DE2630507C3 - Verfahren zur Herstellung von Schutzschichten auf Werkstücken und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents
Verfahren zur Herstellung von Schutzschichten auf Werkstücken und Vorrichtung zur Durchführung des VerfahrensInfo
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Description
Legierung
Beliebiges
Metall
Cr
Al
Ni
Sonstige
Bestandteile
E2
F
G
H
F
G
H
Rest
Rest
Rest
Rest
Rest
Rest
Rest
Rest
Rest
Rest
Rest
23
23
23 2
20 23 25 25 22
13 | — | 0,7 |
13 | — | — |
33 | Rest | — |
13 | — | 0,7 |
33 | Rest | — |
4 | Rest | — |
13 | — | 0,7 |
3 | 10 | 0,5 |
10 | 10 | 0,5 |
13 | — | 0,7 |
*) Die Legierungen C1/C2 bzw. E1/E2 sind im Verhältnis 1 :1 mechanisch gemischt.
0,02
0,02
0,02
0,02
0,02
0,014
0,5 Metalloxid
0,5Hf
0,5Hf
5Ta
10Ta
10Ta
3. Verfahren nach Anspnich 1, dadurch gekennzeichnet,
daß als Beschichtungspulver für Verschleißschutzschichten eine SWolframcarbid-Kobalt-Legierung
mit der Zusammensetzung 4,1 Gew.-% C, 11 Gew.-% Co, 2 Gew.-% Fe, Rest W verwendet
wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2 oder Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein
Beschichtungspulver der Körnung im Bereich von -to 15—30 μτη verwendet wird.
5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein
Vakuum von 50 bis 100 Torr und ein Druck des Plasmagases sowie des Beschichtungspulvers von
etwa 18 atü eingestellt werden.
6. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß während des Beschichtungsvorganges das Werkstück zusätzlich aufgeheizt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,
daß die Aufheizung durch Zündung eines Lichtbogens zwischen einer Plasmaspritzpistole und
dem Werkstück vorgenommen wird.
8. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß nach dem Aufspritzen des Beschichtungspulvers auf das Werkstück dieses einer Diffusionsglühung
bei einer Temperatur im Bereich von 1000° G unterzogen wird.
9. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß nach dem Aufspritzen des Beschichtungspulvers die beschichtete Oberfläche durch Scheuern
und/oder Polieren auf eine Rauhigkeit mit einem Mittenrauhwert R,<\,2 μίτι gebracht wird.
10. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß das Werkstück als Verdichter- oder Turbinenschaufel einer Gasturbine verwendet wird.
11. Plasmaspritzanlage zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der vorhergehenden
Ansprüche, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
a) eine Vakuumkammer zur Aufnahme des Werkstücks und einer Plasmaspritzpistole ist als
doppelwandiges zylindrisches Bauteil mit abnehmbarem stirnseitigen ebenen Deckel ausgeführt,
b) die Plasmaspritzpistole ist am abnehmbaren Decke! der Vakuumkammer horizontal entlang
einer Achse χ verschiebbar und um die Achse χ
schv/enkbar angeordnet,
c) ein Werkstückhalter ist horizontal durch eine Schleuse im Zylindermantel in die Kammer
einbringbar und um eine Horizontalachse drehbar,
d) die Zuleitungen für die elektrische Versorgung, die Plasmagasversorgung sowie die Kühlmittelversorgung
sind in einem kaminartigen Aufsatz auf dem Deckel der Vakuumkammer zusammengefaßt.
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von Schutzschichten auf Werkstücken
gegen Heißgaskorrosion und/oder mechanischen Verschleiß, wonach mittels Plasmaspritzen im Vakuum ein
aus Legierungen bestehendes Beschichtungspulver auf das Werkstück aufgetragen wird und auf eine
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Ein solches Verfahren ist z. B. aus der US-PS
38 39 618 bekanntgeworden. Das dort offenbarte
Verfahren dient der Erzeugung hochdichter Oberflächenschichten auf Werkstücken, die im praktischen
Betrieb gleichzeitig mechanischer, thermischer und chemischer Beanspruchung ausgesetzt sind. Für solche
Werkstücke ist es nämlich häufig nicht möglich, Werkstoffe zu finden, die gleichzeitig den Anforderungen
an ihre mechanische Festigkeit als auch den Anforderungen an Korrosionsbeständigkeit und Verschleißfestigkeit
entsprechen.
