HINTERGRUND DER ERFINDUNG
GEBIET DER ERFINDUNG
[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft eine galvanisch hergestellte Verschleißschutzbeschichtung
sowie ein entsprechendes Verfahren zu ihrer Herstellung.
STAND DER TECHNIK
[0002] In Strömungsmaschinen, wie stationären Gasturbinen oder Flugzeugtriebwerken, werden
bestimmte Bauteile hohen Temperaturen und aggressiven Medien ausgesetzt, die einen
entsprechenden Schutz der Bauteile beispielsweise durch Beschichtungen erfordern.
Entsprechend ist es bekannt, Bauteile in Strömungsmaschinen mit verschiedenen Beschichtungen
zu versehen, die unterschiedlichen Zwecken dienen, wie beispielsweise Heißgaskorosionsschutzschichten,
Verschleißschutzbeschichtungen und dergleichen.
[0003] Bekannte Hochtemperaturverschleißschutzschichten umfassen üblicherweise harte Materialien,
die dem Verschleiß widerstehen können. Derartige Hochtemperaturverschleißschutzschichten
werden nach dem Stand der Techni durch Auftragsschweißen oder thermisches Spritzen
aufgebracht. Allerdings sind durch thermisches Spritzen oder Auftragsschweißen nicht
alle Bauteilbereiche eines Bauteils für die Aufbringung einer entsprechenden Hochtemperaturverschleißschutzschicht
zugänglich und durch örtlich unterschiedliche thermische Belastungen des Bauteils
während des thermischen Spritzens oder Auftragsschweißens kann es zu unerwünschten
Inhomogenitäten im Bereich der Verschleißschutzschichten oder des darunter liegenden
Grundwerkstoffs kommen.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
AUFGABE DER ERFINDUNG
[0004] Es ist deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung
einer Hochtemperaturverschleißschutzschicht, insbesondere für Bauteile von Strömungsmaschinen,
sowie entsprechende Verschleißschutzschichten bereitzustellen, bei denen keine inhomogenen
thermischen Belastungen des zu beschichtenden Bauteils erzeugt werden und insbesondere
auch eine Beschichtung des Bauteils an schwer zugänglichen Bereichen ermöglicht wird.
Darüber hinaus soll das entsprechende Verfahren eine homogene Verschleißschutzbeschichtung
mit einer guten Haftfestigkeit am zu beschichtenden Bauteil ermöglichen und möglichst
einfach und effektiv durchführbar sein.
TECHNISCHE LÖSUNG
[0005] Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie
eine Verschleißschutzbeschichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 14. Vorteilhafte
Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
[0006] Die Erfindung geht aus von der Idee, dass eine Verschleißschutzbeschichtung, welche
Hartstoffpartikel und/oder Gleitstoffpartikel umfasst, durch ein galvanisches Herstellungsverfahren
erzeugt werden kann, wobei die Hartstoffpartikel und/oder Gleitstoffpartikel in einem
entsprechenden Elektrolytbad dispergiert sein können. Die Erfindung baut hierbei darauf
auf, dass es bereits bekannt ist, Heißgaskorrosionsschichten galvanisch abzuscheiden,
wie dies beispielsweise in den Dokumenten
EP 0 424 863 A1,
DE 38 15 976 A1 und der
US 4,895,625 A beschrieben ist. Entsprechend wird eine Verschleißschutzbeschichtung mit einer MCrAl
- Matrix, bei der M für Co und/oder Ni steht, vorgeschlagen, bei welcher in der Matrix
Hartstoffpartikel und/oder Gleitstoffpartikel eingelagert sind.
[0007] Die Hartstoffpartikel und/oder Gleitstoffpartikel können zusammen in einem Anteil
von 5 Vol.% bis 40 Vol.%, insbesondere 10 Vol.% bis 30 Vol.%, in der Verschleißschutzbeschichtung
enthalten sein und die Matrix der Verschleißschutzbeschichtung kann 15 Gew.% bis 50
Gew.%, insbesondere 20 Gew.% bis 40 Gew.% Kobalt und/oder 15 Gew.% bis 50 Gew.%, insbesondere
20 Gew.% bis 40 Gew.% Nickel, 10 Gew.% bis 30 Gew.%, insbesondere 10 Gew.% bis 25
Gew.% Chrom und 1 Gew.% bis 10 Gew.%, insbesondere 2 Gew.% bis 8 Gew.% Aluminium beinhalten.
