Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Panzerung für ein metall isches Bauteil, die auf dessen Oberfläche vorgesehen wird.
Panzerungen bzw. Anstreifbeläge werden z.B. an Triebwerksbauteilen, wie z.B. Dichtungsspitzen von Labyrinthdichtungen oder Schaufelspitzen, vorgesehen, um deren Abarbeitung bei Anstreifvorgängen während des Betriebs entgegenzuwirken. Da der Wirkungsgrad eines Verdichters oder einer Turbine in hohem Maße von der Spal tgröße zwischen dem rotierenden und dem stehenden Bauteil abhängt, wird er mit zunehmender Abarbeitung, z.B. der Schaufelspitzen, vermindert.
Die Panzerung arbeitet sich beim Betrieb des Triebwerks üblicherweise in einen Einlaufbelag eines gegenüberliegenden, zweiten Bauteils ein. Derartige Einlaufbeläge sind abreibbar und bestehen meist aus einer korrosions- und erosionsfesten Schicht. Eine Panzerung des Triebwerksbauteils ist insbesondere dann erforderlich, wenn die Festigkeit und Härte der Einlaufbeläge zur Steigerung der Erosions- und Temperaturbeständigkeit erhöht wird und sich die Abarbeitung der Triebwerksbauteile zusätzlich verstärkt. Durch die Panzerung wird erreicht, daß beim Anstreifvorgang ein minimaler Spalt zwischen der Panzerung und dem Einlaufbelag gebildet wird.
Bei einem bekannten Verfahren zum Herstellen einer Panzerung wird ein MCrAIY-Pulver durch galvanisches Auftragen auf das zu panzernde Bauteil aufgebracht, w obei in dem Bad die erforderlichen harten Partikel, wie z.B. BN, enthalten sind. Diese Partikel werden nach dem Auftragen freigeätzt. Ein solches Verfahren ist teuer und aufwendig. Insbesondere das anschließende Ätzen ist aufgrund der mangelnden Umweltverträglichkeit und dem erforderlichen Abdecken des Werkstoffs nachteilig.
Bei einem anderen bekannten Verfahren wird eine an die Bauteilkontur angepaßte Lotfolie durch Kleben od dgl. an dem Bauteil befestigt. Danach werden BN-Partikel in die Lotfolie eingesetzt. Anschließend wird die Lotfolie durch Wärmebehandlung geschmolzen und die BN-Partikel darin eingebettet. Auch dieses Verfahren ist verhäl t-nismäßig teuer und aufwendig. Zudem ist die Verbindung zwischen den Partikeln und dem Bauteil unzureichend.
Aus der JP 55-82765 A ist es bekannt, das aus einer Ni- oder Co-Basislegierung bestehende Substrat zunächst mit einer Mischung aus Keramik-, AI- und Metallpulver zu beschichten, um die Wärmebeständigkeit der langandauernd hochtemperaturbelasteten Schicht zu verbessern. Anschließend folgt eine Schicht aus einem mit einem Binder versehenen Ni-Pulver, eine Wärmebehandlung und das Alitieren durch ein Packverfahren. Dabei soll die erste Schicht aus der Keramik enthaltenden Mischung verhindern, daß Al von der Schicht in das Substrat eindringt und die Schicht mithin durch die Verarmung von Al ihre Wärmebeständigkeit ei nbüßt.
Die JP 55-082759 A offenbart ein Verfahren zur Verbesserung der thermischen B eständigkeit einer Beschichtung, die auf ein Substrat aus einer Ni- oder Co-Basislegierung aufgebracht wird, wobei beim Beschichten ein Metall- oder ein Legi erungspulver mit Keramikelementen gemischt und dann auf das Substrat aufgebracht wird. Es kann ein Bindemittel eingesetzt und eine anschließende Wärmebehandlung durchgeführt werden. Das Verfahren wird bei Bauteilen von z.B. Gasturbinen eing esetzt, die der Heißgaskorrosion ausgesetzt sind.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zum Herstellen einer Panzerung der eingangs beschriebenen Gattung zu schaffen, das sich fertigungstechnisch möglichst einfach durchführen läßt und eine hochwertige Panzerung ergibt.
Die Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die Schritte gekennzeichnet: Herstellen eines Schlickers durch Mischen eines wenigstens eines der Elemente Ni oder Cr oder Ce enthaltenden Pulvers mit einem Bindemittel; Auftragen des Schlikkers auf die zu panzernde Oberfläche; Zugabe keramischer Hartpartikel zum Schli kker vor oder nach dem Auftragen des Schlickers, deren Größe so gewählt wird, daß sie nach dem Alitieren über die Schicht vorstehen; Trocknen des Schlickers bei einer Temperatur von Raumtemperatur bis 300 °C; und Alitieren der Schlickerschicht.
Der Vorteil dieses Verfahrens liegt darin, daß die Panzerung mit einem fertigungstechnisch einfachen Verfahren auf das Bauteil aufgebracht werden kann. Zudem sind die harten, keramischen Partikel in der einen Hohlraumanteil von 0 bis 40 % aufweisende Schlickerschicht eingebettet und mit dem Bauteil fest verbunden.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens werden die Partikel dem Schli kker vor dem Auftragen auf die zu panzernde Oberfläche zugemischt. Auf diese Weise sind die Partikel in dem in einer Suspension vorliegenden Schlicker gleichmäßig ve rteilt.
