Raue Haftvermittlerschicht

Abstract

 Die Erfindung betrifft ein HS-PVD- oder Coldspray-Verfahren für die Beschichtung eines Substrates mit einer Haftvermittlerschicht, bei dem ein Teilchenstrom aus einem Beschichtungsmaterial erzeugt, auf dem Substrat abgeschieden und einer anschließenden Wärmebehandlung unterzogen wird, wobei dem Teilchenstrom Pulverpartikel mit einer größeren Körnung zugesetzt werden. Außerdem betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein HS-PVD- oder Coldspray-Verfahren für die Beschichtung eines Substrates mit einer Haftvermittlerschicht, bei dem ein Teilchenstrom aus einem Beschichtungsmaterial erzeugt, auf dem Substrat abgeschieden und einer anschließenden Wärmebehandlung unterzogen wird.
Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

[0002] Im Stand der Technik ist bekannt, Substrate wie Turbinenschaufeln mit Hilfe eines HS-PVD-Verfahrens (High Speed Physical Vapour Deposition) mit einer Haftvermittlerschicht, beispielsweise aus MCrAlY, zu versehen. Dazu wird aus einem MCrAlY-Ingot mittels eines beschleunigten Argonionenstroms eine MCrAlY-Dampfwolke erzeugt. Durch elektrische und magnetische Felder wird dieser Dampf durch einen Spalt abgegeben und in Richtung des zu beschichtenden Substrats, an welchem ebenfalls ein elektrisches Feld anliegt, beschleunigt und dort abgeschieden. Anschließend wird die aufgebrachte MCrAlY-Schicht einer Wärmebehandlung unterzogen.

[0003] Es ist ebenfalls bekannt, eine MCrAlY-Haftvermittlerschicht durch ein Coldspray-Verfahren auf eine Turbinenschaufel aufzubringen. Dabei wird ein MCrAlY-Pulver mit einer Körnung von ca. 22 µm - 45 µm in einem Gasstrom über eine Vorwärmeinheit auf eine Temperatur von bis zu 600°C erwärmt und durch ein anschließendes Beschleunigen auf eine Geschwindigkeit von bis zu 3 Mach mit der nötigen kinetischen Energie versehen. Der so gebildete Teilchenstrom wird auf dem Substrat abgeschieden und dann ebenfalls einer Wärmebehandlung unterzogen.

[0004] Bei den beiden bekannten Verfahren wird jeweils eine glatte homogene MCrAlY-Beschichtung erhalten, die schlecht für eine Beschichtung mit einer Wärmedämmschicht wie z.B. eine APS-TBC geeignet ist. Dies ist insbesondere darauf zurückzuführen, dass die Haftung der Wärmedämmschicht an der Haftvermittlerschicht zu gering ist.

[0005] Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren der eingangs genannten Art so auszubilden, dass eine raue Haftvermittlerschicht auf dem Substrat aufgebracht werden kann, welche eine bessere Haftung der Wärmedämmschicht gewährleistet.

[0006] Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass dem Teilchenstrom Pulverpartikel mit einer größeren Körnung zugesetzt werden.

[0007] Grundgedanke der Erfindung ist es also, dem Teilchenstrom aus dem Beschichtungsmaterial, welcher durch ein HS-PVD- oder durch ein Coldspray-Verfahren erzeugt wird, Pulverpartikel zuzusetzen, deren Körnung größer ist als die Körnung der Teilchen. Der so modifizierte gemischte Teilchenstrom wird dann auf dem Bauteil abgeschieden, so dass eine Beschichtung erhalten wird, in der zumindest Teilchen bzw. Partikel mit zwei unterschiedlichen Körnungen enthalten sind. Diese Schicht kann auch als Duplex-Schicht ausgebildet sein, wobei nur der oberen Schicht die grobe Körnung zugesetzt wird. Nach der anschließenden Wärmebehandlung erhält man eine Haftvermittlerschicht, die auf Grund der unterschiedlichen Körnungen der enthaltenen Teilchen bzw. Partikel eine raue Oberfläche aufweist. Diese Oberflächeneigenschaften sorgen für eine feste Anbindung einer eventuell später aufgebrachten Wärmedämmschicht.

