Verfahren zur Oberflächenbehandlung von Bauteilen

Abstract

 Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Oberflächenbehandlung von Bauteilen mittels Kugelstrahlen. Dazu wird auf die Bauteiloberfläche zunächst eine MCrAlY-Schicht als Oxidations- und Heißgaskorrosionsschicht aufgebracht. Anschließend wird die Schichtoberfläche mit Partikelstrahlen einer Strahlenintensität von höchstens 0,15 mm Almen A, einem Deckungsgrad von mindestens 400% und einem mittleren Strahlpartikeldurchmesser von höchstens 0,5 mm zur Oberflächenglättung und -verdichtung kugelgestrahlt. Das Verfahren eignet sich besonders für Schaufelblattoberflächen von Hochdruckturbinenschaufeln mit geringen Krümmungsradien an Ein- und Austrittskante.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Oberflächenbehandlung von Bauteilen mittels Kugelstrahlen.

[0002] Kugelstrahlen zur Verbesserung der Schwingfestigkeit von Bauteilen sind aus der Veröffentlichung von W. Schütz in der Zeitschrift Werkstofftechnik, 17, Seite 53-61, (1986) bekannt. Das Kugelstrahlen steigert primär durch günstige Druckeigenspannungen die Schwingfestigkeit der Bauteile und erhöht die Härte der gestrahlten Bauteiloberfläche. Die Optimierung der Strahlbehandlung ist abhängig vom Maschinentyp, von der Strahldauer, der Partikelgröße, dem Deckungsgrad und der Strahlintensität. Zur Härtung und Verbesserung der Schwingfestigkeit wird in Richtung hoher Strahlintensität bei gleichzeitig niedrigem Deckungsgrad bis 100% optimiert. Bei höheren Deckungsgraden wächst die Gefahr der Oberflächendeformation und der Werkstoffschädigung.

[0003] Beim Kugelstrahlen wird die Oberfläche plastisch deformiert, so daß nachteilig eine hohe Oberflächenrauhigkeit entsteht. Außerdem werden Druckeigenspannungen im oberflächennahen Bereich des Bauteils induziert, so daß sich bei beschichteten Bauteilen nachteilig die Gefahr des Abplatzens der Schicht erhöht.

[0004] Bei Beschichtungsverfahren, die zunächst eine rauhe Beschichtungsoberfläche auf dem Bauteil erzeugen, wird deshalb nicht mit dem Kugelstrahlverfahren die Oberfläche geglättet, sondern durch mechanisches Nachpolieren, wie beispielsweise Scheuern, Bürstenpolieren oder Druckfließläppen, eine Oberflächenglättung erreicht. Diese bekannten und gebräuchlichen Oberflächenbehanldungen zum Glätten haben den Nachteil, daß sie einen örtlich ungleichmäßigen Schichtabtrag an exponierten Ecken und Kanten bewirken.

[0005] Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Oberflächenbehandlung von Bauteilen anzugeben, das die Oberfläche oxidations- und heißgaskorrosionsfest beschichtet und eine Glättung der rauhen Beschichtungsoberfläche ermöglicht. Die Oberflächenbehandlung soll die Haftfähigkeit der Beschichtung nicht vermindern und keinen ungleichmäßigen Schichtabtrag verursachen.

[0006] Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den folgenden Verfahrensschritten: auf die Bauteiloberfläche wird zunächst eine MCrAlY-Schicht als Oxidations- und Heißgaskorrosionsschicht aufgebracht, deren Schichtoberfläche anschließend mit Partikelstrahlen einer Strahlenintensität von höchstens 0,15 mm Almen A, einem Dekkungsgrad von mindestens 400% und einem mittleren Strahlpartikeldurchmesser von höchstens 0,5 mm kugelgestrahlt und dabei geglättet wird.

[0007] Dieses Verfahren hat den Vorteil, daß ein Mittenrauhwert unter Ra = 2,5µm für MCrAlY-Schichten, die beispielsweise mit Hilfe des Niederdruckplasmaspritzen (NDPS-Verfahren) aufgetragen wurden, erreichbar ist, und die MCrAlY-Schicht gleichzeitig oberflächig verdichtet wird. Darüber hinaus ist das Verfahren reproduzierbar im Hinblick auf eine Mittenrauhwertverbesserung und auch bei kompliziert gestalteten Bauteilen anwendbar.

[0008] Als Strahlpartikel werden vorzugsweise Kugeln mit einem mittleren Strahlpartikeldurchmesser von höchstens 0,2 mm aus Stahlguß, arondiertem Stahldraht, Zirkoniumoxid, Aluminiumoxid oder Glas eingesetzt. Derartige Kugeln haben den Vorteil einer weiteren Mittenrauhwertverminderung. Kugeln mit einem mittleren Strahlpartikeldurchmesser unter 50µm zeigen zumindest für MCrAlY-Schichten keine weiteren Mittenrauhwertverbesserung.