Aus der Zeitschrift »Metalloberfläche«, 23. Jahrgang,
1969, Seiten 175 bis 179, ist eine Schutzgaskammer für das Plasmaspritzen offenbart, die hermetisch gegenüber
der Atmosphäre abschließbar ist Mittels dieser Kammer wird ein Beschichtungsverfahren durch Piasmaspritzen
in einer Schutzgasatmosphäre durchgeführt
Aus der Zeitschrift »Draht«, 20. Jahrgang, 1969, Nr. 1,
Seiten 16 und 19 bis 21, ist ein Lichtbogen-Spritzverfahren offenbart, bei dem Stahlwerkstoffe in einer
Schutzgasatmosphäre verspritzt werden.
Schließlich sind aus der GB-PS 14 39 947 verschiedene Spritzwerkstoffe, insbesondere Nickelbasislegierungen
für das Plasmaspritzen bekanntgeworden.
Mit den aus dem vorgenannten Stand der Technik bekannten Verfahren können bisher zwar weitgehend
oxidfreie Schutzschichten hoher Dichte erzielt werden, die Haftung der Schutzschichten auf dem zu beschichtenden
Werkstück ist jedoch noch nicht optimal.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es demnach, bisher bekannte Plasmaspritzverfahren in der Weise zu
verbessern, daß Schutzschichten erzeugbar sind, die sowohl hohe Dichte als auch besonders gute Haftung
auf dem zu beschichtenden Werkstück aufweisen.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß das Werkstück vor dem Beschichten
durch Scheuern, Polieren und/oder Naßstrahlen so weit
geglättet wird, daß die Oberflächenrauhigkeit einen Mittenrauhwert R1=OJS μπι nicht überschreitet
Es hat sich gezeigt, daß diese erfindungsgemäße Vorbehandlung der Werkstückoberfläche die Erzielung
besonders hoher Haftfähigkeit erlaubt
In Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß als Beschichtungspulver für rJeißgaskorrosionsschutzschichten
Legierungen der nad" folgend aufgeführten Zusammensetzung A-H (in Gew.-%) verwendet
wird:
Legierung | Beliebiges Metall | Cr | AI | Ni | Y | C |
Sonstige
Bestandteile |
A | Rest | 23 | 13 | 0,7 | 0,02 | 0,5 Metalloxid | |
B | Rest | 23 | 13 | — | — | 0,02 | 0,5Hf |
CiL, | 2 | 33 | Rest | — | — | — | |
<w} | Rest | 23 | 13 | — . | 0,7 | 0,02 | — |
D | — | 2 | 33 | Rest | — | — | — |
EiU | — | 20 | 4 | Rest | — | — | — |
N) | Rest | 23 | 13 | — | 0,7 | 0,02 | — |
F | Rest | 25 | 3 | 10 | 04 | — | 5Ta |
G | Rest | 25 | 10 | 10 | 0,5 | — | 10Ta |
H | Rest | 22 | 13 | — | 0,7 | 0,014 | — |
*) Die Legierungen C1/C2 bzw. E1/E2 sind im Verhältnis 1 :1 mechanisch gemischt.
Versuche haben gezeigt, daß die vorstehend genannten Legierungen mit den durchwegs hohen Anteilen an
Chrom und Aluminium und einem geringen Anteil von Yttrium besonders hohe Beständigkeit im Hochtemperaturbereich
aufweisen.
Obwohl mit verschiedenen Metallen sehr gute Eigenschaften der Schutzschichten erzielt werden
konnten, soll Kobalt als bevorzugtes Restmetall für die
Beschichtungspulver hervorgehoben werden.
Bei einer besonderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei der speziell Verschleißschutzschichten
hergestellt werden sollen, wird vorgeschlagen, als Beschichtungspulver eine Wolframcarbid-Kobalt-Legierung
zu verwenden, mit der Zusammensetzung 4,1% C, 11% Co, 2% Fe, und den Rest W
(Zusammensetzung in Gew.-%). Es hat sich gezeigt, daß das erfindungsgemäße Verfahren mit diesem Beschichtungspulver
einen Überzug von besonders hoher Härte ergibt, wobei die Härtewerte über die gesamte Schicht
höchste Gleichmäßigkeit aufweisen.
In weiterer Ausbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß die Körnung der Beschichtungspulver im
Bereich von 15—30 μπι liegt.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung soll das Vakuum, in dem die Beschichtung stattfindet 50 bis 100
Torr betragen, während der Druck des Plasmagases und des Beschichtungspulvers etwa 18 atü sein soll. Es hat
sich gezeigt, daß diese Kombination von Unterdruck einerseits und Überdruck des Plasmaspritzstrahles
andererseits ein Optimum zwischen der erzielbaren Sch»i"h?dichte und dem notwendigen Aufwand für die
Aufrechterhaltung dieser Prozeßparameter darstellt.
