WO2010088879A1 - Method for producing a wear-resistant coating on a component - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a method and an apparatus for producing a wear-resistant coating on a component, in particular on a gas turbine component, for example on the blade tip of a rotor blade of a compressor or a turbine.
- Different components are coated to protect their surface against wear or corrosion, the thermal insulation of the underlying component zones or to improve their temperature and / or wear resistance with suitable materials, such as metals, metal alloys, ceramics, composites or so-called hard coatings.
- suitable materials such as metals, metal alloys, ceramics, composites or so-called hard coatings.
- Protective layers with wear-resistant surfaces or properties are used in particular for coating blade tips and are usually referred to as blade tip armor.
- the tip portion is often upgraded with a coating containing abrasive particles, also called hard coatings, which tip is intended to impact the surface of a sheath of a material that is softer than the contained abrasive particles.
- Electrodeposition is a process which is associated with great technical effort.
- This method is the use of two sequential deposition processes, which are associated with great technical effort and thus high costs.
- the electrodeposition of thick layers is also associated with a lot of time.
- electrodeposition coatings are not as stable and of high quality as coatings produced by soldering or welding.
- EP 0 686 229 B1 discloses a method for applying an abrasive layer to the end of a turbine blade.
- a metallic coating is first deposited by electrodeposition on the blade tips.
- particles of an abrasive material are subsequently anchored to the second layer by composite deposition.
- Electrodeposition is a process which involves a lot of technical effort.
- a particular disadvantage of this method is the use of two sequential deposition processes, which are associated with great technical complexity and thus high costs.
- the electrodeposition of thick layers is also associated with a lot of time.
- electrodeposition coatings are not as stable and of high quality as coatings produced by soldering or welding.
- a composite coating is furthermore known, which has distributed embedded hard material particles in a metallic matrix.
- the matrix is composed of an elec- trical solder containing titanium.
- the solder is formed by a multi-layer precoating on the base material, which consists of layers of the elementary components of the solder and / or the hard material particles.
- the composite coating is produced by melting the described solder on the base material.
- a disadvantage is that the loading of the component with hard material particles is associated here with high temperatures. In order for the hard particles to adhere to the component, the top layer of the solder must already melt before the hard particles are applied thereto. So this happens, the top layer of the solder must have the lowest melting temperature before the attachment of the hard particles.
- the production of a multilayer solder and the melting of the solder in the attachment of the hard material particles is also associated with great technical, energy and time.
- US Pat. No. 5,359,770 discloses an abrasive coating and a method of making it, which enable the construction of a wear-resistant tip armor on turbine blades.
- a semi-rigid film consisting of a metal matrix and hard particles in a mold is made to match the turbine blade tip shape and positioned at the tip to be coated.
- the preformed film is then melted on the blade tip. Rapid cooling of the coated blade tip in the vacuum oven then maintains the microstructure and mechanical properties of the blade.
- the coating used must be prepared before the actual melting process, be present as a film and molded in a mold suitable for the component to be coated.
- a disadvantage is the time required for these preparations. If you also want to use other hard material particles or another matrix composition, a new coating must be prepared in advance.
- US Pat. No. 6,811,898 B2 discloses an abrasive coating which contains hard material particles and a method for the production thereof.
- the abrasive coating is applied to the tip of a blade.
- a tape consisting of a plastic mixture containing a brazing alloy and a binder is placed on a component to be coated. Subsequently, this tape is treated with a liquid mixture containing hard particles.
- the hard material particles may be provided with a metallic sheathing.
- a disadvantage is that the hard material particles are mechanically applied to the tape together with a mixture. As a result, damage to the tape and the underlying component can not be excluded. In addition, it can not be ensured that the hard particles are evenly distributed on the surface. Furthermore, it can not be ruled out that some hard material particles form lumps. Both can lead to an undesirable, lower and above all irreproducible layer quality of the abrasive coating.
- a method for producing an abrasive coating on a component is known from DE 21 15 358 C2.
- the first consists of a metallic matrix material and a binder and the second of an organic binder and the particles used. Both tapes are produced in a surface adapted to the component to be coated and this coated.
- the layers may have previously been combined with each other by nip rolls or by means of an adhesive.
- Said device likewise serves in particular for producing a protective layer on the component and has at least one inductor for carrying out the inductive high-temperature soldering method, wherein at least one induction amplifier is arranged in the region of the solder foil or slurry layer between the inductor and the component with the solder foil or slurry layer.
- at least one induction amplifier is arranged in the region of the solder foil or slurry layer between the inductor and the component with the solder foil or slurry layer.
- the object of the invention is to provide a method for producing a wear-resistant coating on a component, which avoids the disadvantages of the prior art.
- a further object of the invention is to provide a device for producing a wear-resistant coating on a component, which avoids the disadvantages of the prior art.
- Another object of the invention is to provide a method which nonetheless reduces the necessary production time of such a coating and the amount of hard material particle necessary therefor.
- a solder layer is applied to the component and / or one or both surfaces of the solder layer are wetted at least partially with an adhesion promoter, wherein subsequently on the Component facing away from the surface hard material particles are applied by fluidized bed technology, which is then optionally dried, and wherein finally the resulting layer of solder, optionally adhesion promoter and hard particles is soldered to the component.
- the impact forces of the particles on the surface held in the fluidized bed can additionally be influenced, whereby the adhesion of the particles to the surface can be optimized and damage to the surface is avoided.
- the fluidized bed technology in the stationary state has the advantage of forming a particle bladder. This bubble has a clear limit and from the bubble formed only very few particles can be discharged. This leads to a sparing use of expensive because of the expensive manufacture of hard particles. Another The advantage is the fact that by switching off the upward flow, the bubble formed in the stationary state can be lowered in a controlled manner again.
- the solder layer consists of a metal foil, which is obtained from the melt of a solder alloy.
- this metallic foil is partially rolled.
- the solder layer consists of a flexible band, which is composed at least of solder powder and binder.
- the flexible band consists of at least one binder and a mixture of solder powder and MCrAlY powder, where Y is silver, gold, copper, cobalt, iron, titanium, nickel, tungsten, tin, silicon, boron, Chromium, zinc and / or mixtures thereof may be.
- Y is silver, gold, copper, cobalt, iron, titanium, nickel, tungsten, tin, silicon, boron, Chromium, zinc and / or mixtures thereof may be.
- the flexibility of the band allows easy and gentle attachment to the components to be coated.
- the solder layer consists of a slurry, which consists of a suspension of at least solder powder and binder.
- the suspension consists of at least one binder and a mixture of solder powder and MCrAlY powder, wherein Y is silver, gold, copper, cobalt, iron, titanium, nickel, tungsten, tin, silicon, boron, chromium, zinc and / or mixtures can be the same.
- a slip as a solder layer has the advantage of being particularly gentle when attached to the components. Another advantage is that the attachment of an adhesion promoter to fix the solder layer to the component and / or to allow the adhesion of the hard material particles to the surface can be omitted.
- the solder consists of an alloy with at least one main component corresponding to the material to be coated, for example titanium or nickel. This allows better adhesion of the wear-resistant coating in the subsequent soldering process on the component.
- the solder may contain additional alloying elements, preferably silver, gold, copper, cobalt, iron, titanium, nickel, tungsten, tin, silicon, boron, chromium, zinc and / or mixtures thereof.
- additional alloying elements preferably silver, gold, copper, cobalt, iron, titanium, nickel, tungsten, tin, silicon, boron, chromium, zinc and / or mixtures thereof.
- the solder layer is brought into a form before its attachment to the component which is adapted to the surface of the component to be coated.
- the solder layer is spot welded to the component to be coated, whereby the solder layer is fixed on the component, so that it is ensured in further manufacturing steps that the coating is soldered to the anticipated and to be coated surface.
- the solder layer is arranged flat on the component to be coated, which ensures that between the component and solder layer no or only a small distance is present. This ensures that, after the subsequent soldering process, a high-quality connection between the component and the wear-resistant coating is produced.
- Another advantage in the case of a vacuum or protective atmosphere soldering process is that no gases are trapped between the solder layer and the component.
- An advantageous development of the method provides to provide at least partially one or both surfaces of the solder layer with a bonding agent. This ensures that the used hard material particles of the fluidized bed adhere to the surface provided with adhesion promoter. On the other hand, a gentle fixing of the solder layer on the component can be achieved thereby.
- the adhesion promoter is preferably applied with a felt body to the corresponding surface or surfaces of the solder layer and / or sprayed onto the corresponding surface or surfaces of the solder layer.
- a felt body for applying the adhesion promoter to the surface to be coated or the spraying of the adhesion promoter ensures that neither the surface of the solder layer nor that of the underlying component is damaged.
- This type of application of the adhesion promoter also makes it possible to achieve very thin adhesion promoter layer thicknesses.
- the Adhesive with a brush, rollers, stamp, tampon or by immersing the solder layer in a primer on the desired surface or surfaces of the solder layer applied.
