EP2871257A1

EP2871257A1 - Verfahren zum Beschichten mit anschließendem Umschmelzverfahren

Info

Publication number: EP2871257A1
Application number: EP20130192340
Authority: EP
Inventors: Nikolai Arjakine; Bernd Burbaum; Robert Harms; Jan Münzer; Michael Ott; Sebastian Piegert; Dimitrios Thomaidis
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2013-11-11
Filing date: 2013-11-11
Publication date: 2015-05-13

Abstract

Durch die Kombination von Beschichtungsverfahren und Umschmelzverfahren können bekannte Beschichtungsverfahren verwendet werden, die durch das Umschmelzverfahren verbesserte Eigenschaften aufweisen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Beschichtungsverfahren, bei dem zuerst eine Schicht aufgebracht wird und diese mittels Umschmelzen umgewandelt wird.
Das Kaltgasspritzen ist ein Beschichtungsverfahren, bei dem der Beschichtungswerkstoff in Pulverform mit sehr hoher Geschwindigkeit von 1000m/s bis 2500m/s auf ein Substrat aufgetragen wird. Dazu wird ein auf wenige hundert Grad aufgeheiztes Prozessgas durch Expansion in einer Lavaldüse auf Überschallgeschwindigkeit beschleunigt und anschließend werden die Pulverpartikel in den Gasstrahl injiziert. Der injizierte Pulverwerkstoff wird dabei auf eine so große Geschwindigkeit beschleunigt, dass dieser im Vergleich zu anderen thermischen Spritzverfahren auch ohne vorangehendes An- oder Aufschmelzen beim Aufprall auf das Substrat eine relativ dichte und fest haftende Schicht bildet. Die kinetische Energie zum Zeitpunkt des Aufpralls reicht für ein vollständiges Aufschmelzen der Partikel aber nicht aus, so dass es zu keiner metallurgischen Verbindung mit dem Grundwerkstoff kommt.
Das Laserstrahl-Umschmelzen zeichnet sich durch exakte Energieeinbringung in ein Material aus, so dass eine gewünschte Umschmelztiefe exakt eingestellt werden kann. Aufgrund der großen Abkühlgeschwindigkeiten und des räumlich kleinen Schmelzvolumens beim Laserstrahl-Umschmelzen werden die Erstarrungsprozesse vornehmlich durch eine vom Schmelzbadrand her begünstigte Keimbildung eingeleitet. Dies führt dazu, dass speziell Poren aus den umgeschmolzenen Bereichen entfernt werden und bei Nickelbasis-Superlegierungen das Gefüge nahezu porenfrei erstarrt. Zudem können durch die lokal großen Wärmegradienten spezielle Gefügestrukturen eingestellt werden.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung ein Verfahren aufzuzeigen, das verbesserte Eigenschaften für die Anbindung der Schichten untereinander und/oder an das Substrat aufweist.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1.
In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Maßnahmen aufgelistet, die beliebig miteinander kombiniert werden können, um weitere Vorteile zu erzielen.
Der Vorteil der Erfindung erlaubt ein großflächiges Beschichten und lokales Umschmelzen an Stellen, wo nur bestimmte, verbesserte Werkstoffeigenschaften erwünscht sind.
Durch die Kombination von Beschichtungsverfahren und Umschmelzverfahren können bekannte Beschichtungsverfahren verwendet werden, die durch das Umschmelzverfahren verbesserte Eigenschaften aufweisen.
Es zeigt die Figur schematisch den Ablauf des Verfahrens.
Vorgeschlagen wird eine Kombination der Verfahren thermisches Spritzen/Kaltgasspritzen und Umschmelzen. Mittels thermischem Spritzen/Kaltgasspritzen wird eine Schichtlage auf einen Grundwerkstoff aufgetragen. Anschließend wird durch Umschmelzen die Schicht so umgeschmolzen, dass entweder eine metallurgische Anbindung an den Grundwerkstoff erzielt wird und/oder spezielle Gefügeeigenschaften eingestellt werden.
Folgende Gefügeeigenschaften können somit gezielt verändert werden:

die Dichte des aufgetragenen Materials wird durch die Reduktion der Poren vergrößert, entsprechend nimmt somit auch die thermischen Leitfähigkeit zu;
durch das Umschmelzen vergrößert sich die Kornstruktur, wodurch bessere Kriecheigenschaften erzielt werden;
durch richtungsabhängiges Umschmelzen können die Werkstoffeigenschaften (wie insbesondere Kriechfestigkeit) gezielt in eine Richtung verbessert werden, da die Körner in Verfahrrichtung der Laserstrahlung erstarren.

