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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren der im Oberbegriff des Patentanspruchs
1 angegebenen Art zum Abdecken mindestens eines Oberflächenbereichs
eines Bauteils für eine Strömungsmaschine. Die
Erfindung betrifft weiterhin ein Bauteil der im Oberbegriff des
Patentanspruchs 11 genannten Art für eine Strömungsmaschine.
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Beim
Beschichten von metallischen Bauteilen für Strömungsmaschinen,
beispielsweise beim Alitieren oder Chromieren von Leit- oder Turbinenschaufeln
für thermische Gasturbinen, sollen bestimmte Oberflächenbereiche
des Bauteils häufig schichtfrei gehalten werden. Dies wird üblicherweise durch
eine Maskierung erreicht. Die
DE
1 298 830 offenbar hierzu einen Überzug zum Abdecken
bestimmter Oberflächenabschnitte des zu beschichtenden
Bauteils, der die abgedeckten Oberflächenbereiche vor einer
Eindiffusion während eines anschließenden Diffusionsbeschichtungsprozesses
schützt. Der Überzug besteht dabei aus einer wässrigen
Suspension (sog. Schlicker) metallischer und keramischer Stoffe
wie Nickel- oder Chrompulver, Silikaten und Zirkonium- oder Aluminiumoxiden.
Der Überzug setzt sich zudem aus mehreren Schichten zusammen,
die nacheinander aufgebracht und jeweils getrocknet werden müssen.
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Bei
diesem Abdeckverfahren handelt es sich um einen aufwendigen und
langwierigen Handarbeitsprozess, wodurch entsprechend hohe Produktionszeiten
und -kosten entstehen.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Abdecken wenigstens
eines Oberflächenbereichs eines Bauteils sowie ein abgedecktes
Bauteil bereitzustellen, durch welche eine beschleunigte und kostengünstigere
Durchführung einer bereichsweisen Oberflächenbeschichtung
des Bauteils ermöglicht ist.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren
mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 zum Abdecken mindestens
eines Oberflächenbereichs eines Bauteils für eine
Strömungsmaschine, ein Bauteil mit den Merkmalen des Patentanspruchs
11 mit einer Abdeckungsanordnung sowie durch eine Verwendung eines
textilen Metallmaterials zum Abdecken eines Oberflächenbereichs
eines Bauteils für eine Strömungsmaschine, insbesondere für
eine thermische Gasturbine, gemäß Patentanspruch
15 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen
Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweiligen Unteransprüchen
angegeben, wobei vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens als
vorteilhafte Ausgestaltungen des Bauteils und umgekehrt anzusehen
sind.
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Bei
einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Abdecken
mindestens eines Oberflächenbereichs eines Bauteils für
eine Strömungsmaschine, insbesondere für eine
thermische Gasturbine, wird zumindest auf dem abzudeckenden Oberflächenbereich
des Bauteils ein textiles Metallmaterial angeordnet. Hierdurch ergibt
sich im Gegensatz zum Stand der Technik eine wesentliche Zeit- und
Kostenersparnis bei der Herstellung der Abdeckung, wodurch ein anschließendes,
bereichsweises Beschichtungsverfahren ebenfalls schneller und unter
erheblichen Kostensenkungen durchgeführt werden kann. Das
textile Metallmaterial kann dabei aufgrund seiner Flexibilität
einfach an unterschiedlichsten Oberflächengeometrien angeordnet
werden. Dabei kann vorgesehen sein, dass das textile Metallmaterial
eine vorkonfektionierte Ausgestaltung besitzt und somit entsprechend
schnell und einfach auf dem betreffenden Oberflächenbereich
angeordnet werden kann. Aufgrund der Flexibilität und Nachgiebigkeit
wird zudem eine Beschädigung des abgedeckten Oberflächenbereichs
vermieden. Mit Hilfe des textilen Metallmaterials wird weiterhin
eine Störung eines anschließenden Beschichtungsprozesses
zuverlässig verhindert, da keine Ablösungen oder
Abplatzungen wie bei den bislang verwendeten mehrlagigen Schlickerbeschichtungen
auftreten können. Darüber hinaus treten insbesondere
im Alitier- oder Chromierprozess keine Zersetzungsprodukte von Schlickerbindemitteln
oder dergleichen auf. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass zum
Abdecken des mindestens einen Oberflächenbereichs keine
Metallpulver verwendet werden müssen, die aus Arbeitsschutzgründen nach
Möglichkeit zu vermeiden sind. Zudem kann das textile Metallmaterial
nach dem Beschichten ebenso schnell und einfach wieder vom Bauteil
entfernt werden, wodurch weitere Zeit- und Kosteneinsparungen gegeben
sind.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen,
dass als textiles Metallmaterial ein gewobenes und/oder verfilztes
Metallmaterial verwendet wird. Dies erlaubt eine einfache und variable
Anpassung des Metallmaterials an unterschiedliche Bauteiltypen,
-materialien und -geometrien sowie an die jeweiligen Anforderungen
unterschiedlicher Beschichtungsprozesse.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen,
dass ein hochtemperaturbeständiges und/oder oxidationsbeständiges
Metallmaterial und/oder ein Metallmaterial mit einem Standardpotential E° > –1,78 V verwendet
wird. Dies erlaubt ebenfalls eine optimale Anpassung des Metallmaterials
an unterschiedliche Bauteiltypen, -materialien und -geometrien sowie
an die jeweiligen Anforderungen unterschiedlicher Beschichtungsprozesse.
