Verfahren zum Hochgeschwindigkeits-Flammenspritzen

Abstract

 Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Auftragung einer Beschichtung (1) auf eine Bauteiloberfläche durch Hochgeschwindigkeits-Flammenspritzen, bei dem Partikel eines Beschichtungsmaterials zumindest teilweise aufgeschmolzen und als Partikelstrom (6) mit hoher Geschwindigkeit auf die Bauteiloberfläche abgegeben werden, wobei der Partikelstrom (6) ausgerichtet wird, um während der Auftragung der Beschichtung mit der Bauteiloberfläche Winkel (b, c) ungleich 90° einzuschließen. Weiterhin betrifft die Erfindung eine nach dem Verfahren herstellbare Beschichtung (1) und eine Turbinenschaufel (2) mit dieser Beschichtung (1).

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Auftragung einer Beschichtung auf eine Bauteiloberfläche durch Hochgeschwindigkeits-Flammenspritzen, bei dem Partikel eines Beschichtungsmaterials zumindest teilweise aufgeschmolzen und als Partikelstrom mit hoher Geschwindigkeit auf die Bauteiloberfläche abgegeben werden. Weiterhin sind eine gemäß dem Verfahren herstellbare Beschichtung und eine Turbinenschaufel mit dieser Beschichtung Gegenstand der Erfindung.

[0002] Bauteile, die in einer heißen und aggressiven Umgebung eingesetzt werden, müssen gegenüber diesen schädlichen Einflüssen geschützt werden. Turbinenschaufel von Gasturbinen wird beispielsweise mit Beschichtungssystemen versehen, die aus zwei übereinander liegenden Lagen aufgebaut sind. Dabei ist direkt auf die Oberfläche der Turbinenschaufel ein MCrAlY Haftgrund aufgetragen, auf dem wiederum eine keramische Wärmedämmschicht angeordnet ist.

[0003] Bei dieser Art von Beschichtungssystem ist es von besonderer Bedeutung, dass der Haftgrund eine hohe Oberflächenrauheit aufweist, da nur dann eine ausreichende Verklammerung des Haftgrunds mit der Wärmedämmschicht sicher gestellt ist.

[0004] Der Haftgrund kann durch Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen (HVOF) auf die Turbinenschaufel aufgetragen werden. Dazu werden MCrAlY-Partikel mit einem Trägergas in einen Brenner eingebracht, der zugeführten Brennstoff und Sauerstoff bei hoher Temperatur verbrennt. In der dabei gebildeten Flamme des Brenners werden die MCrAlY-Partikel zumindest teilweise aufgeschmolzen und dann als Partikelstrom mit hoher Geschwindigkeit auf die Bauteiloberfläche abgegeben. Dabei wird der Partikelstrom so ausgerichtet, dass er senkrecht auf die Bauteiloberfläche auftrifft. Ein derartiges Verfahren ist beispielsweise in der DE 698 28 732 T2 beschrieben.

[0005] Allerdings tritt bei dem bekannten Verfahren das Problem auf, dass der erhaltene Haftgrund eine zu geringe Rauheit aufweist. In der Folge ist die Verklammerung einer anschließend aufgebrachten Wärmedämmschicht mit dem Haftgrund nicht hoch genug, um den Belastungen, denen das Beschichtungssystem während des Betriebs ausgesetzt ist, auf Dauer zu widerstehen. Aus diesem Grund kann es bei den bekannten Beschichtungssystemen zu Beschädigungen kommen.

[0006] Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren der Eingangs genannten Art anzugeben, mit dessen Hilfe durch Hochgeschwindigkeits-Flammenspritzen eine Beschichtung auf ein Bauteil aufgetragen werden kann, die eine hohe Rauheit aufweist.

[0007] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem gattungsgemäßen Verfahren dadurch gelöst, dass der Partikelstrom ausgerichtet wird, um während der Auftragung der Beschichtung mit der Bauteiloberfläche Winkel ungleich 90° einzuschließen.