Die Angaben für die Zusammensetzung sind hierbei so zu verstehen, dass die Zusammensetzung
selbstverständlich immer 100 Gew.% ergibt, wobei die Bestandteile innerhalb der angegeben
Bereiche zu wählen sind und eventuell weitere Legierungsbestandteile zugegeben werden
müssen. Ist beispielsweise in der Matrix der Verschleißschutzbeschichtung sowohl Kobalt
als auch Nickel vorgesehen, so können die Maximalwerte der angegebenen Bereiche, also
jeweils 50 Gew.%, nicht verwirklicht werden, da weiterhin mindestens 10 Gew.% Chrom
und 1 Gew.% Aluminium enthalten sein müssen. Ist jedoch beispielsweise lediglich Kobalt
in der Matrix enthalten, so kann der Kobaltgehalt im gesamten angegebenen Bereich
gewählt werden, da neben den weiteren angegebenen Bestandteilen Chrom und Aluminium
zusätzliche Legierungsbestandteile enthalten sein können.
[0008] Um die jeweiligen Bestandteile der Verschleißschutzbeschichtung entsprechend zu erzielen,
können bei dem nachfolgend angegebenen Verfahren zur Herstellung einer Verschleißschutzbeschichtung
die entsprechenden Komponenten in geeigneten Konzentrationen oder Mengen eingesetzt
werden.
[0009] Um die MCrAl - Matrix der gewünschten Verschleißschutzbeschichtung herzustellen,
wird erfindungsgemäß ein Elektrolyt bereitgestellt, der Kobalt und/oder Nickel enthält.
In diesem Elektrolyten werden erste Partikel dispergiert, wobei die ersten Partikel
Hartstoffpartikel und/oder Gleitstoffpartikel umfassen. Darüber hinaus werden zweite
Partikel in den Elektrolyten dispergiert, wobei die zweiten Partikel Metalllegierungspartikel
umfassen, bei denen die Metalllegierung Chrom und Aluminium aufweist. Die ersten Partikel
dienen zur Einbringung der in der zu erzeugenden Verschleißschutzbeschichtung vorgesehenen
Hartstoffpartikel und/oder Gleitstoffpartikel, während die zweiten Partikel in Form
der Metalllegierungspartikel zur Ausbildung der MCrAl-Matrix zusammen mit den Kobalt
und/oder Nickel enthaltenden Elektrolyten dienen.
[0010] Ein entsprechend vorbereiteter Elektrolyt, in dem die ersten und zweiten Partikel
dispergiert sind, wird zur galvanischen Abscheidung einer Schicht an einem zu beschichtenden
Bauteil verwendet. Die galvanisch abgeschiedene Schicht umfasst folglich eine Matrix
aus Kobalt und/oder Nickel entsprechend der Zusammensetzung des Elektrolyten sowie
eingelagerte erste und zweite Partikel.
[0011] Die galvanisch abgeschiedene Beschichtung kann einer Wärmebehandlung unterzogen werden,
bei der die eingelagerten Metalllegierungspartikel aufgelöst werden und zusammen mit
der abgeschiedenen Matrix aus Kobalt und/oder Nickel eine entsprechende MCrAl - Matrix
bilden, bei der M durch Kobalt und/oder Nickel gebildet ist.
[0012] Die Wärmebehandlung kann bei einer Temperatur von 950°C bis 1200°C, insbesondere
1000°C bis 1150°C für 2 bis 20 Stunden, insbesondere zwischen 5 und 15 Stunden, durchgeführt
werden.
[0013] Die Wärmebehandlung kann unter Vakuum erfolgen, wobei Bauteil und galvanisch abgeschiedene
Schicht zusammen homogen der entsprechenden Temperatur ausgesetzt werden können. Alternativ
kann auch eine lokale Erwärmung der galvanisch abgeschiedenen Schicht durch eine Oberflächenerwärmung
vorgenommen werden.
[0014] Der Kobalt und/oder Nickel enthaltende Elektrolyt für die galvanische Abscheidung
kann Nickelsulfat und/oder Kobaltsulfat umfassen. Ferner kann in dem Elektrolyt Natriumchlorid
und/oder Borsäure vorhanden sein.
[0015] Die Metalllegierung der Metalllegierungspartikel kann durch CrAl, CrAlY, CrAlHf,
CrAlYHf, CrAlTa, CrAlYTa, CrAlSi, MoCrSiAl, CrCoAl, CrNiAl und durch Legierungen mit
Chrom und Aluminium gebildet sein, die mindestens ein oder mehrere Elemente ausgewählt
aus Yttrium, Hafnium, Tantal, Silizium, Molybdän, Nickel und Kobalt umfassen.