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Weitere
Vorteile ergeben sich, wenn ein mit einem Werkstoff des Oberflächenbereichs
korrespondierendes Metallmaterial verwendet wird. Hierdurch werden
insbesondere chemische Reaktionen zwischen dem Bauteilwerkstoff
und der Abdeckung aus dem Metallmaterial zuverlässig verhindert.
Zudem besitzen hierdurch das Bauteil und die Abdeckung vergleichbare
Wärmeausdehnungskoeffizienten, so dass auch bei hohen Temperaturen
eine besonders zuverlässige Abdeckung des mindestens einen
Oberflächenbereichs gegeben ist. Zudem besitzen hierdurch
die Bauteiloberfläche und das Metallmaterial vergleichbare
bzw. identische Härten, wodurch eine Beschädigung
des abgedeckten Oberflächenbereichs besonders zuverlässig
verhindert wird.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung hat es sich als vorteilhaft
gezeigt, wenn das textile Metallmaterial zumindest bereichsweise
mit einer Metallfolie abgedeckt wird. Auf diese Weise wird eine
geschlossene und gasdichte Oberfläche erzeugt, wodurch
eine ungewollte Beschichtung des abgedeckten Oberflächenbereichs
in einem folgenden Beschichtungsschritt besonders zuverlässig
verhindert wird. Dabei kann auch vorgesehen sein, dass das gesamte
textile Metallmaterial mit der Metallfolie abgedeckt wird.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen,
dass eine hochtemperaturbeständige und/oder oxidationsbeständige und/oder
mit dem Metallmaterial korrespondierende Metallfolie und/oder eine
Metallfolie mit einem Standardpotential E° > –1,78 V verwendet
wird. Hierdurch werden insbesondere chemische Reaktionen zwischen
dem textilen Metallmaterial und der Metallfolie zuverlässig
verhindert. Zudem besitzen hierdurch das Metallmaterial und die
Metallfolie vergleichbare Wärmeausdehnungskoeffizienten,
so dass auch bei hohen Temperaturen eine besonders zuverlässige Abdeckung
des mindestens einen Oberflächenbereichs gegeben ist. Zudem
besitzen hierdurch das Metallmaterial und die Metallfolie vergleichbare
bzw. identische Härten, wodurch eine gegenseitige Beschädigung
besonders zuverlässig verhindert wird.
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Weitere
Vorteile ergeben sich, indem das Bauteil nach dem Abdecken zumindest
im abgedeckten Oberflächenbereich mit einer Kraft beaufschlagt wird.
Mit anderen Worten wird die Abdeckung auf den abgedeckten Oberflächenbereich
gepresst, wodurch gewährleistet wird, dass die Abdeckung
bündig am Oberflächenbereich anliegt und einen
besonders zuverlässigen Schutz vor einer unerwünschten
Beschichtung bietet. Zudem wird auf diese Weise der Füllgrad
des textilen Metallmaterials wesentlich erhöht und dadurch
die Abdeckwirkung weiter verbessert.
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Dabei
hat es sich in weiterer Ausgestaltung als vorteilhaft gezeigt, wenn
mittels einer Unterdruckvorrichtung ein gegenüber einem
Umgebungsdruck relativer Unterdruck innerhalb des textilen Metallmaterials
erzeugt wird und/oder der abgedeckte Oberflächenbereich
mittels einer Matrize, insbesondere einer Silikon- und/oder Gummimatrize,
mit einer Kraft beaufschlagt wird. Hierdurch wird die Abdeckung
besonders schonend an das Bauteil angepresst, so dass etwaige Beschädigungen
des Bauteils zuverlässig verhindert werden.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen,
dass das Bauteil nach dem Abdecken in einem abdeckungsfreien Bereich beschichtet
wird. Aufgrund der zuvor angeordneten, erfindungsgemäßen
Abdeckung ist hierbei ohne weitere Maßnahmen gewährleistet,
dass nur der abdeckungsfreie Bereich beschichtet wird, um das Bauteil mit
den jeweils gewünschten Oberflächeneigenschaften
zu versehen.