[0009] Eine bevorzugte Durchführung des Verfahrens sieht vor, daß die Schichtoberfläche in kritischen Bauteilbereichen an vorzugsweise geringen Krümmungsradien mit Deckungsgraden über 600% und stark verminderter Strahlintensität kugelgestrahl wird. Dieser hohe Deckunsgrad bei gleichzeitig stark verminderter Strahlintensität hat den Vorteil, einer Kombination aus Mikroverformung und Abrasion, die äußerst schonend diese kritischen Bauteilbereiche glättet.

[0010] Vorzugsweise wird das Verfahren für Schaufelblattoberflächen von Hochdruckturbinenschaufeln angewandt. Dabei wird die MCrAlY-Schicht sowohl auf der Schaufelvorderkante als auch auf der noch stärker gekrümmten Schaufelhinterkante geglättet, ohne daß ein Schichtdickenunterschied auftritt.

[0011] Das folgende Beispiel und die zugehörigen Figuren zeigen eine bevorzugte Durchführung und Ausbildung des Verfahrens.

[0012] Beispiel 1 listet die Kugelstrahlparameter auf,

Fig. 1

zeigt eine Rasterelektronenmikroskopaufnahme von einer MCrAlY-Schicht nach einem Niederdruckplasmaspritzen,

Fig. 2

zeigt eine Rasterelektronenmikroskopaufnahme von der MCrAlY-Schicht nach einem Kugelstrahlen,

Fig. 3

zeigt einen Querschliff einer beschichteten und kugelgestrahlten Hochdruckturbinenschaufel im Bereich der Eintrittskante und

Fig. 4

zeigt einen Querschliff der beschichteten und kugelgestrahlten Hochdruckturbinenschaufeln im Bereich der Austrittskante.

Beispiel 1

[0013] Eine Schaufelblattoberfläche einer Hochdruckturbinenschaufel mit einer Schaufelblatthöhe von 42 mm und einer Schaufelblattbreite von 20 mm wird mit einer CoNiCrAlY-Schicht mittels Niederdruckplasmaspritzverfahren beschichtet. Der gemessene Mittenrauhwert liegt bei 4,77µm. Die Oberfläche dieser Hochdruckturbinenschaufel wird anschließend in einer Überdruckdüsenstrahlanlage mit Glasperlen eines mittleren Strahlpartikeldurchmessers von 0,12 mm kugelgestrahlt. Dazu wird die Strahlintensität auf 0,23 mm Almen N eingestellt und ein Deckungsgrad von 800% gefahren. Als Ergebnis einer Schichtverdichtung und eines Schichtabtrags wird eine gleichmäßige Schichtabnahme von maximal 20µm sowohl auf der Schaufelblattfläche als auch im Bereich der Eintrittskante und der Austrittskante gemessen. Der Mittenrauhwert ist auf 1,37µm verbessert.

[0014] Fig. 1 zeigt eine Rasterelektronenmikroskopaufnahme von einer MCrAlY-Schicht nach einem Niederdruckplasmaspritzen, mit einer Rauhtiefe von 42,3µm und einem Mittenrauhwert von 4,77µm.

[0015] Fig. 2 zeigt eine Rasterelektronenmikroskopaufnahme von dergleichen CoNiCrAlY-Schicht nach einem Kugelstrahlen mit den Verfahrensparametern entsprechend Beispiel 1. Die Rauhtiefe hat sich um mehr als das 4-fache auf 7,93 verbessert und der Mittenrauhwert wurde auf 1,37µm vermindert.

[0016] Fig. 3 zeigt einen Querschliff einer beschichteten und kugelgestrahlten Hochdruckturbinenschaufel im Bereich der Eintrittskante (1). Deutlich ist die Grenze (2) zwischen CoNiCrAlY-Schicht (3) und Schaufelgrundmaterial (4) zu erkennen. Selbst die Eintrittskantenspitze (5) wird von der geglätteten CoNiCrAlY-Schicht (3) nachgebildet und nicht eingeebnet.

[0017] Fig. 4 zeigt einen Querschliff der beschichteten und kugelgestrahlten Hochdruckturbinenschaufeln im Bereich der Austrittskante (6). Deutlich ist die Grenze (2) zwischen CoNiCrAlY-Schicht (3) und Schaufelgrundmaterial (4) zu erkennen. Auch die wesentlich stärker gekrümmte Austrittskante (6) wird von der geglätteten CoNiCrAlY-Schicht (3) nachgebildet.

Ansprüche

1. Verfahren zur Oberflächenbehandlung von Bauteilen mittels Kugelstrahlen, dadurch gekennzeichnet, daß auf die Bauteiloberfläche zunächst eine MCrAlY-Schicht als Oxidations- und Heißgaskorrisionsschicht aufgebracht wird und anschließend die Schichtoberfläche mit Partikelstrahlen einer Strahlintensität von höchstens 0,15 mm Almen A, einem Deckungsgrad von mindestens 400 % und einem mittleren Strahlpartikeldurchmesser von höchstens 0,5 mm kugelgestrahlt und dabei geglättet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichtoberfläche in kritischen Bauteilbereichen an vorzugsweise geringen Krümmungsradien mit Deckungsgraden über 600% und stark verminderter Strahlintensität kugelgestrahlt wird.

3. Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 oder 2 für Schaufelblattoberflächen von Hochdruckturbinenschaufeln.

Zeichnung