[0008] Grundgedanke der Erfindung ist es, den Partikelstrom so auszurichten, dass er mit der Bauteiloberfläche einen Winkel einschließt, der ungleich 90° ist. Der Partikelstrom wird also zu der Bauteiloberfläche geneigt und trifft im Gegensatz zu dem im Stand der Technik bekannten Verfahren schräg auf die Bauteiloberfläche auf. Überraschender Weise ist nämlich festgestellt worden, dass die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren aufgebrachte Beschichtung eine besonders hohe Rauheit aufweist. So bewirkt das schräge Auftreffen des Partikelstroms auf der Bauteiloberfläche, dass die Beschichtung eine raue Oberflächenstrukur erhält.

[0009] Gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der Partikelstrom über die Bauteiloberfläche geführt wird, um die Beschichtung flächig aufzutragen.

[0010] Es ist ebenfalls möglich den Partikelstrom so auszurichten, dass er bei der Auftragung der Beschichtung mit der Bauteiloberfläche einen konstanten Winkel ungleich 90° einschließt. In diesem Fall trifft der Partikelstrom unter einem konstanten Winkel auf die Bauteiloberfläche auf, bzw. er ist um einen konstanten Winkel zu der Bauteiloberfläche geneigt.

[0011] Der Partikelstrom kann auch während des Auftragens der Beschichtung so ausgerichtet werden, dass er mit der Bauteiloberfläche unterschiedliche Winkel ungleich 90° einschließt. Gemäß dieser Ausführungsform wird die Ausrichtung des Partikelstroms während der Auftragung variiert. Der Partikelstrom trifft dann unter verschiedenen Winkeln auf die Bauteiloberfläche auf, d.h. der Partikelstrom ist während der Auftragung der Beschichtung um unterschiedliche Winkel zu der Bauteiloberfläche geneigt.

[0012] Die Beschichtung kann auch in mehreren übereinander liegenden Lagen auf die Bauteiloberfläche aufgebracht werden. Dabei ist es insbesondere auch möglich den Partikelstrom so auszurichten, dass er während der Auftragung der einzelnen Lagen jeweils von Lage zu Lage unterschiedliche Winkel ungleich 90° mit der Bauteiloberfläche einschließt. In diesem Fall schließt der Partikelstrom während der Auftragung einer ersten Lage mit der Bauteiloberfläche einen ersten Winkel und während der Auftragung einer zweiten Lage einen zweiten Winkel ein, wobei sich der erste und der zweite Winkel unterscheiden. Insbesondere kann der Partikelstrom auch so ausgerichtet werden, dass er während der Auftragung der ersten Lage relativ zu einer Achse senkrecht zur Bauteiloberfläche zu einer Seite und während der Auftragung der zweiten Lage relativ zu der Achse zu der anderen Seite geneigt wird. Dabei können die Beträge der Neigungswinkel gleich groß oder unterschiedlich groß sein.

[0013] Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass bei der Auftragung einer mehrlagigen Beschichtung der Partikelstrom ausgerichtet wird, um während der Auftragung einer Lage unterschiedliche Winkel ungleich 90° mit der Bauteiloberfläche einzuschließen. Hier wird also die Ausrichtung des Partikelstroms während der Auftragung einer einzelnen Lage variiert.

[0014] Es ist ebenfalls möglich ein Haftgrundbeschichtung, insbesondere aus MCrAlY mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens auf das Bauteil aufzubringen.

[0015] Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann vor der Auftragung der Beschichtung eine Unterschicht insbesondere durch Hochgeschwindigkeits-Flammenspritzen auf die Bauteiloberfläche aufgebracht werden. Dabei können für die Unterschicht Partikel des Beschichtungsmaterials verwendet werden, die einen kleineren mittleren Durchmesser als die Partikel haben, die für die Beschichtung verwendet werden. Auf diese Weise wird effizient eine dichte Unterschicht erhalten. Die Unterschicht kann insbesondere aus MCrAlY ausgebildet werden.

[0016] Auf die Beschichtung kann zusätzlich eine keramische Wärmedämmschicht aufgetragen werden. Bei der Wärmedämmschicht kann es sich bevorzugt um eine APS Schicht handeln.