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Weitere
Vorteile ergeben sich, wenn der abdeckungsfreie Bereich des Bauteils
mittels eines Diffusionsbeschichtungsverfahrens beschichtet, insbesondere
alitiert und/oder chromiert, wird. Auf diese Weise können
verschiedene Eigenschaften des Bauteils einfach, zuverlässig
und dauerhaft verbessert werden. Insbesondere können hierdurch
die Korrosions- und Zunderbeständigkeit des Bauteils wesentlich
gesteigert werden.
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Ein
weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Bauteil für
eine Strömungsmaschine, insbesondere für eine
thermische Gasturbine, welches eine Abdeckungsanordnung zum Schutz
eines Oberflächenbereichs des Bauteils gegen Alitieren
oder Chromieren aufweist, wobei erfindungsgemäß eine
beschleunigte und kostengünstigere Durchführung
einer bereichsweisen Oberflächenbeschichtung des Bauteils
dadurch ermöglicht ist, dass die Abdeckungsanordnung ein
textiles Metallmaterial umfasst. Das textile Metallmaterial ermöglicht
dabei aufgrund seiner Flexibilität eine besonders einfache
Anpassbarkeit an unterschiedlichste Oberflächengeometrien
und Bauteiltypen. Dabei kann vorgesehen sein, dass die Abdeckungsanordnung
ein textiles Metallmaterial mit einer vorkonfektionierten Ausgestaltung
umfasst, welches entsprechend schnell und einfach auf dem betreffenden
Oberflächenbereich anzuordnen ist. Aufgrund der Flexibilität
und Nachgiebigkeit des textilen Metallmaterials wird zudem eine
Beschädigung des abgedeckten Oberflächenbereichs
vermieden. Mit Hilfe des textilen Metallmaterials wird weiterhin
eine Störung eines anschließenden Beschichtungsprozesses zuverlässig
verhindert, da keine Ablösungen oder Abplatzungen wie bei
den bislang verwendeten mehrlagigen Schlickerbeschichtungen auftreten
können. Darüber hinaus treten insbesondere bei
Alitier- oder Chromierprozessen keine Zersetzungsprodukte von Schlickerbindemitteln
oder dergleichen auf. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass zum
Abdecken des mindestens einen Oberflächenbereichs keine Metallpulver
verwendet werden müssen, die aus Arbeitsschutzgründen
nach Möglichkeit zu vermeiden sind. Es kann jedoch grundsätzlich
vorgesehen sein, dass die Abdeckungsanordnung – falls erforderlich – zusätzlich
zu dem textilen Metallmaterial eine an sich bekannte Schlickerbeschichtung
umfasst. Das Bauteil kann beispielsweise als Leit- oder Laufschaufel für
eine Turbine oder einen Verdichter einer thermischen Gasturbine
ausgebildet sein.
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Dabei
hat es sich als vorteilhaft gezeigt, wenn das textile Metallmaterial
einen Nickelfilz umfasst. Unter Nickelfilz sind hierbei sowohl reine
als auch legierte Nickelmaterialien zu verstehen. Mit Hilfe eines
Nickelfilzes kann die Abdeckungsanordnung in einem folgenden Oberflächenbeschichtungsprozess
problemlos hohen Temperaturen und sonstigen korrosiven Bedingungen
ausgesetzt werden. Weitere Vorteile ergeben sich, wenn das Bauteil
selbst aus Nickel oder einer Nickelbasislegierung besteht, da somit
die Abdeckungsanordnung und das Bauteil miteinander korrespondierende
Wärmeausdehnungskoeffizienten und chemische Eigenschaften besitzen,
wodurch unerwünschte Nebenreaktionen im Rahmen von etwaigen
Hochtemperaturbeschichtungsverfahren verhindert werden.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen,
dass die Abdeckungsanordnung eine Metallfolie, insbesondere eine
Nickelfolie, umfasst. Auf diese Weise besitzt die Abdeckungsanordnung
eine geschlossene und gasdichte Trennfläche, wodurch eine
ungewollte Beschichtung des abgedeckten Oberflächenbereichs
in einem folgenden Beschichtungsschritt besonders zuverlässig verhindert
wird.