In weiterer Ausbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß während des Beschichtungsvorganges das
Werkstück zusätzlich aufgeheizt wird, wodurch sich in vielen Fällen eine nochmalige Erhöhung der Haftfestigkeit
der Schutzsch.dit auf dem Werkstück erzielen läßt.
Als besonders vorteilhaft hat sich die Aufheizung des Werkstücks durch Zündung eines Lichtbogens 7\vischen
der Plasmaspritzpistole und dem Werkstück erwiesen da ein solcher Lichtbogen ohne großen zusätzlichen
Aufwand erzeugt werden kann und eine hohe Heizleistung erbringi.
Eine weitere Ausbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß nach dem Aufspritzen des
Beschichtungspulvers auf das Werkstück dieses einer
Diffusionsglühung bei einer Temperatur im Bereich von
10000C unterzogen wird, eine Maßnahme, die eine
vollständige Integration zwischen der aufgespritzten Schutzschicht und dem Grundwerkstoff des Werkstükkes
bewirkt.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß nach dem Aufspritzen des Beschichtungspulvers
die beschichtete Oberfläche durch Scheuern und/oder Polieren auf eine Rauhigkeit mit
einem Mittenrauhwert R3< 1,2 μιπ gebracht wird, eine
Maßnahme, die vor allem eine Erhöhung der Korrosionsbeständigkeit der Schutzschicht bewirkt.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß das bisher beschriebene Beschichtungsverfahren
zur Beschichtung von Verdichter- oder Turbinenschaufeln einer Gasturbine speziell Anwendung
findet. Dieser Anwendungsfall ist insofern besonders hervorzuheben, als an Verdichter- und
Turbinenschaulein von Gasturbinen sowohl festigkeitsmäßig als auch, was die Heißgaskorrosion anlangt, ganz
besonders hohe Anforderungen gestellt werden und als darüber hinaus gerade diese Werkstücke hohe Maßhaltigkeit
und geringste Rauhigkeit haben sollen um die Strömungsverhältnisse und damit den Wirkungsgrad
der Gasturbine nicht nachteilig zu beeinflussen.
Schließlich bezieht sich die Erfindung weiterhin auf eine Plasmaspritzanlage zur Durchführung des beschriebenen
Verfahrens, die durch folgende Merkmale gekennzeichnet sein soll:
a) eine Vakuumkammer zur Aufnahme des Werkstücks und einer Plasmaspritzpistole ist als
doppelwandiges zylindrisches Bauteil mit abnehmbarem stirnseitigen ebenen Deckel ausgeführt;
b) die Plasmaspritzpistole ist am abnehmbaren Dek-
kel der Vakuumkammer horizontal entlang einer Achse χ verschiebbar und um die Achse χ
schwenkbar angeordnet;
c) ein Werkstückhalter ist horizontal durch eine Schleuse im Zylindermante1 in die Kammer
einbringbar und um eine Horizontalachse drehbar;
d) die Zuleitungen für die elektrische Versorgung, die Piasmagasversorgung sowie die Kühlmittelversorgung
sind in einem kaminartigen Aufsatz auf dem Deckel der Vakuumkammer zusammengefaßt.
Diese Ausbildung der Vakuumkammer als doppelwandiges zylindrisches Bauteil ermöglicht gute Kühlung,
indem im Zwischenraum zwischen den Wandungen ein Wassermantel gehalten werden kann; andererseits
wird der bauliche Aufwand für die Evakuierung vergleichsweise gering gehalten, da durch die Anordnung
der Plasmaspritzpistole im abnehmbaren Deckel der Kammer sämtliche Anschlüsse in diesem Deckel
vereinigt werden können und somit die Ausbildung des Deckels als stirnseitiger ebener Deckel für eine
zylindrische Kammer die Abdichtungsprobleme so
gering wie möglich gehalten werden. Durch die Translations- und Rotationsbewegungsmöglichkeit der
Plasmaspritzpistole und die gleichzeitige Rotationsmöglichkeit des Werkstückhalters wird ein gleichmäßiger
Auftrag des Beschichtungswerkstoffes in einem einzigen Arbeitsgang ermöglicht Hierdurch kann auch
ein hoher Durchsatz von Beschichtungswerkstoff durch die Plasmaspritzpistole gewählt werden und damit die
Gesamtzeit für die Beschichtung entsprechend niedrig gehalten werden.
Anhand der Skizze wird eine Plasmaspritzanlage zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens kurz
erläutert.