[0017] Die Beschichtung kann auch auf eine Turbinenschaufel aufgebracht werden.

[0018] Weitere Gegenstände der Erfindung sind eine nach dem erfindungsgemäßen Verfahren herstellbare Beschichtung sowie eine Turbinenschaufel mit dieser Beschichtung.

[0019] Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung im Detail erläutert. In der Zeichnung zeigen

Figur 1

eine schematische Darstellung der Auftragung einer Unterschicht auf eine Turbinenschaufel,

Figur 2

eine schematische Darstellung der Auftragung einer Lage einer Beschichtung auf die Turbinenschaufel der Figur 1, und

Figur 3

eine schematische Darstellung der Auftragung einer weiteren Lage der Beschichtung auf die Turbinenschaufel der Figur 1.

[0020] In den Figuren 1 bis 3 ist schematisch ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Auftragung einer Beschichtung 1 auf eine Oberfläche einer Turbinenschaufel 2 dargestellt.

[0021] Die Figur 1 zeigt die Aufragung einer Unterschicht 3 auf die Oberfläche der Turbinenschaufel 2 durch Hochgeschwindigkeits-Flammenspritzen. Dazu werden Beschichtungspartikel aus MCrAlY einem Brenner 4 in einem Trägergas zugeführt. Gleichzeitig werden in den Brenner 4 ein Brennstoff und Sauerstoff eingeleitet. Der Brennstoff und der Sauerstoff werden im Brenner 4 vermischt und verbrannt. In die hierbei entstehenden Flamme 5 werden die Beschichtungspartikel in dem Trägergas mit hoher Geschwindigkeit als Partikelstrom 6 eingedüst. Die Beschichtungspartikel schmelzen beim Durchgang durch die Flamme 5 zumindest teilweise und treffen dann auf die Oberfläche der Turbinenschaufel 2 auf, wo sie haften bleiben.

[0022] Der Partikelstrom 6 wird über die Oberfläche geführt, um die Unterschicht 3 auszubilden. Während der Auftragung der Unterschicht 3 ist der Partikelstrom 6 so ausgerichtet, dass er mit der Oberfläche der Turbinenschaufel 2 einen Winkel a von 90° einschließt. Dies führt dazu, dass die erhaltene Unterschicht 3 eine relativ geringe Oberflächenrauheit aufweist.

[0023] Die Figur 2 zeigt die Auftragung einer ersten Lage 7 der Beschichtung 1 auf der Unterschicht 3. Dazu werden dem Brenner 4 Beschichtungspartikel aus MCrAlY zugeführt, die einen größeren mittleren Durchmesser als die Partikel haben, die für die Ausbildung der Unterschicht 3 verwendet wurden.

[0024] Die Beschichtungspartikel werden in der oben beschrieben Weise zumindest teilweise in der Flamme 5 aufgeschmolzen und als Partikelstrom 6 mit hoher Geschwindigkeit in Richtung der Oberfläche der Turbinenschaufel 2 abgegeben. Dort treffen sie auf die Unterschicht 3 auf und bilden auf dieser die erste Lage 7 der Beschichtung 1 aus, während der Partikelstrom 6 über die Unterschicht 3 bewegt wird.

[0025] Während der Auftragung der ersten Lage 7 ist der Partikelstrom 6 so ausgerichtet, dass er mit der Oberfläche der Turbinenschaufel 2 einen konstanten Winkel b ungleich 90° einschließt. Dazu wird der Brenner 4 in der Zeichnung nach links gekippt. Der vom Brenner abgegebene Partikelstrom 6 ist dann gegenüber der Oberfläche der Turbinenschaufel 2 geneigt und trifft schräg auf diese auf.

[0026] Die auf diese Weise aufgetragene erste Lage 7 der Beschichtung 1 weist eine hohe Oberflächenrauheit auf. Dies ist dadurch bedingt, dass vorragende Bereiche 7a der ersten Lage 7, die in der Zeichnung zur Verdeutlichung vergrößert dargestellt sind, wellenförmig entgegen der Neigungsrichtung des Brenners 4 ausgebildet sind. Diese Oberflächenkonfiguration trägt maßgeblich zur Erhöhung der Oberflächenrauheit bei.