Durch ein weiteres Auftragen von Schichten mittels Kaltgasspritzen oder anderen thermischen Spritzverfahren und anschließendem Umschmelzen können zudem Gradientenschichten aufgebaut werden.
In der Figur ist schematisch der Ablauf des Verfahrens gezeigt.
Es wird eine Komponente 1 hergestellt.
Die Komponente 1 ist vorzugsweise eine Turbinenkomponente und weist ein Substrat 4 vorzugsweise aus einer nickel- oder kobaltbasierten Superlegierung auf.
Auf die Oberfläche 5 des Substrats 4 wird eine erste Schichtlage 7' mittels eines Materialstrahls 10 aufgebracht.
Dies kann durch Kaltgasspritzen oder andere thermische Spritzverfahren wie HVOF, LPPS, APS, VPS, SPS, SPPS erfolgen. Hier wird in nicht einschränkender Weise im Folgenden das Kaltgasspritzen erwähnt.
In einem weiteren Schritt wird mittels eines Schweißstrahls 13, insbesondere eines Laserstrahls 13, die zuerst aufgebrachte Schichtlage 7' umschmolzen, wobei ebenfalls höchstens ein Teil des Substrats 4 mit aufgeschmolzen wird. Dabei wird eine umgeschmolzene Schicht 16 erzeugt.
In einem weiteren Schritt kann eine weitere kaltgasgespritzte Schichtlage 7" auf die umgeschmolzene Schicht 16 aufgebracht werden, die 7" dann wiederum umgeschmolzen wird.
Dabei wird die untenliegende Schichtlage 7' insbesondere nur teilweise in einem oberen Bereich wieder mit aufgeschmolzen.
Ebenso ist es möglich (nicht dargestellt), zuerst zwei kaltgasgespritzte Schichtlagen 7', 7" aufzutragen und diese beide umzuschmelzen, da die Umschmelztiefe des Schweißstrahls 13 oft größer sein kann als die Beschichtungsdicken der Schichtlagen 7', 7".
Das Umschmelzen kann großflächig erfolgen, d.h. es werden die kompletten Schichtlagen 7', 7" umgeschmolzen oder es findet nur ein lokales Umschmelzen an Stellen statt, wo bestimmte Werkstoffeigenschaften erwünscht sind, wie insbesondere Porenfreiheit oder eine gewisse Härte oder eine bestimmte Kornstruktur, die bessere Kriecheigenschaften aufweisen.
Ebenso kann durch ein richtungsabhängiges Umschmelzen die Wärmestoffeigenschaft in eine bestimmte Richtung verbessert werden.
Durch die Kombination von Beschichtungsverfahren und Umschmelzverfahren können bekannte Beschichtungsverfahren verwendet werden, die durch das Umschmelzverfahren verbesserte Eigenschaften aufweisen.

Claims

Verfahren
zum Herstellen einer Schicht (16, 16') auf einer Oberfläche (5) eines Substrats (4),
bei dem in einem ersten Schritt zumindest eine erste Schichtlage (7') aufgetragen wird,
wobei die zumindest eine Schichtlage (7') in einem weiteren Verfahrensschritt umgeschmolzen wird.
Verfahren nach Anspruch 1,
bei dem die erste Schichtlage (7') durch Kaltgasspritzen erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 1,
bei dem die erste Schichtlage (7') durch ein thermisches Spritzverfahren hergestellt wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche,
bei dem das Umschmelzverfahren durch einen Laserstrahl (13) erfolgt.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche,
bei dem die erste Schichtlage (7') direkt vor dem optionalen Aufbringen weiterer Schichtlagen (7") umgeschmolzen wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche 1 bis 5,
bei dem zuerst zumindest zwei Schichtlagen (7', 7") aufgebracht werden,
die dann erstmalig zusammen umgeschmolzen werden.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche,
bei dem die Schichtlage (7') oder die Schichtlagen (7', 7") nur lokal umgeschmolzen werden.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche,
bei dem auch das Substrat (4) höchstens teilweise umgeschmolzen wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche,
bei dem die Schritte von Auftragen von einer oder mehreren Schichtlagen (7', 7") und Umschmelzen derer einmal, insbesondere mehrmals,
wiederholt wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche,
bei dem das Umschmelzen richtungsabhängig erfolgt, insbesondere durch Verkippen eines Schweißstrahls (13) in eine Richtung gegenüber der Oberfläche (5).