In einer alternativen Ausgestaltung werden die Partikel nach dem Auftragen in den Schlicker eingesetzt, wodurch sich z.B. eine spezielle Anordnung der Partikel auf der zu panzernden Oberfläche erzielen läßt.
Bevorzugt werden Partikel aus BN, SiC oder Al2O3 verwendet, da diese härter als die Schlickerschicht sind und sich beim Betrieb in Einlaufbeläge od. dgl. einschneiden können.
Ferner ist bevorzugt, daß der Schlicker aus einem Pulver aus MCrAIY hergestellt wird, wobei das Pulver bevorzugt in einer Korngrößenverteilung von 5 bis 120 µm vorliegt. Das M steht dabei für wenigstens eines der Elemente Ni, Co, Pt oder Pd. Anstelle von Y kann auch Hf oder Ce verwendet werden.
Das Auftragen des Schlickers auf die zu panzernde Oberfläche des Bauteils erfolgt bevorzugt durch Spritzen, Pinseln oder Tauchen, wodurch sich das Verfahren fertigungstechnisch einfach und kostengünstig durchführen läßt. Durch diese Art des Auftragens lassen sich auf einfache Weise lokal begrenzte Schichten auch auf ge ometrisch komplizierten Bauteilen aufbringen. Zudem sind keine teuren und aufwe ndigen Spritz- oder Verdampfungsanlagen erforderlich
Bevorzugt wird das Trocknen des Schlickers, der zusammen mit dem organischen oder anorganischen Bindemittel in einer Suspension vorliegt, über 0,5 - 4 Stunden durchgeführt, wobei sich eine Dauer von 1 - 2 Stunden als besonders vorteilhaft e rwiesen hat.
Bevorzugt ist ferner, daß die Schlickerschicht bei einer Temperatur von 750 bis 1200 °C in Argon oder Vakuum wärmebehandelt wird, wobei das Wärmebehandeln der Schicht bevorzugt über 1 - 4 Stunden durchgeführt wird, um die Schlickerschicht mit dem Bauteil über Diffusion zu verbinden.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens wird der abschließende Schritt Alitieren der Schicht bei einer Temperatur zwischen 800 und 1200 °C und einer Dauer von 1 - 12 Stunden durchgeführt.
Bevorzugt besteht das metallische Bauteil aus einer Legierung auf Nickel- oder Kobaltbasis, wobei das Bauteil ein Triebwerksbauteil, z.B. eine Turbinenschaufel, sein kann, auf deren Schaufelspitze die Panzerung aufgebracht wird.
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Beispiels näher erläutert.
Bei einer Ausgestaltung des Verfahrens zum Herstellen einer Panzerung wird z unächst zur Herstellung eines Schlickers ein MCrAlY-Pulver zu einer Suspension mit einem üblichen anorganischen Bindemittel gemischt. In der Suspension liegt das MCrAlY-Pulver mit 80 - 90 Gew.-%, das Bindemittel mit 5 - 10 Gew.-% und zusätzlich Wasser mit 5 - 7 Gew.-% vor. Die Korngrößen der Partikel des MCrAIY-Pulvers liegen zwischen 5 und 120 µm. In diese fließfähige und spritzbare Masse werden BN-Partikel eingebracht, deren Größe über jener der MCrAlY-Pulverpartikel liegt.
In die Masse wird anschließend die Schaufelspitze einer Turbinenschaufel aus einer Nickelbasislegierung in der Weise eingetaucht, daß sich auf der zu panzernden Schaufelspitze eine Schlickerschicht bildet. Alternativ könnte der die Partikel entha Itende Schlicker z.B. auch mit einem Pinsel unter Bildung einer Schicht auf die Schaufelspitze aufgetragen werden. Im nächsten Schritt wird der in einer Suspens ion vorliegende, noch feuchte Schlicker bzw. die Schlickerschicht bei Raumtemperatur über etwa 1,5 Stunden getrocknet.
Die getrocknete Schlickerschicht wird dann bei 1000 °C 1 Stunde im Vakuum wärmebehandelt, um eine Verbindung der Schlickerschicht mit dem Werkstoff der Tu rbinenschaufel durch Diffusion zu erzielen. Daran anschließend wird die Schicht bei etwa 1100 °C 4 Stunden lang mit einem üblichen Verfahren alitiert, um die Verbindung der Triebwerksschaufel durch Diffusion weiter zu verstärken und die Schlickerschicht zu kompaktieren. Dabei dringt Al in die Schicht und in den Grundwerkstoff der Turbinenschaufel ein und sorgt sowohl für eine feste Verbindung der Schicht mit dem Bauteil als auch für eine feste Verbindung der kugligen MCrAIY-Partikel untereinander. Zudem sintern die in kugliger Form vorliegenden MCrAlY-Partikel wenigstens teilweise zusammen. Darüber hinaus kann auch Ni aus dem Grundwerkstoff austreten und in die Schlickerschicht diffundieren. Nach dem Alitierschritt stehen die harten, keramischen Partikel aus BN od. dgl. nach außen über die Schlickerschicht vor und können diese sowie die Schaufelspitze beim Betrieb schützen.
Die BN-Partikel sind über die Schlickerschicht fest mit der Schaufelspitze verbunden und können sich während des Betriebs der Gasturbine beim Anstreifen in einen g egenüberliegenden Einlaufbelag einschneiden, um auf diese Weise eine Beschädigung der Schaufelspitze zu verhindern und die Spaltgröße zwischen dem rotierenden und dem stehenden Bauteil möglichst gering zu halten.