- adhesion promoter can be integrated in a simple manner, for example in an automated process.
- component surface can be applied to the solder layer on softer surfaces using similar methods, likewise with adhesion promoters.
- the attachment of the bonding agent can also be done both on the loose and on the already arranged on the component solder foil.
- the layer thickness of the applied adhesion promoter is smaller than the mean diameter of the hard material particles used, thereby ensuring that the hard particles remain adhered to the surface to be coated, but are not completely embedded in the adhesion promoter.
- the covering of the corresponding surface consists of only a few layers of hard material particles or quasi a monolayer of hard material particles.
- the hard material particles consist of carbide, nitride, oxide or mixtures thereof. Particularly preferred for their temperature resistance, oxidation resistance and high degree of hardness are (cubic) boron nitride, ceramic, titanium carbide, tungsten carbide, chromium carbide, silicon carbide, aluminum oxide and / or zirconium oxide or a mixture thereof.
- the hard material particles of different materials and / or with different diameters in a certain ratio to each other are used.
- the wear properties of the coating can be selectively varied and the amount of a particularly expensive type of particle can be reduced.
- varying the diameter of the hard material particles can be achieved at the same time that all hard material particles have approximately the same mass.
- Yet another advantageous embodiment of the method provides to provide the hard material particles used with a sheath, which is adapted in their composition of the solder layer.
- a better embedding of the hard material particles in the solder is achieved and a securely adhering Beschichrung of the component and a high layer quality allows.
- alloys which at least partially consist of cobalt, nickel, titanium or a mixture thereof.
- the solder layer is soldered to the component.
- Local inductive soldering is a high-temperature soldering process, namely an inductive soldering process, which is carried out under a protective atmosphere, under vacuum conditions or under normal conditions. It is also a local heating process, in which an inductor and optionally an optional induction amplifier are arranged above the solder layer to be soldered and the component, wherein a simultaneous heating of the component in the region of the solder layer to be soldered and heating of the solder layer itself by means of the inductor generated heat energy occurs.
- the temperature input into the solder layer and into the component can be influenced and controlled so that constant temperature conditions prevail in the component to be coated and in the solder layer, whereby high-quality, safe and durable coatings can be produced.
- the method is used to coat the blade tips of a turbomachine, in particular the blade tips of a turbine or a compressor.
- the method according to the invention is used to coat a plurality of blades, which are arranged radially on a disk, which can move in a circle.
- the individual steps of the method are performed at certain positions of the circle, along the circumference.
- a blisk can also be coated here.
- a device according to the invention for producing a wear-resistant coating on a component has a disk on which at least one component to be coated is arranged.
- the respective disc can be rotated about its axis, so that the components arranged on the disc, during the rotation of the disc about its axis, pass through a circular arc.
- the respective method steps of the method according to the invention are performed on the component.
- the inventive device simplifies and accelerates the serial coating of components.
- a blisk can also be clamped.
- a disk with at least one radially arranged component as a whole is replaced by a further disk, which likewise has at least one component arranged thereon.
- Fig.1 A schematic representation of the method according to the invention.
- Fig. 2 A schematic representation of a device according to the invention.
- FIG. 1 shows a schematic representation of the method according to the invention for producing a wear-resistant coating on a component.
- a solder layer is arranged and fixed on a component to be coated.
- the surface of the solder layer facing away from the component is at least partially wetted with an adhesion promoter.
- a monolayer of hard material particles is applied to the surface by fluidized bed technology.
- the surface is alternatively dried and, in a further method step 5, the resulting layer of the solder layer, the adhesion promoter and the hard material particles is soldered to the component or the resulting layer is composed from the solder layer, the bonding agent and the hard material particles without being dried before being soldered to the component.
- FIG. 2 shows a schematic representation of the device according to the invention for producing a wear-resistant coating on a component 6.
- a component 6 consisting of a titanium alloy turbine blades 6 are arranged radially on a circular disc 8.
- the disc or alternatively the blisk 8, is rotatable about its central axis 11, so that the turbine blades 6 arranged on the disc 8 can undergo a circular movement.
- the various steps 1, 2, 3, 4, 5 of the method according to the invention are carried out.
- a solder layer 9 preformed for the blade 6, which consists of a titanium or nickel alloy is arranged on the blade 6 and spot-welded to the blade 6.
- the disc 8 is rotated by a certain pitch angle, which in this example is 60 °, whereby the blade 6 is brought to the next process location.
- a certain pitch angle which in this example is 60 °
- the surface of the blade 6 to be coated is wetted with a bonding agent 10.
- the bonding agent 10 is applied with a felt body.
- the thus prepared blade 6 is above a fluidized bed 14, which consists of floating CBN particles 7.
- the relative distance of the surface of the fluidized bed 14 to the surface of the blade 6 to be coated is selected such that the surface of the blade 6 provided with adhesion promoter 10 comes into contact with the hard material particles 7, which randomly spread and adhere to it randomly and one Train monolayer.
- the blade 6 After another rotation of the holder 8 by the predetermined pitch angle, in this example 60 °, the blade 6 reaches the third process step 4, in which the surface of the blade 6 is dried by means of an air flow. Thereby Partially evaporates the solvent contained in the adhesion promoter 10, so that the hard particles 7 adhere to the surface.
- the ready-prepared layer of solder layer 9, bonding agent 10 and hard particles 7 is ready for soldering 5 with the blade 6.
- This is done by local inductive soldering using an inductor and optionally an optional induction amplifier, which is located at a small distance to the prepared surface and emits radiation heat in the region of the blade and the prepared layer.
- the solvent residues of the adhesion promoter 10 evaporate, and the solder layer 9 together with the CBN particles 7 enter into a cohesive connection with the blade 6.
- the blade 6 ' is ready with finished hard material coating 15 for further use.
- the process can be carried out as a fully automated process.
- the component to be coated may be, for example, a blade 6 'with a titanium alloy as the base material.
- the solder layer 9 used consists of a titanium alloy. After the application of adhesion promoter 10 on the blade tip, CBN particles 7 coated with a titanium alloy are applied to the surface with a fluidized bed 14 and dried. Subsequently, the solder layer 9 and the blade 6 are soldered together in a vacuum-taking, locally inductive Hochtemperaturlötrind. The prevailing in the process chamber vacuum is, for example, about 10 "5 mbar.
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Abstract
Description
Verfahren zur Herstellung einer verschleißfesten Beschichtung auf einem Bauteil Method for producing a wear-resistant coating on a component
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung einer verschleißfesten Beschichtung auf einem Bauteil, insbesondere auf einem Gasturbinenbauteil, beispielsweise auf der Schaufelspitze einer Laufschaufel eines Verdichters oder einer Turbine.The present invention relates to a method and an apparatus for producing a wear-resistant coating on a component, in particular on a gas turbine component, for example on the blade tip of a rotor blade of a compressor or a turbine.
Unterschiedliche Bauteile werden zum Schutz ihrer Oberfläche gegen Verschleiß oder Korrosion, zur Wärmedämmung der darunter liegenden Bauteilzonen oder zur Verbesserung ihrer Temperatur- und/oder Verschleißfestigkeit mit hierfür geeigneten Materialien, beispielsweise Metallen, Metalllegierungen, Keramiken, Verbundwerkstoffe oder sogenannten Hartstoffschichten beschichtet. Schutzschichten mit verschleißfesten Oberflächen bzw. Eigenschaften dienen insbesondere zur Beschichtung von Schaufelspitzen und werden üblicherweise als Schaufelspitzenpanzerung bezeichnet. Bei den Spitzen von Turbinenschaufeln wird häufig der Spitzenbereich mit einer Schleifteilchen enthaltenden Beschichtung, auch Hartstoffschichten genannt, aufgerüstet, wobei die Spitze auf die Oberfläche einer Ummantelung aus einem Material stoßen soll, das weicher als die enthaltenen Schleifteilchen ist.Different components are coated to protect their surface against wear or corrosion, the thermal insulation of the underlying component zones or to improve their temperature and / or wear resistance with suitable materials, such as metals, metal alloys, ceramics, composites or so-called hard coatings. Protective layers with wear-resistant surfaces or properties are used in particular for coating blade tips and are usually referred to as blade tip armor. In the tips of turbine blades, the tip portion is often upgraded with a coating containing abrasive particles, also called hard coatings, which tip is intended to impact the surface of a sheath of a material that is softer than the contained abrasive particles.
Aus dem Stand der Technik sind diverse verschleißfeste Temperatur-, Oxidations- und Korrosionsschutzschichten sowie Verfahren und Vorrichtungen zu ihrer Herstellung bekannt, um Bauteile mit solchen Beschichtungen zu versehen, welche insbesondere zur Panzerung von Turbinen- und Triebwerksteilen eingesetzt werden.Various wear-resistant temperature, oxidation and corrosion protection layers as well as methods and devices for their production are known from the prior art in order to provide components with such coatings, which are used in particular for armoring turbine and engine parts.