Eine als doppelwandiges zylindrisches Bauteil ausgeführte Vakuumkammer ist in der Zeichnung mit 1
bezeichnet. Der Zwischenraum zwischen der Doppelwand dient beim Betrieb der Vakuumkammer als
Kühlwassermantel. Das Vakuum in dieser Vakuumkammer 1 wird von einer Vakuumpumpe 2 erzeugt, die über
eine Leitung 3 an die Vakuumkammer 1 angeschlossen ist. In die Leitung 3 ist ein Absolutfilter 4 eingeschaltet,
da das Eindringen von Spritzwerkstoff in die Vakuumpumpe verhindern soll. Eine Plasmapistole ist an einen
stirnseitig auf die Vakuumkammer 1 aufgesetzten ebenen kreisförmigen Deckel 6 angeordnet, und zwar
so, daß sie entlang einer geradlinigen horizontalen Führung 7 verfahren werden kann und gleichzeitig um
diese horizontale Führung 7 geschwenkt werden kann. Für beide Bewegungen sind jeweils Antriebsmotoren 8
und 9 vorgesehen, wobei diese so geschaltet werden können, daß sich beide Bewegungen überlagern.
Zuleitungen für die elektrische Versorgung 10 für die Kühlmittelversorgung U, die Stromversorgung 12 und
die Plasmagaszufuhr 13 sind in einem kaminartigen Aufsatz 14 zusammengefaßt, der auf dem Deckel 6
befestigt ist. In der zylindrischen Wand der Vakuumkummer 1 sind Schleusen 15 und 16 vorgesehen um von
außen in der Vakuumkammer hantieren zu können. Durch die Schleuse 15 kann ein Werkstückhalter 17 in
die Schleuse eingefahren werden. Der Werkstückhalter 17, der als langer Dorn ausgeführt ist, soll mittels einer
geeigneten Vorrichtung rotierbar sein, so daß das an seinem vorderen Ende sich befindende Werkstück 18 in
seiner Endposition vor der Plasmapistole endlos gedreht werden kann. Im Deckel 6 der Vakuumkammer
1 sind zusätzlich noch zwei Zuführvorrichtungen 20 und 21 für das Beschichtungspulver vorgesehen, von denen
aus Leitungen 22 und 23 zur Plasmapistole führen. Als Werkstück !8 is; bei dem gezeichneten Schema eine
Turbinenlaufschaufel angedeutet, für deren Beschichtung nachfolgend alle wichtigen Prozeßparameter
entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren als Ausführungsbeispiel angegeben werden:
Werkstoff der Turbinenlaufschaufel:
InconellOO(InlOO)
Probenvorbereitung:
Probenvorbereitung:
Naßstrahlen mit Al2O3.
Korngröße 177 μηι
Korngröße 177 μηι
Beschichtungswerkstoff (Zusammensetzung in Gew.-%):
CoCrAlY der Zusammensetzung
22,77% Cr, 13,14% Al, 0,7% Y,
0,014% C, Rest Co
Beschichtungstemperatur:
Beschichtungstemperatur:
10500C
Nachbehandlung:
Nachbehandlung:
Diffusionsglühen bei 1040° C etwa 4 Stunden lang
Nachbearbeitung:
Scheuern
Einstelldaten für die Plasmaanlage:
Einstelldaten für die Plasmaanlage:
Stromstärke 800 A
Spannung 70 V
Plasmagas Argon
Plasmagasdruck 17,6 atü
Spritzabstand 37 crn
Plasmagasdurchsatz I89dm3/min
Pulverdurchsatz 26,4 dmVmin
Spritzzeit pro Schaufel etwa 20 s.
50
60
65
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (2)
1. Verfahren zur Herstellung von Schutzschichten auf Werkstücken gegen Heißgaskorrosion und/oder
mechanischen Verschleiß, wonach mittels Plasmaspritzen im Vakuum ein aus Legierungen bestehendes
Beschichtungspulver auf das Werkstück aufgetragen wird, dadurch gekennzeichnet, daß
das Werkstück vor dem Beschichten durch Scheuern, Polieren und/oder Naßstrahlen so weit
geglättet wird, daß die Oberflächenrauhigkeit einen MittenrauhwertÄ,=0,8 um nicht überschreitet
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Beschichtungspulver für Heißgaskorrosionsschutzschichten
eine Legierung bzw. ein Legierungsgemisch der nachfolgend aufgeführten
Zusammensetzung A—H (in Gew.-%) verwendet wird:
Priority Applications (4)
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---|---|---|---|
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- 1977-07-06 IT IT50149/77A patent/IT1079751B/it active
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