, Aluminium, Magnesium oder Nickel haltige Legierungen, kann durch die Vorbehandlung mit kaltem Plasma eine Verbesserung der Haftfestigkeit der nachfolgend abgeschiedenen Beschichtung erzielt werden.
-
Durch die Kombination der Plasmaquelle mit der Düsenvorrichtung 5 der Kaltgasspritzvorrichtung 4 kann die Plasmaquelle 2, 3 bzw. das Plasma 11 zusammen mit der Düsenvorrichtung 5 über die zu beschichtende Oberfläche geführt werden, sodass zunächst das kalte Plasma 11 die Oberfläche des zu beschichtenden Bauteils vorbehandelt und nachfolgend der Spritzstrahl 8 die abzuscheidenden Partikel auf dem Bauteil 1 aufbringt. Die Bewegungsrichtung ist dabei beispielsweise so, wie mit dem Pfeil in der Figur angedeutet, sodass zunächst die Plasmavorbehandlung und unmittelbar danach die Beschichtung erfolgt. Durch die kurzen Zeitabstände zwischen der Plasmavorbehandlung und der Beschichtung bei einer derartigen Vorgehensweise können sich keine neuen Oxidschichten auf der zu beschichtenden Oberfläche bilden und die Beschichtungspartikel 9 können sich unmittelbar mit dem Werkstoff des Bauteils 1 verbinden.
-
Sofern eine Beschichtung aufgebracht wird, in der Beschichtungsstoffe in mehreren Lagen aufgebracht werden, kann bei der Abscheidung der weiteren Lagen der Beschichtung auf die Plasmavorbehandlung verzichtet werden. Es ist aber auch möglich, auch bei der nachfolgenden Aufbringung von zusätzlichen Beschichtungslagen die Plasmavorbehandlung fortzusetzen, sodass auch eventuell sich bildende Oxidschichten am Beschichtungsstoff unmittelbar vor dem Aufbringen der nächsten Lage wieder entfernt werden können. Damit wird nicht nur die Haftung auf dem Bauteil 1 verbessert, sondern auch der Verbund innerhalb der Beschichtung wird verbessert.
-
Somit kann nicht nur die Adhäsion der Beschichtung, sondern auch die Kohäsion innerhalb der Beschichtung gesteigert werden.
-
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand des Ausführungsbeispiels detailliert beschrieben worden ist, ist es für einen Fachmann selbstverständlich, dass die Erfindung nicht auf dieses Ausführungsbeispiel beschränkt, sondern dass vielmehr Abwandlungen in der Weise möglich sind, dass verschiedene Merkmale anders kombiniert oder einzelne Merkmale weggelassen werden, ohne dass der Schutzbereich der beigefügten Ansprüche verlassen wird. Insbesondere umfasst die Offenbarung der vorliegenden Erfindung sämtliche Kombinationen der vorgestellten Einzelmerkmale.