Aus der DE 691 00 853 T2 ist ein Verfahren zur Herstellung von Gasturbinenschaufeln mit einer Schleifspitze bekannt. In diesem Prozess wird mindestens eine Bindemittelbeschichtung auf der Spitze eines Schaufelkörpers durch Elektroabscheidung aufgebracht in der Teilchen eines Schleifmaterials durch Verbund- Elektroabscheidung verankert werden. Elektroabscheidung ist jedoch ein Verfahren welches mit großem technischen Aufwand verbunden ist. Ein besonderer Nachteil dieses Verfahrens ist die Verwendung von zwei nacheinander stattfindenden Abscheidungsprozessen, welche mit großem technischen Aufwand und somit hohen Kosten verbunden sind. Außerdem ist die Elektroabscheidung von dicken Schichten ebenfalls mit intensivem Zeitaufwand verbunden. Weiterhin sind durch Elektroabscheidung erzeugte Beschichtungen nicht so stabil und qualitativ hochwertig wie Beschichtungen, die durch Verlöten oder Verschweißen erzeugt werden.From DE 691 00 853 T2 a method for the production of gas turbine blades with a grinding tip is known. In this process, at least one binder coating on the tip of a blade body is deposited by electrodeposition in the particles of an abrasive material by composite electrodeposition. Electrodeposition, however, is a process which is associated with great technical effort. A particular disadvantage This method is the use of two sequential deposition processes, which are associated with great technical effort and thus high costs. In addition, the electrodeposition of thick layers is also associated with a lot of time. Furthermore, electrodeposition coatings are not as stable and of high quality as coatings produced by soldering or welding.
Aus der EP 0 686 229 Bl ist ein Verfahren zur Aufbringung einer abrasiven Schicht auf das Ende einer Turbinenschaufel bekannt. Bei diesem Verfahren wird zuerst eine metallische Beschichtung durch Elektroabscheidung auf den Schaufelspitzen aufgetragen. Nach dem elektrischen Abscheiden einer zweiten metallischen Beschichtung werden anschließend Partikel eines abrasiven Materials auf der zweiten Schicht durch Verbundabscheidung verankert. Elektroabscheidung ist jedoch ein Verfahren welches mit viel technischem Aufwand verbunden ist. Ein besonderer Nachteil dieses Verfahrens ist die Verwendung von zwei nacheinander stattfindenden Abscheidungsprozessen, welche mit großem technischen Aufwand und somit hohen Kosten verbunden sind. Außerdem ist die Elektroabscheidung von dicken Schichten ebenfalls mit intensivem Zeitaufwand verbunden. Weiterhin sind durch Elektroabscheidung erzeugte Beschichtungen nicht so stabil und qualitativ hochwertig wie Beschichtungen die durch Verlöten oder Verschweißen erzeugt werden.EP 0 686 229 B1 discloses a method for applying an abrasive layer to the end of a turbine blade. In this method, a metallic coating is first deposited by electrodeposition on the blade tips. After the electrical deposition of a second metallic coating, particles of an abrasive material are subsequently anchored to the second layer by composite deposition. Electrodeposition, however, is a process which involves a lot of technical effort. A particular disadvantage of this method is the use of two sequential deposition processes, which are associated with great technical complexity and thus high costs. In addition, the electrodeposition of thick layers is also associated with a lot of time. Furthermore, electrodeposition coatings are not as stable and of high quality as coatings produced by soldering or welding.
Aus der DE 4 439 950 C2 ist weiterhin eine Verbundbeschichtung bekannt, welche verteilt eingebettete Hartstoffpartikel in einer metallischen Matrix aufweist. Dabei setzt sich die Matrix aus einem elektischen Lot zusammen, das Titan enthält. Das Lot ist durch eine mehrlagige Vorbeschichtung auf dem Grundwerkstoff gebildet, welche aus Lagen der elementaren Komponenten des Lots und/oder der Hartstoffpartikel besteht. Die Verbundbeschichtung wird durch Aufschmelzen des beschriebenen Lots auf dem Grundwerkstoff erzeugt. Ein Nachteil besteht darin, dass das Bestücken des Bauteils mit Hartstoffpartikel hier mit hohen Temperaturen verbunden ist. Damit die Hartstoffpartikel am Bauteil haften bleiben, muss die obere Lage des Lots bereits schmelzen, bevor die Hartstoffpartikel darauf aufgebracht werden. Damit dies geschieht, muss die oberste Lage des Lots vor der Anbringung der Hartstoffpartikel die niedrigste Schmelztemperatur besitzen. Die Herstellung eines mehrlagigen Lots und das Verschmelzen des Lots bei der Anbringung der Hartstoffpartikel ist jedoch auch hier mit großem technischen, Energie- und Zeitaufwand verbunden.From DE 4 439 950 C2 a composite coating is furthermore known, which has distributed embedded hard material particles in a metallic matrix. The matrix is composed of an elec- trical solder containing titanium. The solder is formed by a multi-layer precoating on the base material, which consists of layers of the elementary components of the solder and / or the hard material particles. The composite coating is produced by melting the described solder on the base material. A disadvantage is that the loading of the component with hard material particles is associated here with high temperatures. In order for the hard particles to adhere to the component, the top layer of the solder must already melt before the hard particles are applied thereto. So this happens, the top layer of the solder must have the lowest melting temperature before the attachment of the hard particles. However, the production of a multilayer solder and the melting of the solder in the attachment of the hard material particles is also associated with great technical, energy and time.
Die US 5 359 770 offenbart eine abrasive Beschichtung und ein Verfahren zu ihrer Herstellung, die den Aufbau einer verschleißfesten Spitzenpanzerang auf Turbinenschaufeln ermöglichen. Dabei wird eine semi-rigide Folie bestehend aus einer Metall-Matrix und Hartstoffpartikeln in einer Form passend zu der Turbinenschaufelspitzenform gefertigt und an der zu beschichtenden Spitze positioniert. In einem unter Vakuum stattfindenden Erhitzungsvorgang wird anschließend die vorgeformte Folie auf der Schaufelspitze geschmolzen. Ein schnelles Abkühlen der beschichteten Schaufelspitze im Vakuumofen sorgt anschließend für die Beibehaltung der Mikrostruktur und der mechanischen Eigenschaften der Schaufel. In diesem Verfahren muss jedoch die verwendete Beschichtung vor dem eigentlichen Schmelzvorgang vorbereitet werden, als Folie vorliegen und in einer Form passend zu dem zu beschichtenden Bauteil geformt werden. Ein Nachteil ist dabei der Zeitaufwand für diese Vorbereitungen. Will man außerdem andere Hartstoffpartikel oder eine andere Matrix Zusammensetzung verwenden, muss eine neue Beschichtung im voraus vorbereitet werden.US Pat. No. 5,359,770 discloses an abrasive coating and a method of making it, which enable the construction of a wear-resistant tip armor on turbine blades. In this case, a semi-rigid film consisting of a metal matrix and hard particles in a mold is made to match the turbine blade tip shape and positioned at the tip to be coated. In a vacuum heating process, the preformed film is then melted on the blade tip. Rapid cooling of the coated blade tip in the vacuum oven then maintains the microstructure and mechanical properties of the blade. In this process, however, the coating used must be prepared before the actual melting process, be present as a film and molded in a mold suitable for the component to be coated. A disadvantage is the time required for these preparations. If you also want to use other hard material particles or another matrix composition, a new coating must be prepared in advance.