[0027] Die Figur 3 zeigt schließlich die Auftragung einer zweiten Lage 8 der Beschichtung 1. Diese erfolgt analog zu der Auftragung der ersten Lage 7. Im Unterschied hierzu ist lediglich der Brenner 4 gegenüber seiner Position in der Figur 1 nach rechts gekippt, so dass der Partikelstrom 6 wiederum unter Einschluss eines Winkels c ungleich 90° auf die Oberfläche auftrifft.

[0028] Auf Grund der Neigung des Partikelstroms 6 wird die zweite Lage 8 mit vorragenden Bereichen 8a ausgebildet, die gegenläufig zu den vorragenden Bereichen 7a der ersten Lage 7 orientiert sind. Auch die zweite Lage 8 weist eine hohe Oberflächenrauheit auf.

[0029] Auf die Beschichtung 1 kann noch eine Wärmedämmschicht, beispielsweise eine keramische APS-Schicht aufgebracht werden. Diese ist dann auf Grund der hohen Oberflächenrauheit der Beschichtung 1 stark mit dieser verklammert.

Ansprüche

1. Verfahren zur Auftragung einer Beschichtung (1) auf eine Bauteiloberfläche durch Hochgeschwindigkeits-Flammenspritzen, bei dem Partikel eines Beschichtungsmaterials zumindest teilweise aufgeschmolzen und als Partikelstrom (6) mit hoher Geschwindigkeit auf die Bauteiloberfläche abgegeben werden, dadurch gekennzeichnet, dass der Partikelstrom (6) ausgerichtet wird, um während der Auftragung der Beschichtung (1) mit der Bauteiloberfläche Winkel (b, c) ungleich 90° einzuschließen.

2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Partikelstrom (6) über die Bauteiloberfläche geführt wird, um die Beschichtung (1) flächig auf die Bauteiloberfläche aufzutragen.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Partikelstrom (6) ausgerichtet wird, um mit der Bauteiloberfläche einen konstanten Winkel (b, c) ungleich 90° einzuschließen.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Partikelstrom (6) ausgerichtet wird, um mit der Bauteiloberfläche unterschiedliche Winkel (b, c) ungleich 90° einzuschließen.

5. Verfahren nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Beschichtung (1) in mehreren übereinander liegenden Lagen (7, 8) auf die Bauteiloberfläche aufgebracht wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Partikelstrom (6) ausgerichtet wird, um während der Auftragung der einzelnen Lagen (7, 8) jeweils von Lage zu Lage unterschiedliche Winkel (b, c) ungleich 90° mit der Bauteiloberfläche einzuschließen.

7. Verfahren nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Partikelstrom (6) ausgerichtet wird, um während der Auftragung einer Lage (7, 8) unterschiedliche Winkel ungleich 90° mit der Bauteiloberfläche einzuschließen.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
eine Haftgrundbeschichtung auf die Bauteiloberfläche aufgebracht wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet, dass
eine Haftgrundbeschichtung aus MCrAlY auf die Bauteiloberfläche aufgebracht wird.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
vor der Auftragung der Beschichtung (1) eine Unterschicht (3) insbesondere durch Hochgeschwindigkeits-Flammenspritzen auf die Bauteiloberfläche aufgebracht wird, wobei für die Unterschicht (3) Partikel des Beschichtungsmaterials verwendet werden, die einen kleineren mittleren Durchmesser als die Partikel haben, die für die Beschichtung (1) verwendet werden.

11. Verfahren nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet, dass
eine Unterschicht (3) aus MCrAlY auf die Bauteiloberfläche aufgebracht wird.

12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
auf die Beschichtung (1) eine keramische Wärmedämmschicht, insbesondere eine APS Wärmedämmschicht aufgebracht wird.

13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Beschichtung (1) auf eine Turbinenschaufel (2) aufgebracht wird.

14. Beschichtung (1), herstellbar nach einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12.

15. Turbinenschaufel (2) mit einer Beschichtung (1) nach Anspruch 14.

Zeichnung