EP2294249A1 - Verfahren und vorrichtung zum kaltgasspritzen - Google Patents
Verfahren und vorrichtung zum kaltgasspritzenInfo
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- EP2294249A1 EP2294249A1 EP09775913A EP09775913A EP2294249A1 EP 2294249 A1 EP2294249 A1 EP 2294249A1 EP 09775913 A EP09775913 A EP 09775913A EP 09775913 A EP09775913 A EP 09775913A EP 2294249 A1 EP2294249 A1 EP 2294249A1
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Classifications
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Definitions
- the invention relates to a method for cold gas spraying according to the preamble of claim 1. Furthermore, the invention relates to a device for cold gas spraying according to the preamble of claim 6.
- Modern gas turbines in particular aircraft engines, must meet the highest demands in terms of reliability, weight, performance, economy and service life.
- aircraft engines have been developed, especially in the civil sector, which fully meet the above requirements and have achieved a high degree of technical perfection.
- the most important materials used today for aircraft engines or other gas turbines are titanium alloys, nickel alloys and high-strength steels.
- the high strength steels are used for shaft parts, gear parts, compressor casings and turbine casings.
- Titanium alloys are typical materials for compressor parts.
- Nickel alloys are suitable for the hot parts of the aircraft engine.
- gas turbine components made of titanium alloys nickel alloy or other alloys are known from the prior art primarily investment casting and forging. All highly stressed gas turbine components, such as the blades for a compressor, are forgings. Blades and vanes of the turbine, however, are usually designed as precision castings.
- the cold gas spraying which is also referred to as kinetic cold gas compacting or K3 process
- K3 process kinetic cold gas compacting
- the kinetic cold gas spraying is to be carried out using brittle metals as the coating material
- high layer porosities occur in the forming coating.
- Ceramic coating materials can be partially used in cold gas spraying. not be used at all. There is therefore a need for a method and a device for cold gas spraying, with which also coating materials made of brittle metals and ceramics can be used well for the coating of components.
- the present invention is based on the problem of proposing a novel method for cold gas spraying and a corresponding device.
- Preheating particles of a coating material before they are supplied to the spray gun This makes it possible to process even brittle metals and ceramics as coating materials safely and reliably during cold gas spraying.
- the device according to the invention for cold gas spraying is defined in claim 6.
- Fig. 1 is a schematic representation of a device according to the invention for cold gas spraying according to a first embodiment of the invention.
- Fig. 2 is a schematic representation of a device according to the invention for
- the present invention relates to the coating of workpieces with the aid of
- Cold gas spraying wherein the cold gas spraying is also referred to as kinetic cold gas compacting or K3 method.
- FIG. 1 shows a spray gun 10 by means of which particles of at least one coating material together with a carrier gas can be directed onto a surface of a workpiece to be coated.
- the device of FIG. 1 is used for applying particles of two coating materials, wherein first particles of a first coating material are provided with a first particle conveyor 11 and second particles of a second coating material of the spray gun 10 are provided with a second particle conveyor 12 1, the first particles of the first particle material are mixed with the second particle of the second particle material in a mixing device 13 before they are supplied to the spray gun 10.
- particles of at least one coating material are preheated, specifically before they are supplied to the spray gun 10, for which purpose in the exemplary embodiment of FIG. 1 the device according to the invention for cold gas spraying comprises two preheating devices 14, 15.
- a first preheating device 14 serves to preheat the first particles of the first coating material provided with the aid of the first particle conveyor 11.
- the second preheating device 15 serves to preheat the second particles of the second particle material, which are provided by means of the second particle conveyor 12. The preheating is carried out according to FIG. 1 such that the particles are subjected to the preheating before being fed into the mixing device 13.
- the temperatures at which the particles are heated by the preheaters 14, 15 are coating material specific temperatures.
- the particles of a special coating material are heated to a temperature adapted to this special coating material.
- Fig. 2 shows an embodiment of the invention, which substantially corresponds to the embodiment of Fig. 1, so to avoid unnecessary repetition for the same components same reference numerals are used.
- the exemplary embodiment of FIG. 2 differs from the exemplary embodiment of FIG. 1 only in that particles of three different coating materials are fed to the mixing device 13, for which purpose the device of FIG. 2 comprises a third particle conveyor 16.