[0008] Gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass als Beschichtungsmaterial MCrAlY verwendet wird. Dieses Material ist insbesondere geeignet, da es eine gute Haftung auf verschiedenen Substraten gewährleistet und weiterhin einen chemisch und physikalisch beständigen Untergrund für verschiedene Wärmedämmschichten bildet.

[0009] Es ist ebenfalls vorgesehen, dass dem Teilchenstrom Pulverpartikel aus dem Beschichtungsmaterial zugesetzt werden können. Hierdurch erhält man eine Haftvermittlerschicht mit einer homogenen Materialzusammensetzung. Alternativ oder zusätzlich ist es auch möglich, dem Teilchenstrom Pulverpartikel zuzusetzen, die nicht aus dem Beschichtungsmaterial bestehen.

[0010] Die Körnung der Pulverpartikel kann zwischen 45 µm bis 85 µm liegen. In diesem Fall wird eine Haftvermittlerschicht erhalten, bei der die Pulverpartikel in einer Matrix aus feineren Teilchen eingebettet sind, so dass eine hohe Rauheit erhalten wird.

[0011] Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Pulverpartikel auf eine Geschwindigkeit im Bereich der Schallgeschwindigkeit beschleunigt und dann dem Teilchenstrom zugesetzt werden. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass die Pulverpartikel vollständiger in der Haftvermittlerschicht eingebaut werden, da ausgeschlossen wird, dass Teile der Pulverpartikel von der Oberfläche des Substrates auf Grund einer zu hohen Geschwindigkeit elastisch reflektiert werden.

[0012] Es kann sinnvoll sein, die Pulverpartikel vor der Zugabe zu dem Teilchenstrom zu erwärmen, um zu verhindern, dass das Temperaturniveau des Teilchenstroms durch die Zugabe der Pulverpartikel reduziert wird. Dabei sollte die Temperatur insbesondere im Bereich zwischen 550°C und 650°C liegen.

[0013] Als Substrat kann eine Turbinenschaufel mit der Haftvermittlerschicht beschichtet werden. Hierbei ist es vorteilhaft, dass die erhaltene Haftvermittlerschicht besonders gut den hohen Anforderungen während des Betriebs einer Turbine genügt und eine starke Haftung einer eventuell auf ihr aufgebrachten Wärmedämmschicht sicherstellt.

[0014] Die Aufgabe wird ebenfalls durch eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens gelöst.

[0015] Im Folgenden wird die Erfindung anhand von zwei Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert.

[0016] In den Zeichnungen zeigen

Figur 1

eine schematische Darstellung einer ersten erfindungsgemäßen Vorrichtung, und

Figur 2

eine schematische Darstellung einer zweiten erfindungsgemäßen Vorrichtung.

[0017] In der Figur 1 ist eine erste erfindungsgemäße Vorrichtung für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. Die Vorrichtung weist eine Coldspray-Einrichtung 1 und eine Zuführeinrichtung 2 für Pulverpartikel auf. Die Coldspray-Einrichtung hat eine Gaszuführeinrichtung 3, die zusätzlich mit einer nicht gezeigten Heizeinrichtung zum Erwärmen des Gases versehen ist. Die Gaszuführeinrichtung 3 ist über eine Leitung 4 mit einer Sprüheinrichtung 5 verbunden. Die Sprüheinrichtung 5 ist weiterhin über eine Leitung 2 mit einem Pulverreservoir 6 verbunden, welches pulverförmige Teilchen eines Beschichtungsmaterials aus MCrAlY mit einer Körnung von 15 bis 30 µm enthält. Die Sprüheinrichtung 5 weist außerdem eine Abgabedüse 7 auf, aus der ein Teilchenstrom 8 in Richtung einer zu beschichtenden Turbinenschaufel 9 abgegeben wird.