Aus der US 6 811 898 B2 sind eine abrasive Beschichtung, welche Hartstoffpartikel enthält, und ein Verfahren zu ihrer Herstellung bekannt. Die abrasive Beschichtung wird an der Spitze einer Schaufel angebracht. In dem Verfahren zur Herstellung der abrasiven Beschichtung wird ein aus einem Kunststoffgemisch bestehendes Tape, welches ein Hartlot sowie ein Bindemittel enthält, an einem zu beschichtenden Bauteil angeordnet. Anschließend wird dieses Tape mit einem flüssigen Gemisch behandelt, welches Hartstoffpartikel enthält. Dabei können die Hartstoffpartikel mit einer metallischen Ummantelung versehen sein. Durch eine im Hochvakuum stattfindende lokale Erhitzung des angeordneten und mit dem flüssigen Gemisch benetzten Tape wird erreicht, dass das Bindemittel verdunstet und dass das Hartlot sich mit den Hartstofφartikeln verbindet. Dadurch entsteht eine abrasive Beschichtung an der Oberfläche der Schaufelspitze. Ein Nachteil besteht darin, dass die Hartstoffpartikel zusammen mit einem Gemisch mechanisch auf das Tape aufgebracht werden. Dadurch kann eine Beschädigung des Tapes und des darunter liegenden Bauteils nicht ausgeschlossen werden. Außerdem kann nicht sicher gestellt werden, dass die Hartstoffpartikel auf der Oberfläche gleichmäßig verteilt sind. Es ist weiterhin nicht auszuschließen, dass einige Hartstoffpartikel Klumpen bilden. Beides kann zu einer unerwünschten, geringeren und vor allem nicht reproduzierbaren Schichtqualität der abrasiven Beschichtung führen.US Pat. No. 6,811,898 B2 discloses an abrasive coating which contains hard material particles and a method for the production thereof. The abrasive coating is applied to the tip of a blade. In the process for producing the abrasive coating, a tape consisting of a plastic mixture containing a brazing alloy and a binder is placed on a component to be coated. Subsequently, this tape is treated with a liquid mixture containing hard particles. The hard material particles may be provided with a metallic sheathing. By taking place in a high vacuum local heating of the arranged and wetted with the liquid mixture tape is achieved that the binder evaporates and that the braze with the Hartstofφartikeln connects. This creates an abrasive coating on the surface of the blade tip. A disadvantage is that the hard material particles are mechanically applied to the tape together with a mixture. As a result, damage to the tape and the underlying component can not be excluded. In addition, it can not be ensured that the hard particles are evenly distributed on the surface. Furthermore, it can not be ruled out that some hard material particles form lumps. Both can lead to an undesirable, lower and above all irreproducible layer quality of the abrasive coating.
Weiterhin ist aus der DE 21 15 358 C2 ein Verfahren zur Herstellung einer abrasiven Beschichtung auf einem Bauteil bekannt. In dem genannten Verfahren werden zuerst zwei selbsttragende Tapes hergestellt. Das erste besteht aus einem metallischen Matrix- Material und einem Bindemittel und das zweite aus einem organisches Bindemittel und den verwendeten Partikeln. Beide Tapes werden in einer der Oberfläche des zu beschichtenden Bauteils angepassten Form hergestellt und diesem übergezogen. Die Schichten können dabei vorher miteinander durch Quetschwalzen oder mittels eines Klebstoffs vereinigt worden sein. Durch Erhitzen des Bauteils mit den aufgebrachten Schichten auf eine Temperatur über der Erstarrungstemperatur des Metalls oder der Legierung, jedoch unter der Erstarrungstemperatur der Partikel, zersetzt sich das Bindemittel und die Partikel verteilen sich in der geschmolzenen metallischen Matrix. Die Herstellung von selbstragenden Tapes, welche zuerst geformt werden müssen und anschließend über ein Bauteil gezogen werden müssen, ist mit einem großen technischen Aufwand verbunden. Insbesondere die Herstellung eines Tapes aus einem organischen Bindemittel, welches zusätzlich Partikel enthält und selbstragend ist, erfordert die Verwendung von großen Mengen an Bindemittel. Außerdem muss das Bindemittel schließlich im Erhitzungsvorgang vollständig verdunsten. Dies ist mit einem hohen Energieaufwand und mit besonders kostspieligen Maßnahmen für die Entsorgung von Prozessgasen verbunden. Aus der WO 2008/106935 Al sind ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zum Beschichten von Bauteilen einer Gasturbine bekannt. Das genannte Verfahren dient insbesondere der Herstellung einer Schutzschicht auf dem Bauteil, welche aus mindestens einer Lotfolie oder aus einer Schlickerschicht besteht, die mittels eines induktiven Hochtemperaturlötverfahrens mit dem entsprechenden Bauteil verbunden wird. Die genannte Vorrichtung dient ebenfalls insbesondere der Herstellung einer Schutzschicht auf dem Bauteil und weist mindestens einen Induktor zur Durchführung des induktiven Hochtemperaturlötverfahrens auf, wobei zwischen dem Induktor und dem Bauteil mit der Lotfolie oder Schlickerschicht mindestens ein Induktionsverstärker im Bereich der Lotfolie oder Schlickerschicht angeordnet ist. Dabei erfolgt in der Regel das Aufbringen der Hartstoffpartikel auf die Lotfolie oder Schlickerschicht in einem aufwendigen manuellen Prozess, welcher mit einem großen zeitlichen Aufwand verbunden ist.Furthermore, a method for producing an abrasive coating on a component is known from DE 21 15 358 C2. In the mentioned method, first two self-supporting tapes are produced. The first consists of a metallic matrix material and a binder and the second of an organic binder and the particles used. Both tapes are produced in a surface adapted to the component to be coated and this coated. The layers may have previously been combined with each other by nip rolls or by means of an adhesive. By heating the component with the deposited layers to a temperature above the solidification temperature of the metal or alloy, but below the solidification temperature of the particles, the binder decomposes and the particles disperse in the molten metallic matrix. The production of self-supporting tapes, which must first be formed and then pulled over a component, is associated with a great deal of technical effort. In particular, the preparation of a tape of an organic binder which additionally contains particles and is self-supporting, requires the use of large amounts of binder. In addition, the binder must finally evaporate completely in the heating process. This is associated with a high energy consumption and particularly costly measures for the disposal of process gases. From WO 2008/106935 Al a method and an apparatus for coating components of a gas turbine are known. Said method is used in particular for producing a protective layer on the component which consists of at least one solder foil or of a slurry layer which is connected to the corresponding component by means of an inductive high-temperature soldering process. Said device likewise serves in particular for producing a protective layer on the component and has at least one inductor for carrying out the inductive high-temperature soldering method, wherein at least one induction amplifier is arranged in the region of the solder foil or slurry layer between the inductor and the component with the solder foil or slurry layer. In this case, as a rule, the application of the hard material particles to the solder foil or slurry layer takes place in a complicated manual process, which is associated with a great expenditure of time.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung einer verschleißfesten Beschichtung auf einem Bauteil bereitzustellen, welches die genannten Nachteile des Standes der Technik vermeidet. Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung zur Herstellung einer verschleißfesten Beschichtung auf einem Bauteil bereitzustellen, welche die genannten Nachteile des Standes der Technik vermeidet. Es ist insbesondere die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer verschleißfesten Beschichtung auf einem Bauteil, beispielsweise zur Spitzenpanzerung von Verdichter- und Turbinenschaufeln, bereitzustellen, das einerseits eine qualitativ hochwertige, sichere und dauerhafte Beschichtung der Bauteile und anderseits eine einfache, automatisierbare und einheitliche Prozessregelung sowie hohe Produktionsraten ermöglicht. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es ein Verfahren zu schaffen, welches gleichwohl die notwendige Herstellungszeit einer solchen Beschichtung und die dafür notwendige Hartstoffpartikelmenge reduziert.The object of the invention is to provide a method for producing a wear-resistant coating on a component, which avoids the disadvantages of the prior art. A further object of the invention is to provide a device for producing a wear-resistant coating on a component, which avoids the disadvantages of the prior art. It is in particular the object of the present invention to provide a method for producing a wear-resistant coating on a component, for example for the top armor of compressor and turbine blades, on the one hand a high-quality, safe and durable coating of the components and on the other hand a simple, automatable and uniform Process control and high production rates possible. Another object of the invention is to provide a method which nonetheless reduces the necessary production time of such a coating and the amount of hard material particle necessary therefor.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und eine Vorrichtung gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 25 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den jeweiligen Unteransprüchen angegeben.This object is achieved by a method according to the features of patent claim 1 and a device according to the features of patent claim 25. Advantageous embodiments of the invention are specified in the respective subclaims.
In einem erfϊndungsgemäßen Verfahren zur Herstellung einer verschleißfesten Beschichtung auf einem Bauteil werden zumindest die folgenden Schritte durchgeführt: Eine Lotschicht wird an dem Bauteil aufgebracht und/oder eine oder beide Oberfläche(n) der Lotschicht zumindest teilweise mit einem Haftvermittler benetzt, wobei anschließend auf der dem Bauteil abgewandten Oberfläche Hartstoffpartikel durch Wirbelschichttechnik aufgebracht werden, welche danach optional getrocknet wird, und wobei schließlich die entstandene Schicht aus Lot, ggf. Haftvermittler und Hartstoffpartikeln mit dem Bauteil verlötet wird.In a method according to the invention for producing a wear-resistant coating on a component, at least the following steps are carried out: A solder layer is applied to the component and / or one or both surfaces of the solder layer are wetted at least partially with an adhesion promoter, wherein subsequently on the Component facing away from the surface hard material particles are applied by fluidized bed technology, which is then optionally dried, and wherein finally the resulting layer of solder, optionally adhesion promoter and hard particles is soldered to the component.