- the third particles of the third coating material which are provided by means of the third particle conveyor 16, but subjected to no preheating, but rather only the first particles of the first particle material and the second particles of the second particle material, which the particle conveyors 11, 12 of the spray gun 10 are provided.
- the invention is particularly suitable for coating workpieces with coating materials of brittle metals or ceramics.
- the invention finds use in coating workpieces with Ti6A14V.
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kaltgasspritzen, wobei Partikel mindestens eines Beschichtungswerkstoffs zusammen mit einem Trägergas mit Hilfe einer Spritzpistole auf eine Oberfläche eines zu beschichtenden Werkstücks gerichtet werden. Erf?ndungsgemäß werden die Partikel mindestens eines Beschichtungswerkstoffs vorgewärmt.
Description
Verfahren und Vorrichtung zum Kaltgasspritzen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kaltgasspritzen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Kaltgasspritzen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 6.
Moderne Gasturbinen, insbesondere Flugtriebwerke, müssen höchsten Ansprüchen im Hinblick auf Zuverlässigkeit, Gewicht, Leistung, Wirtschaftlichkeit und Lebensdauer gerecht werden. In den letzten Jahrzehnten wurden insbesondere auf dem zivilen Sektor Flug- triebwerke entwickelt, die den obigen Anforderungen voll gerecht werden und ein hohes Maß an technischer Perfektion erreicht haben. Bei der Entwicklung von Flugtriebwerken spielt unter anderem die Werkstoffauswahl, die Suche nach neuen, geeigneten Werkstoffen sowie die Suche nach neuen Fertigungsverfahren eine entscheidende Rolle. Die wichtigsten, heutzutage für Flugtriebwerke oder sonstige Gasturbinen verwendeten Werkstoffe sind Titanlegierungen, Nickellegierungen und hochfeste Stähle. Die hochfesten Stähle werden für Wellenteile, Getriebeteile, Verdichtergehäuse und Turbinengehäuse verwendet. Titanlegierungen sind typische Werkstoffe für Verdichterteile. Nickellegierungen sind für die heißen Teile des Flugtriebwerks geeignet. Als Fertigungsverfahren für Gasturbinenbauteile aus Titanlegierungen, Nickellegierung oder sonstigen Legierungen sind aus dem Stand der Technik in erster Linie das Feingießen sowie Schmieden bekannt. Alle hochbeanspruchten Gasturbinenbauteile, wie zum Beispiel die Schaufeln für einen Verdichter, sind Schmiede- teile. Laufschaufeln und Leitschaufeln der Turbine werden hingegen in der Regel als Feingussteile ausgeführt.
Zur Erhöhung der Lebensdauer von Gasturbinenbauteilen ist es aus der Praxis bereits bekannt, dieselben mit Verschleißschutzbeschichtungen zu versehen. Als Beschichtungsver- fahren kann dabei das Kaltgasspritzen verwendet werden, welches auch als Kinetisches- Kaltgas-Kompaktieren bzw. K3-Verfahren bezeichnet wird. Dann, wenn das kinetische Kaltgasspritzen unter Verwendung von spröden Metallen als Beschichtungswerkstoff durchgeführt werden soll, stellen sich hohe Schichtporositäten in der sich ausbildenden Be- schichtung ein. Keramische Beschichtungswerkstoffe können beim Kaltgasspritzen teil-
weise gar nicht verwendet werden. Es besteht daher ein Bedarf an einem Verfahren und einer Vorrichtung zum Kaltgasspritzen, mit welchem auch Beschichtungswerkstoffe aus spröden Metallen und Keramiken gut für das Beschichten von Bauteilen verwendet werden können.
Als Stand der Technik, der Kaltgasspritzen betrifft, sei auf die DE 10 2007 001 477 B3 verwiesen. So ist es aus diesem Stand der Technik bekannt, zum Kaltgasspritzen eine Spritzpistole zu verwenden, um Partikel aus Beschichtungswerkstoff zusammen mit einem Trägergas auf eine zu beschichtende Oberfläche eines Werkstücks zu richten. Nach der DE 10 2007 001 477 B3 werden Partikel unterschiedlicher Beschichtungswerkstoffe in unterschiedliche Bereiche einer Stagnationskammer der Spritzpistole eingebracht.
Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung das Problem zu Grunde, ein neuartiges Verfahren zum Kaltgasspritzen sowie eine entsprechende Vorrichtung vorzuschlagen.
Dieses Problem wird durch ein Verfahren zum Kaltgasspritzen gemäß Anspruch 1 gelöst. Erfindungsgemäß werden die Partikel mindestens eines Beschichtungswerkstoffs vorgewärmt.
Mit der hier vorliegenden Erfindung wird erstmals vorgeschlagen, beim Kaltgasspritzen
Partikel eines Beschichtungswerkstoffs einer Vorwärmung zu unterziehen, bevor dieselben der Spritzpistole zugeführt werden. Hierdurch ist es möglich, selbst spröde Metalle sowie Keramiken als Beschichtungswerkstoffe sicher und zuverlässig beim Kaltgasspritzen zu verarbeiten.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Kaltgasspritzen ist in Anspruch 6 definiert.
Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. Ausführungsbeispiele der Erfindung werden, ohne hierauf beschränkt zu sein, an Hand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:
Fig. 1 eine schematisierte Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Kaltgasspritzen nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
Fig. 2 eine schematisierte Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum
Kaltgasspritzen nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Die hier vorliegende Erfindung betrifft die Beschichtung von Werkstücken mit Hilfe des
Kaltgasspritzens, wobei das Kaltgasspritzen auch als Kinetisches-Kaltgas-Kompaktieren bzw. K3 -Verfahren bezeichnet wird.
Fig. 1 zeigt stark schematisiert eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Kaltgasspritzen, wobei die erfindungsgemäße Vorrichtung der Fig. 1 eine Spritzpistole 10 umfasst, mit Hilfe derer Partikel mindestens eines Beschichtungswerkstoffs zusammen mit einem Trägergas auf eine Oberfläche eines zu beschichtenden Werkstücks gerichtet werden können.
Die Vorrichtung der Fig. 1 dient dem Auftragen von Partikeln aus zwei Beschichtungs- werkstoffen, wobei mit einem ersten Partikelförderer 11 erste Partikel eines ersten Beschichtungswerkstoffs und mit einem zweiten Partikelförderer 12 zweite Partikel eines zweiten Beschichtungswerkstoffs der Spritzpistole 10 zur Verfügung gestellt werden, und wobei gemäß Fig. 1 die ersten Partikel des ersten Partikelwerkstoffs mit dem zweiten Par- tikel des zweiten Partikelwerkstoffs in einer Mischeinrichtung 13 gemischt werden, bevor dieselben der Spritzpistole 10 zugeführt werden.
Im Sinne der hier vorliegenden Erfindung werden Partikel mindestens eines Beschichtungswerkstoffs vorgewärmt, und zwar bevor dieselben der Spritzpistole 10 zugeführt wer- den, wobei hierzu im Ausführungsbeispiel der Fig. 1 die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Kaltgasspritzen zwei Vorwärmeinrichtungen 14, 15 umfasst.
Eine erste Vorwärmeinrichtung 14 dient dem Vorwärmen der mit Hilfe des ersten Partikelförderers 11 bereitgestellten ersten Partikel des ersten Beschichtungswerkstoffs. Die zweite Vorwärmeinrichtung 15 dient dem Vorwärmen der zweiten Partikel des zweiten Partikelwerkstoffs, die mit Hilfe des zweiten Partikelförderers 12 bereitgestellt werden.
Die Vorwärmung erfolgt gemäß Fig. 1 derart, dass die Partikel vor dem Zuführen in die Mischeinrichtung 13 der Vorwärmung unterzogen werden.
Die Temperaturen, aufweiche die Partikel mit Hilfe der Vorwärmeinrichtungen 14, 15 erwärmt werden, sind beschichtungswerkstoffspezifische Temperaturen. So werden die Partikel eines speziellen Beschichtungswerkstoffs auf eine an diesen speziellen Beschich- tungswerkstoff angepasst Temperatur erwärmt.
Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, welches im Wesentlichen dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 entspricht, weshalb zur Vermeidung unnötiger Wiederholungen für gleiche Baugruppen gleiche Bezugsziffern verwendet werden. Das Ausführungsbeispiel der Fig. 2 unterscheidet sich vom Ausführungsbeispiel der Fig. 1 lediglich dadurch, dass Partikel aus drei unterschiedlichen Beschichtungswerkstoffen der Mischeinrichtung 13 zuge- führt werden, wobei hierzu die Vorrichtung der Fig. 2 einen dritten Partikelfb'rderer 16 um- fasst. Im Ausführungsbeispiel der Fig. 2 werden die dritten Partikel des dritten Beschichtungswerkstoffs, die mit Hilfe des dritten Partikelförderers 16 zur Verfügung gestellt werden, jedoch keiner Vorwärmung unterzogen, sondern vielmehr nur die ersten Partikel des ersten Partikelwerkstoffs sowie die zweiten Partikel des zweiten Partikelwerkstoffs, welche über die Partikelförderer 11, 12 der Spritzpistole 10 bereitgestellt werden.
Es liegt demnach im Sinne der hier vorliegenden Erfindung, Partikel eines Beschichtungswerkstoffs beim Kaltgasspritzen vor dem Injizieren in die Spritzpistole auf eine werkstoffspezifische Temperatur zu erwärmen. Die auf unterschiedliche Temperaturen erwärmten Partikel werden vorzugsweise in der Mischvorrichtung 13 vermischt, bevor dieselben in die Spritzpistole 10 injiziert werden. Die Erfindung ist insbesondere zum Beschichten von Werkstücken mit Beschichtungswerkstoffen aus spröden Metallen oder Keramiken geeignet. Insbesondere findet die Erfindung Verwendung beim Beschichten von Werkstücken mit Ti6A14V.
Claims
1. Verfahren zum Kaltgasspritzen, wobei Partikel mindestens eines Beschichtungswerk- stoffs zusammen mit einem Trägergas mit Hilfe einer Spritzpistole auf eine Oberflä- che eines zu beschichtenden Werkstücks gerichtet werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel mindestens eines Beschichtungswerkstoffs vorgewärmt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel des oder jedes Beschichtungswerkstoffs vor dem Zuführen derselben in die Spritzpistole vorgewärmt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel des oder jedes Beschichtungswerkstoffs auf eine beschichtungswerk- stoffspezifische Temperatur vorgewärmt werden.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass erste Partikel eines ersten Beschichtungswerkstoffs auf eine erste beschichtungs- werkstoffspezifische Temperatur und zweite Partikel eines zweiten Beschichtungswerkstoffs auf eine zweite beschichtungswerkstoffspezifische Temperatur vorgewärmt werden.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die auf beschichtungswerkstoffspezifische Temperaturen erwärmten Partikel gemischt werden, bevor dieselben in den Bereich der Spritzpistole gelangen.
6. Vorrichtung zum Kaltgasspritzen, mit einer Spritzpistole, mit Hilfe derer Partikel mindestens eines Beschichtungswerkstoffs zusammen mit einem Trägergas auf eine Oberfläche eines zu beschichtenden Werkstücks gerichtet werden, gekennzeichnet durch mindestens eine Vorwärmeinrichtung (14, 15), um Partikel mindestens eines Beschichtungswerkstoffs vorzuwärmen.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die oder jede Vorwärmeinrichtung (14, 15) der Spritzpistole (10) derart vorgelagert ist, dass die jeweilige Vorwärmeinrichtung die Partikel des jeweiligen Beschichtungswerkstoffs vor dem Zuführen derselben in die Spritzpistole vorwärmt.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweilige Vorwärmeinrichtung (14, 15) die Partikel des jeweiligen Beschichtungswerkstoffs auf eine beschichtungswerkstoffspezifische Temperatur vorwärmt.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Vorwärmeinrichtung (14) erste Partikel eines ersten Beschichtungswerkstoffs auf eine erste beschichtungswerkstoffspezifische Temperatur und eine zweite Vorwärmeinrichtung (15) zweite Partikel eines zweiten Beschichtungswerkstoffs auf eine zweite beschichtungswerkstoffspezifische Temperatur vorwärmt, und zwar be- vor dieselben in den Bereich der Spritzpistole (10) gelangen.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen die Spritzpistole (10) und die Vorwärmeinrichtungen (14, 15) eine Misch- einrichtung (13) geschaltet ist, welche die auf beschichtungswerkstoffspezifische Temperatur erwärmten Partikel mischt, und zwar bevor dieselben in den Bereich der Spritzpistole (10) gelangen.
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