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Dabei
hat es sich als vorteilhaft gezeigt, wenn die Metallfolie auf dem
textilen Metallmaterial angeordnet ist und somit ihrerseits das
textile Metallmaterial abdeckt. Hierdurch wird verhindert, dass eine
ungewollte Beschichtung des abgedeckten Oberflächenbereichs
durch das textile Metallmaterial hindurch erfolgen kann. Dabei kann
grundsätzlich vorgesehen sein, dass das textile Metallmaterial
teilweise oder vollständig mit der Metallfolie abgedeckt ist.
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Ein
weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Verwendung eines textilen
Metallmaterials zum Abdecken eines Oberflächenbereichs
eines Bauteils für eine Strömungsmaschine, insbesondere
für eine thermische Gasturbine. Die hierdurch erzielbaren Vorteile
sind den vorhergehenden Beschreibungen zu entnehmen, wobei vorteilhafte
Ausgestaltungen des Verfahrens und des Bauteils als vorteilhafte
Ausgestaltungen der Verwendung und umgekehrt anzusehen sind.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen,
dass zusätzliche eine Metallfolie zum Abdecken des textilen
Metallmaterials verwendet wird. Mit Hilfe einer Metallfolie kann
eine geschlossene und gasdichte Trennfläche erzeugt werden,
wodurch eine ungewollte Beschichtung des abgedeckten Oberflächenbereichs
in einem folgenden Beschichtungsschritt besonders zuverlässig
verhindert wird.
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Weitere
Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich anhand
der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels
sowie anhand der Zeichnungen, in welchen gleiche oder funktionsgleiche
Elemente mit identischen Bezugszeichen versehen sind. Die vorstehend
in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen
sowie die nachfolgend in den Ausführungsbeispielen genannten
Merkmale und Merkmalskombinationen sind dabei nicht nur in der jeweils angegebenen
Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung
verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Dabei zeigen:
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1 eine
Seitenansicht eines als Turbinenlaufschaufel ausgebildeten Bauteils,
welches in einem Oberflächenbereich mit einer aus dem Stand der
Technik bekannten Abdeckungsanordnung aus mehreren Schlickerschichten
versehen ist;
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2 eine
Seitenansicht eines als Turbinenlaufschaufel ausgebildeten Bauteils
mit einer erfindungsgemäßen Abdeckungsanordnung
gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel;
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3 eine
Seitenansicht des in 2 gezeigten Bauteils mit einer
erfindungsgemäßen Abdeckungsanordnung gemäß einem
zweiten Ausführungsbeispiel; und
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4 Seitenansichten
des in 2 und 3 gezeigten Bauteils sowie der
nach einem Beschichtungsprozess vom Bauteil entfernten Abdeckungsanordnung.
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1 zeigt
eine Seitenansicht eines als Turbinenlaufschaufel ausgebildeten
und an sich bekannten Bauteils 10, dessen Oberfläche
im Bereich seines Schaufelfußes 12 mit einer aus
dem Stand der Technik bekannten Abdeckungsanordnung 14 versehen ist.
Die Abdeckungsanordnung 14 besteht aus einer ersten Al2O3-Schlickerschicht,
auf die nacheinander drei weitere Schlickerschichten aus einem Nickelpulver
(Nickelbasislegierung, H. C. Starck Ni-SA U700) aufgebracht sind.
Die einzelnen Schlickerschichten müssen vor dem Aufbringen
weiterer Schichten jeweils getrocknet und gegebenenfalls mit einer
abschließenden Blechabdeckung versehen werden. Diese Abdeckprozedur
ist ein aufwendiger Handarbeitsprozess, der zudem lange dauert und
hohe Produktionskosten verursacht.
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2 zeigt
eine Seitenansicht eines als Turbinenlaufschaufel ausgebildeten
Bauteils 10 mit einer erfindungsgemäßen
Abdeckungsanordnung 16 gemäß einem ersten
Ausführungsbeispiel. Das Bauteil 10 besteht dabei
aus einer an sich bekannten Nickelbasislegierung. Die Abdeckungsanordnung 16 umfasst
ein textiles Metallmaterial 18, welches vorliegend aus
einem Nickelfilz besteht und sowohl im Bereich des Schaufelfußes 12 als
auch eines Schaufelblatts 20 des Bauteils 10 angeordnet
ist. Der Nickelfilz wird dabei vorzugsweise in Form einer vorkonfektionierten
Nickelfilztasche verwendet in an den entsprechenden Oberflächenbereichen
des Bauteils 10 angeordnet.
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Zwischen
den hierdurch abgedeckten Oberflächenbereichen (Schaufelfuß 12,
Schaufelblatt 20) verbleibt somit ein abdeckungsfreier
Bereich II, in welchem das Bauteil 10 in einem
anschließenden Beschichtungsprozess beispielsweise mittels
eines Diffusionsbeschichtungsverfahrens alitiert und/oder chromiert
werden kann. Nickelfilz stellt dabei ein hochtemperatur- und oxidationsbeständiges
Metallmaterial dar, welches zudem mit dem Werkstoff des Bauteils 10 korrespondierende
Eigenschaften besitzt. Die Verwendung des textilen Metallmaterials
ermöglicht dabei eine wesentliche Zeit- und Kostenersparnis
beim Abdecken des Bauteils 10. Zudem treten beim anschließenden
Beschichtungsprozess keine Störung durch Zersetzungsprodukte
eines Schlickerbindemittels auf. Weiterhin wird im Gegensatz zum
Stand der Technik das Auftreten von Nickelstäuben beim
Ansetzen des Nickelschlickers vorteilhaft vermieden.
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3 zeigt
eine Seitenansicht des in 2 gezeigten
Bauteils 10 mit einer erfindungsgemäßen Abdeckungsanordnung 16 gemäß einem
zweiten Ausführungsbeispiel. Im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel
ist das textile Metallmaterial 18 (nicht erkennbar) vollständig
mit einer zusätzlichen Metallfolie 22 abgedeckt.
Als Metallfolie 22 wird dabei eine Nickelfolie verwendet,
welche somit ebenfalls hochtemperatur- und oxidationsbeständig
ist und mit dem textilen Metallmaterial 18 und dem Werkstoff des
Bauteils 10 korrespondierende Eigenschaften besitzt. Die
Metallfolie 22 wird dabei vorzugsweise ebenfalls in vorkonfektionierter
Form als Nickelfolientasche verwendet und kann entsprechend schnell und
einfach auf die abzudeckenden Oberflächenbereiche aufgeschoben
werden.
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Danach
wird das Bauteil 10 in einer Unterdruckvorrichtung (nicht
gezeigt) angeordnet, mittels welcher ein gegenüber einem
Umgebungsdruck relativer Unterdruck innerhalb des textilen Metallmaterials 18 erzeugt
wird. Durch den Umgebungsdruck (äußerer Luftdruck)
erden das textile Metallmaterial 18 und die Metallfolie 22 formgenau
an den abzudeckenden Oberflächenbereich des Bauteils 10 gedrückt.
Gleichzeitig wird der Füllgrad im Bereich des textilen
Metallmaterials 18 wesentlich erhöht und dadurch
die Abdeckwirkung (Getterwirkung für das Beschichtungsgas)
verbessert. Zum Anpressen des textilen Metallmaterials 18 und
der Metallfolie 22 kann alternativ oder zusätzlich
auch eine Silikon- oder Gummimatrize verwendet werden.
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4 zeigt
Seitenansichten des in 2 und 3 gezeigten
Bauteils 10 sowie der nach dem Beschichtungsprozess vom
Bauteil 10 entfernten Abdeckungsanordnung 16.
Dabei ist insbesondere die vorkonfektionierte Ausgestaltung des
textilen Metallmaterials 18 und der Metallfolie 22 erkennbar.
Die Abdeckungsanordnung 16 mit dem textilen Metallmaterial 18 und
der Metallfolie 22 kann dabei nach dem Beschichten schnell
und einfach vom Bauteil 10 abgezogen werden. Weiterhin
ist erkennbar, dass das Bauteil 10 lediglich im während
des Beschichtungsprozesses abdeckungsfreien Bereich II alitiert
bzw. chromiert ist. Die zuvor mittels der Abdeckungsanordnung 16 abgedeckten
Oberflächenbereiche, d. h. der Schaufelfuß 12 und
das Schaufelblatt 20, sind hingegen beschichtungsfrei.
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Die
in den Unterlagen angegebenen Parameterwerte zur Definition von
Prozess- und Messbedingungen für die Charakterisierung
von spezifischen Eigenschaften des Erfindungsgegenstands sind auch
im Rahmen von Abweichungen – beispielsweise aufgrund von
Messfehlern, Systemfehlern, DIN-Toleranzen und dergleichen – als
vom Rahmen der Erfindung mitumfasst anzusehen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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