Mit der aufwärtsgerichteten Strömung eines Gases oder eines Fluids durch eine Anhäufung von festen Stoffpartikeln entsteht eine Wirbelschicht. Dabei werden die festen Stoffpartikel in einen Zustand versetzt, welcher dem Zustand eines Fluids ähnelt. Es handelt sich bei einer Wirbelschicht letztendlich um eine Gas-Feststoff Suspension, welche flüssigkeitsähnliche Eigenschaften aufweist. Durch diese Technik kommt es einerseits zu einer guten Vermischung der verschiedenen Partikel und anderseits zu einer erhöhten Wahrscheinlichkeit, dass die vollständige Fläche eines in der Gas- Feststoff Suspension gehaltenen Bauteils Stöße mit den verwendeten Feststoffpartikeln erfährt. Im Fall einer klebenden Oberfläche, welche im Verfahren verwendet wird, wird somit erreicht, dass die verwendeten Feststoffpartikel an der Oberfläche haften bleiben und dass diese statistisch auf dieser Oberfläche verteilt werden. Durch die Regulierung der Stärke der aufwärtsgerichteten Strömung kann zusätzlich auf die Aufprallkräfte der Partikel an der in der Wirbelschicht gehaltenen Fläche Einfluss genommen werden, wodurch das Anheften der Partikel an der Oberfläche optimiert werden kann und eine Beschädigung der Oberfläche vermieden wird. Außerdem bietet die Wirbelschichttechnik im stationären Zustand den Vorteil eine Partikel-Blase zu bilden. Diese Blase besitzt eine deutliche Grenze und aus der gebildeten Blase können nur sehr wenige Partikeln ausgetragen werden. Dies führt zu einer sparsamen Verwendung der wegen der aufwändigen Herstellung zum Teil teueren Hartstoffpartikel. Ein weiterer Vorteil ist die Tatsache, dass sich durch das Ausschalten der aufwärtsgerichteten Strömung die im stationären Zustand gebildete Blase wieder kontrolliert absenken lässt. Dadurch ist eine vertikale Bewegung der mit den Partikeln zu beschichtenden klebenden Flächen oder die senkrechte Bewegung des Wirbelschichthalters selber überflüssig und kann durch das einfache Aufblasen und wieder Absenken der Blase ersetzt werden. Somit kann das Anbringen einer Partikellage auf der klebenden Oberfläche sehr einfach in einen automatisierbaren Prozess integriert werden. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass mit höchster Wahrscheinlichkeit die vollständige in der Wirbelschicht gehaltenen Oberfläche das Auftreffen von Partikel erfahren kann. Somit wird eine vollständige oder fast vollständige Bedeckung der zu beschichtenden Oberfläche erreicht. Somit wird außerdem eine regellose Schicht von Hartstoffpartikeln erzeugt, welche statistisch verteilt sind.With the upward flow of a gas or a fluid through an accumulation of solid particles of matter creates a fluidized bed. In this case, the solid particles are placed in a state which is similar to the state of a fluid. A fluidized bed is ultimately a gas-solid suspension which has liquid-like properties. On the one hand, this technique results in a good mixing of the various particles and, on the other hand, in an increased probability that the complete surface of a component held in the gas-solid suspension experiences impacts with the solid particles used. In the case of an adhesive surface used in the process, it is thus achieved that the solid particles used adhere to the surface and that they are randomly distributed on this surface. By regulating the strength of the upward flow, the impact forces of the particles on the surface held in the fluidized bed can additionally be influenced, whereby the adhesion of the particles to the surface can be optimized and damage to the surface is avoided. In addition, the fluidized bed technology in the stationary state has the advantage of forming a particle bladder. This bubble has a clear limit and from the bubble formed only very few particles can be discharged. This leads to a sparing use of expensive because of the expensive manufacture of hard particles. Another The advantage is the fact that by switching off the upward flow, the bubble formed in the stationary state can be lowered in a controlled manner again. As a result, a vertical movement of the adhesive surfaces to be coated with the particles or the vertical movement of the fluidized bed holder itself is superfluous and can be replaced by simply inflating and then lowering the bladder. Thus, the attachment of a particle layer on the adhesive surface can be easily integrated into an automatable process. Another advantage is that it is highly probable that the complete surface held in the fluidized bed can experience the impact of particles. Thus, a complete or almost complete coverage of the surface to be coated is achieved. Thus, also a random layer of hard material particles is generated, which are statistically distributed.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht die Lotschicht aus einer Metallfolie, welche aus der Schmelze einer Lotlegierung gewonnen wird. Optional wird diese metallische Folie teilweise gewalzt. Dadurch kann die Schichtdicke der Lotschicht dem Bedarf entsprechend variiert werden ohne dass sie schon bei der Herstellung der Schmelze berücksichtigt werden muss.In an advantageous embodiment of the method according to the invention, the solder layer consists of a metal foil, which is obtained from the melt of a solder alloy. Optionally, this metallic foil is partially rolled. As a result, the layer thickness of the solder layer can be varied according to requirements without it having to be taken into account during the production of the melt.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht die Lotschicht aus einem flexiblen Band, welches sich zumindest aus Lotpulver und Binder zusammensetzt. In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfmdungsgemäßen Verfahrens besteht das flexible Band zumindest aus einem Binder und einem Gemisch aus Lotpulver und MCrAlY-Pulver, wobei Y Silber, Gold, Kupfer, Kobalt, Eisen, Titan, Nickel, Wolfram, Zinn, Silizium, Bor, Chrom, Zink und/oder Mischungen derselben sein kann. Die Flexibilität des Bandes ermöglicht eine einfache und schonende Anbringung an den zu beschichtenden Bauteilen.In a further advantageous embodiment of the method according to the invention, the solder layer consists of a flexible band, which is composed at least of solder powder and binder. In a further advantageous embodiment of the inventive method, the flexible band consists of at least one binder and a mixture of solder powder and MCrAlY powder, where Y is silver, gold, copper, cobalt, iron, titanium, nickel, tungsten, tin, silicon, boron, Chromium, zinc and / or mixtures thereof may be. The flexibility of the band allows easy and gentle attachment to the components to be coated.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht die Lotschicht aus einem Schlicker, welcher aus einer Suspension aus zumindest Lotpulver und Binder besteht. In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht die Suspension zumindest aus einem Binder und einem Gemisch aus Lotpulver und MCrAlY-Pulver, wobei Y Silber, Gold, Kupfer, Kobalt, Eisen, Titan, Nickel, Wolfram, Zinn, Silizium, Bor, Chrom, Zink und/oder Mischungen derselben sein kann. Die Verwendung eines Schlicker als Lotschicht hat den Vorteil besonders schonend bei der Anbringung an den Bauteilen zu sein. Ein weiterer Vorteil liegt daran, dass das Anbringen eines Haftvermittlers um die Lotschicht an dem Bauteil zu fixieren und/oder um das Haften der Hartstoffpartikel an der Oberfläche zu ermöglichen entfallen kann.In a further advantageous embodiment of the method according to the invention, the solder layer consists of a slurry, which consists of a suspension of at least solder powder and binder. In a further advantageous embodiment of the According to the invention, the suspension consists of at least one binder and a mixture of solder powder and MCrAlY powder, wherein Y is silver, gold, copper, cobalt, iron, titanium, nickel, tungsten, tin, silicon, boron, chromium, zinc and / or mixtures can be the same. The use of a slip as a solder layer has the advantage of being particularly gentle when attached to the components. Another advantage is that the attachment of an adhesion promoter to fix the solder layer to the component and / or to allow the adhesion of the hard material particles to the surface can be omitted.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht das Lot aus einer Legierung mit zumindest einem Hauptbestandteil entsprechend des zu beschichtenden Werkstoffes, beispielsweise Titan oder Nickel. Dadurch wird eine bessere Haftung der verschleißfesten Beschichtung im späteren Lötprozess auf dem Bauteil ermöglicht.In an advantageous embodiment of the method according to the invention, the solder consists of an alloy with at least one main component corresponding to the material to be coated, for example titanium or nickel. This allows better adhesion of the wear-resistant coating in the subsequent soldering process on the component.
In einer weiteren Ausführungsform des erfmdungsgemäßen Verfahrens kann darüber hinaus das Lot zusätzliche Legierungselemente, vorzugsweise Silber, Gold, Kupfer, Kobalt, Eisen, Titan, Nickel, Wolfram, Zinn, Silizium, Bor, Chrom, Zink und/oder Mischungen derselben enthalten. Durch das Hinzufügen von weiteren Elementen kann die Lotzusammensetzung gezielt variiert werden, so dass unter anderem auf die Löttemperatur des Lots Einfluss genommen werden kann. Dadurch kann beispielsweise die Löttemperatur des Lots und die des Bauteilmaterials ähnlich hoch gehalten werden. Durch eine geeignete Wahl kann gleichzeitig die spätere Einbettung der Hartstoffteilchen vereinfacht werden.In a further embodiment of the method according to the invention, moreover, the solder may contain additional alloying elements, preferably silver, gold, copper, cobalt, iron, titanium, nickel, tungsten, tin, silicon, boron, chromium, zinc and / or mixtures thereof. By adding further elements, the solder composition can be selectively varied, so that among other things the soldering temperature of the solder can be influenced. As a result, for example, the soldering temperature of the solder and that of the component material can be kept similarly high. By a suitable choice, the later embedding of the hard material particles can be simplified at the same time.