[0018] Die Zuführeinrichtung 2 beinhaltet ein Reservoir 10, welches Pulverpartikel aus MCrAlY mit einer Körnung zwischen 45 bis 85 µm enthält sowie eine Vorwärmeinheit 11, um die Pulverpartikel vorzuwärmen und schließlich eine unmittelbar vor einer Abgabeöffnung 12 angeordnete Beschleunigungseinheit 13 zum Beschleunigen der Pulverpartikel.

[0019] Aus der Abgabeöffnung 12 tritt ein Strom von Pulverpartikeln 14 aus und trifft gleichzeitig mit dem Teilchenstrom 8 auf die Oberfläche der Turbinenschaufel 9.

[0020] Um mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung die Turbinenschaufel 9 mit einer MCrAlY Haftvermittlerschicht zu beschichten, wird in der Gaszuführeinrichtung 3 ein Gas bereitgestellt und auf eine Temperatur von bis zu 600°C erwärmt. Dieses Gas strömt durch die Leitung 4 in die Sprüheinrichtung 5, in der in den Gasstrom die aus dem Pulverreservoir 6 stammenden Teilchen eingedüst werden.

[0021] Das entstandene Gas-Teilchen-Gemisch wird dann in der Sprüheinrichtung 5 bis auf eine Geschwindigkeit von bis zu 3 Mach beschleunigt, durch die Abgabedüse 7 in Richtung der Turbinenschaufel 9 abgegeben, auf deren Oberfläche es schließlich auftrifft. Dabei werden die MCrAlY-Teilchen auf Grund ihrer hohen kinetischen Energie mit dem Substrat und untereinander kalt verschweißt.

[0022] Gleichzeitig werden in der Zuführeinrichtung 2 von dem Reservoir 10 die Pulverpartikel an die Vorwärmeinheit 11 abgegeben und in dieser auf eine Temperatur von ca. 600°C erwärmt. Aus der Vorwärmeinheit 11 gelangen die Pulverpartikel in die Beschleunigungseinheit 13, wo sie auf eine Geschwindigkeit im Bereich der Schallgeschwindigkeit beschleunigt werden und anschließend durch die Austrittsöffnung 12 in Richtung Turbinenschaufel 9 abgegeben werden.

[0023] Der dabei entstehende Strom von Pulverpartikeln 14 trifft gleichzeitig mit dem Teilchenstrom 8 unter Durchmischung mit diesem auf der Oberfläche der Turbinenschaufel 9 auf. Letztendlich wird ein gemischter Strahl abgeschieden.

[0024] In der auf der Oberfläche der Turbinenschaufel 9 ausgebildeten Beschichtung 15 sind sowohl Pulverförmige Teilchen mit einer Körnung von 15 µm bis 30 µm als auch Pulverpartikel mit einer Körnung zwischen 45 µm bis 85 µm enthalten.

[0025] Nachdem die Beschichtung 15 auf die Turbinenschaufel 9 aufgetragen ist, wird diese einer anschließenden Wärmebehandlung mit Hilfe einer nicht gezeigten Heizeinrichtung unterzogen, bei der die Pulverpartikel durch Diffusion mit dem Substrat reagieren, um so eine fest anhaftende raue Haftvermittlerschicht zu bilden.

[0026] In der Figur 2 ist eine zweite erfindungsgemäße Vorrichtung zum Beschichten eines Substrates mit einer Haftvermittlerschicht gezeigt. Die Vorrichtung weist eine HS-PVD-Einrichtung 16 und eine Zuführeinrichtung für Pulverpartikel 2 auf.

[0027] Die HS-PVD-Einrichtung 16 hat eine Austrittplatte 18 und eine Ionenquelle 17, die eine nicht gezeigte Kathode aus einem MCrAlY-Ingot enthält, aus der mittels eines ebenfalls nicht gezeigten Argonionenstroms eine MCrAlY-Ionendampfwolke erzeugt wird.

[0028] An dem Austrittsspalt 18 der HS-PVD-Einrichtung 16 und an der Turbinenschaufel 9 ist mit Hilfe der Stromquelle 19 ein elektrisches Feld angelegt. Durch dieses werden die MCrAlY-Ionen durch den Austrittsspalt 18 gebündelt und in Richtung der Turbinenschaufel 9 als fokussierter Teilchenstrom 8 abgegeben. Dieser trifft auf die Oberfläche einer Turbinenschaufel 9 und wird dort abgeschieden.