[0016] Die ersten und zweiten Partikel, also die Hartstoff- und/oder Gleitstoffpartikel,
sowie die Metalllegierungspartikel können jeweils mit einem Anteil von 50 g/l bis
300 g/l im Elektrolyt vorgesehen sein, wobei bevorzugt eine Gesamtmenge von Partikeln
im Bereich 300 g/l bis 400 g/l nicht überschritten werden soll.
[0017] Die ersten Partikel können eine maximale oder durchschnittliche Partikelgröße kleiner
oder gleich 10 µm, insbesondere zwischen 1 µm und 5 µm aufweisen, während die zweiten
Partikel eine maximale oder durchschnittliche Partikelgröße kleiner oder gleich 15
µm, insbesondere zwischen 1 µm und 5 µm, aufweisen können.
[0018] Die ersten Partikel in Form von Hartstoffpartikeln und/oder Gleitstoffpartikeln können
eine metallische Hülle aufweisen, insbesondere eine Hülle, die Nickel und/oder Kobalt
umfasst oder aus diesen gebildet ist, um die Einbringung der Hartstoffpartikel und/oder
Gleitstoffpartikel im galvanischen Prozess mit dispergiertem Elektrolyten zu verbessern.
[0019] Die ersten Partikel können Gleitstoffpartikel in Form von Festschmiermitteln, insbesondere
in Form von hexagonalem Bornitrid, umfassen, um durch eine verbesserte gleitende Bewegung
der Beschichtung mit den Verschleißpartnern den Verschleiß zu verringern.
[0020] Die ersten Partikel in Form von Hartstoffpartikeln können durch Oxide, insbesondere
Chromoxid oder Zirkonoxid, gebildet sein, welche das darunter liegende Bauteil durch
ihre Härte und damit Widerstandsfähigkeit gegenüber den Verschleißpartnern schützen.
[0021] Insgesamt ergibt sich durch die Erfindung die Möglichkeit eine insbesondere für Strömungsmaschinen
geeignete Verschleißschutzbeschichtung mit einer MCrAl - Matrix mit eingelagerten
Hartstoffpartikeln und/oder Gleitstoffpartikeln zu schaffen, die ohne unzulässige,
insbesondere inhomogene Temperaturbelastungen gleichmäßig an einem Bauteil auch an
schwer zugänglichen Stellen aufgebracht werden kann.
KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
[0022] Die beigefügten Zeichnungen zeigen in rein schematischer Weise in
Fig. 1 eine Querschnittansicht eines erfindungsgemäß dispergierten Elektrolytbades;
Fig. 2 eine Querschnittansicht eines erfindungsgemäß dispergierten Elektrolytbades
bei der galvanischen Abscheidung einer Schicht auf einem zu beschichtenden Bauteil;
Fig. 3 einen Querschnitt durch ein Bauteil mit einer erfindungsgemäß abgeschiedenen
Schicht; und in
Fig. 4 einen Querschnitt durch ein Bauteil mit einer erfindungsgemäß abgeschiedenen
Verschleißschutzbeschichtung nach einer Wärmebehandlung.
AUSFÜHRUNGSBEISPIEL
[0023] Weitere Vorteile, Kennzeichen und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden bei
der nachfolgenden detaillierten Beschreibung eines Ausführungsbeispiels deutlich.
Allerdings ist die Erfindung nicht auf dieses Ausführungsbeispiel beschränkt.
[0024] Die Fig. 1 zeigt einen Elektrolyten 3 in einem Elektrolytbad, in welchem erste Partikel
1 und zweite Partikel 2 dispergiert sind.
[0025] Bei dem Elektrolyten handelt es sich um ein Gemisch aus Kobaltsulfat, Nickelsulfat,
Borsäure und Natriumchlorid, wobei beispielsweise 240 g/l Kobaltsulfat, 240 g/l Nickelsulfat,
35 g/l Borsäure und 20 g/l Natriumchlorid eingesetzt werden können. Der ph - Wert
des Elektrolyten wird zwischen 4,5 und 4,7 eingestellt.
[0026] Die ersten Partikel 1, die in den Elektrolyten 3 dispergiert sind, sind Hartstoffpartikel
und/oder Gleitstoffpartikel. Die Hartstoffpartikel können durch Oxide gebildet sein
und bei dem vorliegenden bevorzugten Ausführungsbeispiel werden die Hartstoffpartikel
durch Chromoxid oder Zirkonoxid gebildet, welche in Form von Partikel mit durchschnittlichen
Partikelgrößen von 5 µm in einer Menge von 100 g/l dem Elektrolyten beigefügt werden.
Darüber hinaus werden die ersten Partikel durch Gleitstoffpartikel gebildet, die durch
einen Festschmierstoff, wie beispielsweise hexagonales Bornitrid gebildet sind. Die
Gleitstoffpartikel werden ebenfalls mit einer durchschnittlichen Partikelgröße von
5 µm mit einer Konzentration von 100 g/l in dem Elektrolyten dispergiert.
[0027] Die zweiten Partikel 2, die in dem Elektrolyten 3 enthalten sind, sind Metalllegierungspartikel,
die zumindest Chrom und Aluminium, insbesondere überwiegend Chrom und Aluminium enthalten.
Überwiegend bedeutet hierbei, dass die Summe der Anteile an Chrom und Aluminium den
größten Legierungsbestandteil der Metalllegierungspartikel bilden, insbesondere mehr
als 50 Gew.% der Metalllegierung der Metalllegierungspartikel ausmachen.
[0028] Die zweiten Partikel 2 können ebenfalls mit einer durchschnittlichen Partikelgröße
von 5 µm in einer Menge von 200 g/l in den Elektrolyten 3 dispergiert werden.
[0029] Der Elektrolyt wird auf eine Temperatur von 30°C bis 70°C gebracht und durch geeignete
Rührgeräte oder dergleichen in Bewegung gehalten, sodass die dispergierten ersten
und zweiten Partikel 1, 2 gleichmäßig verteilt im Elektrolyten 3 vorliegen.
[0030] Die Fig. 2 zeigt das Elektrolytbad aus Fig. 1 bei einer galvanischen Abscheidung
einer erfindungsgemäßen Verschleißschutzbeschichtung auf einem Bauteil 4. Hierbei
wird das Bauteil als Kathode an eine Stromversorgung 6 angeschlossen, während eine
zusätzliche Anode 5 im Elektrolytbad angeordnet wird.
[0031] Die Fig. 3 zeigt das Bauteil 4 mit der abgeschiedenen Schicht 7, welche eine NiCo
- Matrix mit eingelagertem ersten Partikeln 1 und zweiten Partikeln 2 aufweist. Die
Stromdichte bei der galvanischen Abscheidung kann im Bereich von 1 bis 10 A/dm
2 liegen.
[0032] Die abgeschiedene Schicht 7 wird zusammen mit dem Bauteil 4 einer Wärmebehandlung
unterzogen und zwar in einem Temperaturbereich von 1000 bis 1150°C für 5 bis 15 Stunden
unter Vakuum, sodass die zweiten Partikel 2 aus einer CrAl - Legierung zusammen mit
der CoNi - Matrix der abgeschiedenen Schicht eine CoNiCrAl - Matrix bilden, in der
Hartstoffpartikel 9a aus Chrom - und/oder Zirkonoxid und Gleitstoffpartikel 9b aus
hexagonalem Bornitrid in der CoNiCrAl - Matrix vorliegen, um die Verschleißschutzbeschichtung
10 auf dem Bauteil 4 zu bilden.
[0033] Wird beispielsweise für die zweiten Partikel 2 eine CrAlY - Legierung eingesetzt,
so bildet sich eine CoNiCrAlY - Matrix 8 der Verschleißschutzbeschichtung 10 aus.
[0034] Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel der Fig. 1 bis 4 sind die ersten Partikel 1
mit einer Metallhülle aus Nickel und/oder Kobalt versehen, welche sich beim Wärmebehandlungsschritt
zwischen den Fig. 3 und 4 in der Matrix 8 auflöst, sodass die Hartstoffpartikel 9a
und die Gleitstoffpartikel 9b ohne umgebende Hülle in der Verschleißschutzbeschichtung
10 vorliegen.
[0035] Obwohl die vorliegende Erfindung anhand des Ausführungsbeispiels detailliert beschrieben
worden ist, insbesondere bezüglich der eingesetzten Werkstoffe und der Verfahrensparameter,
ist es für den Fachmann selbstverständlich, dass die Erfindung nicht auf diese Werkstoffe
und Verfahrensparameter bzw. allgemein die Angaben im Ausführungsbeispiel beschränkt
ist, sondern dass vielmehr Abwandlungen in der Weise möglich sind, dass andere Werkstoffe
eingesetzt und unterschiedliche Verfahrensparameter verwendet werden können, ohne
dass der Schutzbereich der beigefügten Ansprüche verlassen wird. Insbesondere ist
es möglich einzelne vorgestellte Merkmale wegzulassen oder andersartige Kombinationen
von Merkmalen vorzunehmen ohne den Schutzbereich der beigefügten Ansprüche zu verlassen.
Die Offenbarung der vorliegenden Anmeldung schließt sämtliche Kombinationen der vorgestellten
Einzelmerkmale mit ein.
1. Verfahren zur Herstellung einer Verschleißschutzbeschichtung (10) auf einem Bauteil,
insbesondere einem Bauteil einer Strömungsmaschine, wobei das Verfahren die folgenden
Schritte umfasst:
Bereitstellen eines Elektrolyten (3), der Co und/oder Ni enthält,
Dispergieren von ersten Partikeln (1) in den Elektrolyten, wobei die ersten Partikel
Hartstoffpartikel und/oder Gleitstoffpartikel umfassen,
Dispergieren von zweiten Partikeln (2) in den Elektrolyten, wobei die zweiten Partikel
Metalllegierungspartikel umfassen, bei denen die Metalllegierung Chrom und Aluminium
aufweist,
Bereitstellen des zu beschichtenden Bauteils (4) in einem Bad des Elektrolyten, der
mit ersten und zweiten Partikeln dispergiert ist, und
galvanisches Abscheiden einer Matrix aus Co und/oder Ni mit eingelagerten Metalllegierungspartikeln
(2) und eingelagerten Hartstoffpartikeln und/oder Gleitstoffpartikeln (1) auf dem
Bauteil.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
nach dem galvanischen Abscheiden einer Matrix aus Co und/oder Ni mit eingelagerten
Metalllegierungspartikeln und eingelagerten Hartstoffpartikeln und/oder Gleitstoffpartikeln
auf dem Bauteil das Bauteil einer Wärmebehandlung unterzogen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Wärmebehandlung bei einer Temperatur von 950°C bis 1200°C, insbesondere 1000°C
bis 1150°C für 2 bis 20 h, insbesondere zwischen 5 und 15 h erfolgt.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Wärmebehandlung unter Vakuum erfolgt.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Elektrolyt (3) NiSO4 und/oder CoSO4 umfasst.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Elektrolyt (3) NaCl und/oder H3BO3 umfasst.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Metalllegierung der Metalllegierungspartikel (2) eine Zusammensetzung aufweist,
die ausgewählt ist aus der Gruppe, die CrAl, CrAlY, CrAlHf, CrAlYHf, CrAlTa, CrAlYTa,
CrAlSi, MoCrSiAl, CrCoAl, CrNiAl und Legierungen mit Cr und Al umfasst, die mindestens
ein oder mehrere Elemente ausgewählt aus Y, Hf, Ta, Si, Mo, Ni und Co umfassen.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die ersten und zweiten Partikel (1, 2) jeweils mit einem Anteil von 50 g/l bis 300
g/l im Elektrolyt vorgesehen sind.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die ersten Partikel (1) eine maximale oder durchschnittliche Partikelgröße kleiner
oder gleich 10 µm, insbesondere zwischen 1 µm und 5 µm aufweisen.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die zweiten Partikel (2) eine maximale oder durchschnittliche Partikelgröße kleiner
oder gleich 15 µm, insbesondere zwischen 1 µm und 5 µm aufweisen.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die ersten Partikel (1) eine metallische Hülle aufweisen, insbesondere eine Hülle,
die Ni und/oder Co umfasst oder aus diesen gebildet ist.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Gleitstoffpartikel (1) Feststoffschmiermittel, insbesondere hexagonales Bornitrid
umfassen.
13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Hartstoffpartikel (1) Oxide, insbesondere Chromoxid oder Zirkonoxid umfassen.
14. Verschleißschutzbeschichtung mit einer Matrix, die Co und/oder Ni sowie Cr und Al
umfasst und in welche Hartstoffpartikel (9a) und/oder Gleitstoffparikel (9b) eingelagert
sind, wobei die Verschleißschutzbeschichtung nach einem Verfahren nach einem der vorhergehenden
Ansprüche hergestellt worden ist.
15. Verschleißschutzbeschichtung nach Anspruch 14,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Hartstoffpartikel (9a) und/oder Gleitstoffpartikel (9b) mit einem Anteil von 5
Vol.% bis 40 Vol.%, insbesondere 10 Vol.% bis 30 Vol.% in der Verschleißschutzbeschichtung
enthalten sind.
16. Verschleißschutzbeschichtung nach Anspruch 14 oder 15,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Matrix (8) 15 Gew.% bis 50 Gew.%, insbesondere 20 Gew.% bis 40 Gew.% Co und/oder
15 Gew.% bis 50 Gew.%, insbesondere 20 Gew.% bis 40 Gew.% Ni, 10 Gew.% bis 30 Gew.%,
insbesondere 10 Gew.% bis 25 Gew.% Cr und 1 Gew.% bis 10 Gew.%, insbesondere 2 Gew.%
bis 8 Gew.% Al beinhaltet.