In einer weiteren vorteilhaften Ausbildung des erfϊndungsgemäßen Verfahrens wird die Lotschicht vor ihrer Anbringung am Bauteil in eine Form gebracht, welche der zu beschichtenden Fläche des Bauteils angepasst ist. Dadurch wird eine einfachere und schonende Anbringung der Lotschicht am Bauteil ermöglicht, wodurch ein zeitsparender, beispielsweise automatisierter Herstellungsprozess ermöglicht wird und gleichzeitig Beschädigungen beim Anbringen der Lotschicht am Bauteil vermieden werden.In a further advantageous embodiment of the method according to the invention, the solder layer is brought into a form before its attachment to the component which is adapted to the surface of the component to be coated. As a result, a simpler and gentler attachment of the solder layer on the component is made possible, whereby a time-saving, for example, automated manufacturing process is made possible and at the same time damage to the attachment of the solder layer on the component can be avoided.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird die Lotschicht mit dem zu beschichtenden Bauteil punktgeschweißt, wodurch die Lotschicht auf dem Bauteil fixiert wird, so dass in weiteren Herstellungsschritten gewährleistet ist, dass die Beschichtung an der vorhergesehenen und zu beschichtenden Fläche verlötet wird.In a further embodiment of the invention, the solder layer is spot welded to the component to be coated, whereby the solder layer is fixed on the component, so that it is ensured in further manufacturing steps that the coating is soldered to the anticipated and to be coated surface.
In einem weiteren vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist die Lotschicht auf dem zu beschichtenden Bauteil flächig angeordnet, wodurch gewährleistet ist, dass zwischen Bauteil und Lotschicht kein oder nur ein geringer Abstand vorhanden ist. Dadurch wird erreicht, dass, nach dem späteren Lötprozess eine qualitativ hochwertige Verbindung zwischen dem Bauteil und der verschleißfesten Beschichtung entsteht. Ein weiterer Vorteil im Fall eines Lötverfahrens unter Vakuum oder unter Schutzatmosphäre besteht darin, dass keine Gase zwischen Lotschicht und Bauteil eingeschlossen sind.In a further advantageous embodiment, the solder layer is arranged flat on the component to be coated, which ensures that between the component and solder layer no or only a small distance is present. This ensures that, after the subsequent soldering process, a high-quality connection between the component and the wear-resistant coating is produced. Another advantage in the case of a vacuum or protective atmosphere soldering process is that no gases are trapped between the solder layer and the component.
Eine vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens sieht vor, eine oder beide Oberfläche(n) der Lotschicht zumindest teilweise mit einem Haftvermittler zu versehen. Dadurch wird erreicht, dass die verwendeten Hartstoffpartikel der Wirbelschicht an der mit Haftvermittler versehenen Oberfläche haften bleiben. Andererseits kann ein schonendes Fixieren der Lotschicht auf dem Bauteil dadurch erzielt werden.An advantageous development of the method provides to provide at least partially one or both surfaces of the solder layer with a bonding agent. This ensures that the used hard material particles of the fluidized bed adhere to the surface provided with adhesion promoter. On the other hand, a gentle fixing of the solder layer on the component can be achieved thereby.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel des Verfahrens wird der Haftvermittler dabei vorzugsweise mit einem Filzkörper an der entsprechenden Oberfläche oder Oberflächen der Lotschicht aufgebracht und/oder auf der entsprechenden Oberfläche oder Oberflächen der Lotschicht aufgesprüht. Die Verwendung eines Filzkörpers zum aufbringen des Haftvermittlers auf die zu beschichtende Oberfläche oder das Aufsprühen des Haftvermittlers stellt sicher, dass weder die Oberfläche der Lotschicht noch die des darunter liegenden Bauteils beschädigt wird. Diese Art der Applikation des Haftvermittlers ermöglicht weiterhin das Erreichen von sehr dünnen Haftvermittlerschichtdicken. In anderen weiteren Ausführungsbeispielen wird der Haftvermittler mit einem Pinsel, Rollen, Stempel, Tampon oder durch Tauchen der Lotschicht in einem Haftvermittlerbad auf der gewünschten Oberfläche oder Oberflächen der Lotschicht aufgebracht. Diese Art der Applikation des Haftvermittlers kann in einer einfachen Weise, beispielsweise in einem automatisierten Prozess integriert werden. Alternativ oder komplementär dazu kann selbstverständlich auch die Bauteiloberfläche auf weicher die Lotschicht aufzubringen ist mit ähnlichen Methoden ebenfalls mit Haftvermittler versehen werden. Das Anbringen des Haftvermittlers kann ferner sowohl auf die lose als auch auf die schon am Bauteil angeordnete Lotfolie geschehen.In a further embodiment of the method, the adhesion promoter is preferably applied with a felt body to the corresponding surface or surfaces of the solder layer and / or sprayed onto the corresponding surface or surfaces of the solder layer. The use of a felt body for applying the adhesion promoter to the surface to be coated or the spraying of the adhesion promoter ensures that neither the surface of the solder layer nor that of the underlying component is damaged. This type of application of the adhesion promoter also makes it possible to achieve very thin adhesion promoter layer thicknesses. In other further embodiments, the Adhesive with a brush, rollers, stamp, tampon or by immersing the solder layer in a primer on the desired surface or surfaces of the solder layer applied. This type of application of the adhesion promoter can be integrated in a simple manner, for example in an automated process. As an alternative or complementary to this, it is of course also possible for the component surface to be applied to the solder layer on softer surfaces using similar methods, likewise with adhesion promoters. The attachment of the bonding agent can also be done both on the loose and on the already arranged on the component solder foil.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens ist die Schichtdicke des aufgebrachten Haftvermittlers kleiner als der mittleren Durchmesser der verwendeten Hartstoffpartikel, wodurch sicher gestellt wird, dass die Hartstoffpartikel zwar an der zu beschichtenden Oberfläche haften bleiben, jedoch nicht vollständig im Haftvermittler eingebettet werden. Dadurch wird gleichzeitig erreicht, dass die Bedeckung der entsprechenden Oberfläche aus nur wenigen Lagen von Hartstoffpartikeln oder quasi aus einer Monolage von Hartstoffpartikeln besteht.In a further preferred embodiment of the method, the layer thickness of the applied adhesion promoter is smaller than the mean diameter of the hard material particles used, thereby ensuring that the hard particles remain adhered to the surface to be coated, but are not completely embedded in the adhesion promoter. As a result, it is simultaneously achieved that the covering of the corresponding surface consists of only a few layers of hard material particles or quasi a monolayer of hard material particles.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens bestehen die Hartstoffpartikel aus Karbid, Nitrid, Oxid oder Mischungen derselben. Besonders bevorzugt aufgrund ihrer Temperaturfestigkeit, Oxidationsbeständigkeit und ihrem hohen Härtegrad sind (kubisches) Bohrnitrid, Keramik, Titankarbid, Wolframkarbid, Chromkarbid, Siliziumkarbid, Aluminiumoxid und/oder Zirkonoxid oder einer Mischung davon. Durch die Wahl des Materials der Hartstoffpartikel werden gezielt Beschichtungen mit verschiedenen Verschleißeigenschaften erzeugt. Somit kann beispielsweise die Härte der Beschichtung für spezifische Anwendungen variiert werden.In a further advantageous embodiment of the method, the hard material particles consist of carbide, nitride, oxide or mixtures thereof. Particularly preferred for their temperature resistance, oxidation resistance and high degree of hardness are (cubic) boron nitride, ceramic, titanium carbide, tungsten carbide, chromium carbide, silicon carbide, aluminum oxide and / or zirconium oxide or a mixture thereof. By choosing the material of the hard material particles, coatings having different wear properties are selectively produced. Thus, for example, the hardness of the coating can be varied for specific applications.
In einem weiteren vorteilhaften Ausführungsbeispiel werden die Hartstoffpartikel aus unterschiedlichen Materialien und/oder mit unterschiedlichem Durchmesser in einem bestimmten Verhältnis zueinander verwendet. Durch die Vermischung von Hartstoffpartikel aus unterschiedlichen Materialien, welche auf der zu beschichtenden Oberfläche statistisch verteilt werden, können die Verschleißeigenschaften der Beschichtung gezielt variiert werden und die Menge einer besonders teueren Partikelsorte reduziert werden. Durch das Variieren der Durchmesser der Hartstoffpartikel kann gleichzeitig erreicht werden, dass alle Hartstoffpartikel in etwa die gleiche Masse aufweisen.In a further advantageous embodiment, the hard material particles of different materials and / or with different diameters in a certain ratio to each other are used. By mixing of Hard material particles of different materials, which are randomly distributed on the surface to be coated, the wear properties of the coating can be selectively varied and the amount of a particularly expensive type of particle can be reduced. By varying the diameter of the hard material particles can be achieved at the same time that all hard material particles have approximately the same mass.