[0029] Die Zuführeinrichtung 2 ist identisch mit der in der Figur 1 beschriebenen Zuführeinrichtung 2.

[0030] Um mit der zweiten erfindungsgemäßen Vorrichtung die Turbinenschaufel 9 zu beschichten, werden in der Ionenquelle 17 der HS-PVD-Einrichtung 16 MCrAlY-Ionen erzeugt, die mit Hilfe des angelegten elektrischen Feldes durch den Austrittsspalt 18 zu dem Teilchenstrom 8 gebündelt und in Richtung der Turbinenschaufel 9 abgegeben werden.

[0031] Gleichzeitig werden in der oben beschriebenen Weise von der Zuführeinrichtung 2 Pulverpartikel, deren Körnung zwischen 45 µm und 85 µm liegt, erwärmt, beschleunigt und in Richtung der Turbinenschaufel 9 abgegeben.

[0032] Diese Pulverpartikel treffen in der bereits oben beschriebenen Weise gleichzeitig mit dem Teilchenstrom 8 auf der Oberfläche der Turbinenschaufel 9 auf und bilden gemeinsam mit diesen eine Beschichtung 15.

[0033] Durch eine anschließende Wärmebehandlung wird die Haftvermittlerschicht in ihrer endgültigen Form ausgebildet.

[0034] Die beiden oben beschriebenen Haftvermittlerschichten sind auf Grund ihrer großen Rauheit sehr gut dafür geeignet, eine starke Haftung einer auf ihnen aufgebrachten Wärmedämmschicht sicherzustellen.

Ansprüche

1. Ein HS-PVD- oder Coldspray-Verfahren für die Beschichtung eines Substrates mit einer Haftvermittlerschicht, bei dem ein Teilchenstrom (8) aus einem Beschichtungsmaterial erzeugt, auf dem Substrat (9) abgeschieden und einer anschließenden Wärmebehandlung unterzogen wird,
dadurch gekennzeichnet, dass
dem Teilchenstrom (8) Pulverpartikel (14) mit einer größeren Körnung zugesetzt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
als Beschichtungsmaterial MCrAlY verwendet wird.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
dem Teilchenstrom (8) Pulverpartikel (14) aus dem Beschichtungsmaterial zugesetzt werden.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
Pulverpartikel (14) mit einer Körnung zwischen 45 µm bis 85 µm dem Teilchenstrom (8) zugesetzt wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Pulverpartikel (14) auf eine Geschwindigkeit im Bereich der Schallgeschwindigkeit beschleunigt und dann dem Teilchenstrom (8) zugesetzt werden.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Pulverpartikel (14), bevor sie dem Teilchenstrom (8) zugesetzt werden, erwärmt werden, insbesondere auf eine Temperatur im Bereich zwischen 550°C und 650°C.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
als Substrat (9) eine Turbinenschaufel mit der Haftvermittlerschicht beschichtet ist.

8. Vorrichtung zum Beschichten eines Substrates (9) mit einer Haftvermittlerschicht,
mit einer Coldspray- (1) oder HS-PVD-Einrichtung (16) zur Erzeugung und Abscheidung eines Teilchenstroms (8) aus einem Beschichtungsmaterial auf dem Substrat (9) und
mit einer Heizeinrichtung zur Wärmebehandlung des abgeschiedenen Beschichtungsmaterials (15),
dadurch gekennzeichnet,
dass sie eine Zuführeinrichtung (2) zur Eindüsung von Pulverpartikeln in den Teilchenstrom (8) aufweist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Zuführeinrichtung (2) eine Vorwärmeinheit (11) zum Vorwärmen der Pulverpartikel aufweist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 oder 9,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Zuführeinrichtung (2) eine Beschleunigungseinheit (13) zum Beschleunigen der Pulverpartikel aufweist.

Zeichnung