Noch eine weitere vorteilhafte Ausführungsform des Verfahrens sieht vor, die verwendeten Hartstoffpartikel mit einer Ummantelung zu versehen, welche in ihrer Zusammensetzung der Lotschicht angepasst ist. Dadurch wird beispielsweise eine bessere Einbettung der Hartstoffpartikel in das Lot erreicht und eine sicher haftende Beschichrung des Bauteils sowie eine hohe Schichtqualität ermöglicht. Besonders bevorzugt werden Legierungen, welche zumindest teilweise aus Kobalt, Nickel, Titan oder eine Mischung davon bestehen.Yet another advantageous embodiment of the method provides to provide the hard material particles used with a sheath, which is adapted in their composition of the solder layer. As a result, for example, a better embedding of the hard material particles in the solder is achieved and a securely adhering Beschichrung of the component and a high layer quality allows. Particular preference is given to alloys which at least partially consist of cobalt, nickel, titanium or a mixture thereof.
In einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel des Verfahrens wird die Lotschicht mit dem Bauteil verlötet. Dies geschieht, je nach verwendeten Materialien unter Schutzgas und/oder in einem Vakuumofen und/oder lokal induktiv. Das lokal induktive Löten ist ein Hochtemperaturlötverfahren, namentlich ein induktiver Lötprozess, welcher unter Schutzatmosphäre, unter Vakuumbedingungen oder unter normalen Bedingungen durchgeführt wird. Es ist weiterhin ein lokaler Erwärmungsprozess, in dem ein Induktor und ggf. ein optionaler Induktionsverstärker über der zu lötenden Lotschicht und dem Bauteil angeordnet sind, wobei ein zeitgleiches Erwärmen des Bauteils im Bereich der zu lötenden Lotschicht und ein Erwärmen der Lotschicht selbst mittels der vom Induktor erzeugten Wärmeenergie erfolgt. Dies ermöglicht, dass zwischen Lotschicht und Bauteil eine stoffschlüssige Verbindung entsteht. Durch optionale Verwendung eines Induktionsverstärkers kann zugleich der Temperatureintrag in die Lotschicht und in das Bauteil beeinflusst und so gesteuert werden, dass konstante Temperaturbedingungen in dem zu beschichtenden Bauteil und in der Lotschicht herrschen, wodurch qualitativ hochwertige, sichere und dauerhafte Beschichtungen erzeugt werden können. In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird das Verfahren verwendet, um die Schaufelspitzen einer Strömungsmaschine zu beschichten, insbesondere die Schaufelspitzen einer Turbine oder eines Verdichters, Diese Bauteile einer Gasturbine bzw. eines Flugzeugantriebs unterliegen erhöhtem Verschleiß und müssen qualitativ höchsten Anforderungen genügen.In a further preferred embodiment of the method, the solder layer is soldered to the component. This happens, depending on the materials used under inert gas and / or in a vacuum oven and / or locally inductive. Local inductive soldering is a high-temperature soldering process, namely an inductive soldering process, which is carried out under a protective atmosphere, under vacuum conditions or under normal conditions. It is also a local heating process, in which an inductor and optionally an optional induction amplifier are arranged above the solder layer to be soldered and the component, wherein a simultaneous heating of the component in the region of the solder layer to be soldered and heating of the solder layer itself by means of the inductor generated heat energy occurs. This allows a cohesive bond to form between the solder layer and the component. By optionally using an induction amplifier, the temperature input into the solder layer and into the component can be influenced and controlled so that constant temperature conditions prevail in the component to be coated and in the solder layer, whereby high-quality, safe and durable coatings can be produced. In a further embodiment of the invention, the method is used to coat the blade tips of a turbomachine, in particular the blade tips of a turbine or a compressor. These components of a gas turbine or an aircraft drive are subject to increased wear and must meet the highest quality requirements.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird das erfindungsgemäße Verfahren verwendet, um mehrere Schaufeln, welche radial auf einer Scheibe angeordnet sind, welche sich im Kreis bewegen kann, zu beschichten. Dabei werden an bestimmten Positionen des Kreises, entlang des Umfangs, die einzelne Schritte des Verfahrens durchgeführt. Alternativ kann hier auch eine Blisk beschichtet werden.In a further embodiment of the invention, the method according to the invention is used to coat a plurality of blades, which are arranged radially on a disk, which can move in a circle. In this case, the individual steps of the method are performed at certain positions of the circle, along the circumference. Alternatively, a blisk can also be coated here.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Herstellung einer verschleißfesten Beschichtung auf einem Bauteil weist eine Scheibe auf, an der zumindest ein zu beschichtendes Bauteil angeordnet wird. Die jeweilige Scheibe kann um ihre Achse gedreht werden, so dass die an der Scheibe angeordneten Bauteile, bei der Drehung der Scheibe um ihre Achse, einen Kreisbogen durchlaufen. An bestimmten Positionen des Umfangs dieses Kreisbogens werden die jeweiligen Verfahrenschritte des erfindungsgemäßen Verfahrens an dem Bauteil durchgeführt. Dabei kann ein bestimmter und zwischen den Verfahrensschritten gleich gehaltener Teilungswirikel oder aber unterschiedliche Teilungswinkel zwischen den einzelnen Verfahrenschritten verwendet werden. Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung wird das serielle Beschichten von Bauteilen vereinfacht und beschleunigt. Alternativ zu einer entsprechenden Scheibe kann beispielsweise auch eine Blisk eingespannt werden.A device according to the invention for producing a wear-resistant coating on a component has a disk on which at least one component to be coated is arranged. The respective disc can be rotated about its axis, so that the components arranged on the disc, during the rotation of the disc about its axis, pass through a circular arc. At certain positions of the circumference of this circular arc, the respective method steps of the method according to the invention are performed on the component. In this case, it is possible to use a specific dividing vertex that is kept the same between the method steps or different dividing angles between the individual method steps. The inventive device simplifies and accelerates the serial coating of components. As an alternative to a corresponding disc, for example, a blisk can also be clamped.
In einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird eine Scheibe mit zumindest einem radial angeordneten Bauteil als Ganzes durch eine weitere Scheibe ersetzt, welche ebenfalls zumindest ein daran angeordnetes Bauteil aufweist. Dadurch wird die notwendige Zeit für das Montieren der Bauteile an der Scheibe reduziert, da die Montage im Vorfeld des Beschichtungsprozesses geschehen kann, so dass nur die Zeit für das Auswechseln der Scheibe berücksichtigt werden muss.In a further embodiment of the device according to the invention, a disk with at least one radially arranged component as a whole is replaced by a further disk, which likewise has at least one component arranged thereon. This will provide the necessary time for mounting the components to the disk reduced, since the assembly can be done in advance of the coating process, so that only the time for replacing the disc must be considered.
Verwendung findet eine o.g. Vorrichtung oder ein o.g. Verfahren insbesondere bei der Herstellung, Reparatur und Beschichtung von Bauteilen von Gasturbinen oder Flugtriebwerke. Insbesondere bei der Beschaufelung von Gasturbinen ergeben sich aufgrund der konvexen und konkaven Profilwölbung, der Verwindung und der ineinander übergehenden Radien besonders große Schwierigkeiten beim Anbringen geeigneter Beschichtungen. Diese Schwierigkeiten können durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Herstellen einer verschleißfesten Beschichtung auf einem Bauteil und ein entsprechendes Verfahren überwunden werden.Use finds an o.g. Device or an o.g. Method especially in the manufacture, repair and coating of components of gas turbines or aircraft engines. In particular, in the blading of gas turbines arise due to the convex and concave profile curvature, the distortion and merging radii particularly great difficulties in applying suitable coatings. These difficulties can be overcome by a device according to the invention for producing a wear-resistant coating on a component and a corresponding method.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im Folgenden zusammen mit den Figuren näher dargestellt.A preferred embodiment of the invention will be described in more detail below together with the figures.
Es zeigen:Show it:
Fig.1 : Eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens;Fig.1: A schematic representation of the method according to the invention;
Fig. 2: Eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.Fig. 2: A schematic representation of a device according to the invention.
Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer verschleißfesten Beschichtung auf einem Bauteil. In einem ersten Verfahrenschritt 1 wird eine Lotschicht an einem zu beschichtenden Bauteil angeordnet und fixiert. In einem zweiten Verfahrenschritt 2 wird die dem Bauteil abgewandte Oberfläche der Lotschicht zumindest teilweise mit einem Haftvermittler benetzt. In einem dritten Verfahrenschritt 3 wird eine Monolage von Hartstoffpartikeln auf der Oberfläche durch Wirbelschichttechnik aufgebracht. In einem weiteren Verfahrensschritt 4 wird alternativ die Oberfläche getrocknet und in einem weiteren Verfahrensschritt 5 die entstandene Schicht aus der Lotschicht, dem Haftvermittler und den Hartstoffpartikeln mit dem Bauteil verlötet oder die entstandene Schicht bestehend aus der Lotschicht, dem Haftvermittler und den Hartstoffpartikeln ohne vorher getrocknet zu werden mit dem Bauteil verlötet.FIG. 1 shows a schematic representation of the method according to the invention for producing a wear-resistant coating on a component. In a first method step 1, a solder layer is arranged and fixed on a component to be coated. In a second method step 2, the surface of the solder layer facing away from the component is at least partially wetted with an adhesion promoter. In a third process step 3, a monolayer of hard material particles is applied to the surface by fluidized bed technology. In a further method step 4, the surface is alternatively dried and, in a further method step 5, the resulting layer of the solder layer, the adhesion promoter and the hard material particles is soldered to the component or the resulting layer is composed from the solder layer, the bonding agent and the hard material particles without being dried before being soldered to the component.
Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Herstellung einer verschleißfesten Beschichtung auf einem Bauteil 6. Dabei sind aus einer Titan-Legierung bestehenden Turbinenschaufeln 6 an einer kreisförmigen Scheibe 8 radial angeordnet. Die Scheibe, oder alternativ die Blisk 8 ist um ihre zentrale Achse 11 drehbar, so dass die an der Scheibe 8 angeordneten Turbinenschaufeln 6 eine kreisförmige Bewegung erfahren können. An bestimmten Positionen entlang des so durchlaufenen Umfangs werden die verschiedenen Schritte 1, 2, 3, 4, 5 des erfindungsgemäßen Verfahrens durchgeführt. Im ersten Verfahrensschritt 1 wird eine für die Schaufel 6 vorgeformte Lotschicht 9, welche aus einer Titan- oder Nickellegierung besteht, an der Schaufel 6 angeordnet und mit der Schaufel 6 punktgeschweißt. Anschließend wird die Scheibe 8 um einen bestimmten Teilungswinkel gedreht, welcher in diesem Beispiel 60° beträgt, wodurch die Schaufel 6 zur nächsten Prozessstelle gebracht wird. Im zweiten Verfahrenschritt 2 wird die zu beschichtende Oberfläche der Schaufel 6 mit einem Haftvermittler 10 benetzt. In diesem Fall wird der Haftvermittler 10 mit einem Filzkörper aufgebracht.Figure 2 shows a schematic representation of the device according to the invention for producing a wear-resistant coating on a component 6. In this case, consisting of a titanium alloy turbine blades 6 are arranged radially on a circular disc 8. The disc, or alternatively the blisk 8, is rotatable about its central axis 11, so that the turbine blades 6 arranged on the disc 8 can undergo a circular movement. At certain positions along the circumference thus passed, the various steps 1, 2, 3, 4, 5 of the method according to the invention are carried out. In the first method step 1, a solder layer 9 preformed for the blade 6, which consists of a titanium or nickel alloy, is arranged on the blade 6 and spot-welded to the blade 6. Subsequently, the disc 8 is rotated by a certain pitch angle, which in this example is 60 °, whereby the blade 6 is brought to the next process location. In the second method step 2, the surface of the blade 6 to be coated is wetted with a bonding agent 10. In this case, the bonding agent 10 is applied with a felt body.
Nach einer erneuten Drehung der Halterang 8 um den festgelegten Teilungswinkel, in diesem Beispiel 60°, befindet sich die so vorbereitete Schaufel 6 über einer Wirbelschicht 14, welches aus schwebenden CBN-Partikeln 7 besteht. Der relative Abstand der Oberfläche der Wirbelschicht 14 zu der zu beschichtenden Oberfläche der Schaufel 6 ist so gewählt, dass die mit Haftvermittler 10 versehene Oberfläche der Schaufel 6 in Berührung mit den Hartstoffpartikeln 7 kommt, welche sich statistisch verteilen und regellos an dieser haften bleiben und eine Monolage ausbilden.After a further rotation of the holder 8 by the specified pitch angle, in this example 60 °, the thus prepared blade 6 is above a fluidized bed 14, which consists of floating CBN particles 7. The relative distance of the surface of the fluidized bed 14 to the surface of the blade 6 to be coated is selected such that the surface of the blade 6 provided with adhesion promoter 10 comes into contact with the hard material particles 7, which randomly spread and adhere to it randomly and one Train monolayer.
Nach einer erneuten Drehung der Halterung 8 um den festgelegten Teilungswinkel, in diesem Beispiel 60°, gelangt die Schaufel 6 zum dritten Verfahrenschritt 4, in dem die Oberfläche der Schaufel 6 mit Hilfe eines Luftstroms getrocknet wird. Dadurch verdampft teilweise das im Haftvermittler 10 enthaltenden Lösungsmittel, so dass die Hartstoffpartikel 7 an der Oberfläche haften bleiben.After another rotation of the holder 8 by the predetermined pitch angle, in this example 60 °, the blade 6 reaches the third process step 4, in which the surface of the blade 6 is dried by means of an air flow. Thereby Partially evaporates the solvent contained in the adhesion promoter 10, so that the hard particles 7 adhere to the surface.
Nach einer weiteren Drehung der Halterung 8 um den festgelegten Teilungswinkel, in diesem Beispiel 60°, steht die fertig vorbereitete Schicht aus Lotschicht 9, Haftvermittler 10 und Hartstoffpartikeln 7 bereit für das Verlöten 5 mit der Schaufel 6. Dies geschieht hier durch lokal induktives Löten mithilfe eines Induktors und ggf. eines optionalen Induktionsverstärkers, welcher sich im geringen Abstand zu der vorbereiteten Oberfläche befindet und durch Strahlungswärme im Bereich der Schaufel und der vorbereiteten Schicht abgibt. Dadurch verdampfen die Lösungsmittelreste des Haftvermittlers 10 und die Lotschicht 9 samt CBN-Partikel 7 geht mit der Schaufel 6 eine stoffschlüssige Verbindung ein. Nach einer weiteren Drehung der Scheibe 8 um den festgelegten Teilungswinkel, in diesem Beispiel 60°, und nach einer kurzen Abkühlzeit steht die Schaufel 6', mit fertiger Hartstoffbeschichtung 15 für eine weitere Verwendung bereit. Das Verfahren kann dabei als vollautomatisierbarer Prozess erfolgen.After a further rotation of the holder 8 by the specified pitch angle, in this example 60 °, the ready-prepared layer of solder layer 9, bonding agent 10 and hard particles 7 is ready for soldering 5 with the blade 6. This is done by local inductive soldering using an inductor and optionally an optional induction amplifier, which is located at a small distance to the prepared surface and emits radiation heat in the region of the blade and the prepared layer. As a result, the solvent residues of the adhesion promoter 10 evaporate, and the solder layer 9 together with the CBN particles 7 enter into a cohesive connection with the blade 6. After a further rotation of the disc 8 by the predetermined pitch angle, in this example 60 °, and after a short cooling time, the blade 6 'is ready with finished hard material coating 15 for further use. The process can be carried out as a fully automated process.
Das zu beschichtende Bauteil kann beispielsweise eine Schaufel 6' mit einer Titan- Legierung als Basiswerkstoff sein. Die verwendete Lotschicht 9 besteht aus einer Titan- Legierung. Nach dem Aufbringen von Haftvermittler 10 auf der Schaufelspitze werden mit einer Titan-Legierung ummantelte CBN-Partikel 7 mit einer Wirbelschicht 14 auf der Oberfläche aufgebracht und getrocknet. Anschließend werden die Lotschicht 9 und die Schaufel 6 in einem unter Vakuum stattfindenden, lokal induktiven Hochtemperaturlötprozess miteinander verlötet. Das in der Prozesskammer herrschende Vakuum beträgt dabei beispielsweise ca. 10"5 mBar.The component to be coated may be, for example, a blade 6 'with a titanium alloy as the base material. The solder layer 9 used consists of a titanium alloy. After the application of adhesion promoter 10 on the blade tip, CBN particles 7 coated with a titanium alloy are applied to the surface with a fluidized bed 14 and dried. Subsequently, the solder layer 9 and the blade 6 are soldered together in a vacuum-taking, locally inductive Hochtemperaturlötprozess. The prevailing in the process chamber vacuum is, for example, about 10 "5 mbar.
Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf die vorstehend angegebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der in den Patentansprüchen beanspruchten Lösung auch bei anders gearteten Ausführungen Gebrauch macht. The invention is not limited in its execution to the above-mentioned preferred embodiments. Rather, a number of variants is conceivable, which makes use of the claimed in the claims solution even in other types.
Claims
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| 121 | Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application |
Ref document number: 10708093 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |
|
| 122 | Ep: pct application non-entry in european phase |
Ref document number: 10708093 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |