Die vorliegende Erfindung betrifft eine galvanisch hergestellte Verschleißschutzbeschichtung sowie ein entsprechendes Verfahren zu ihrer Herstellung.
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.
Bekannte Hochtemperaturverschleißschutzschichten umfassen üblicherweise harte Materialien, die dem Verschleiß widerstehen können. Derartige Hochtemperaturverschleißschutzschichten werden nach dem Stand der Technik 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.
Aus den Dokumenten
Außerdem seien die Dokumente
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.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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 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
Die Hartstoffpartikel und 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.
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.
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 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 Gleitstoffpartikel, während die zweiten Partikel in Form der Metalllegierungspartikel zur Ausbildung der MCrAl-Matrix zusammen mit den Kobalt und/oder Nickel enthaltenden Elektrolyten dienen.
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.
Die galvanisch abgeschiedene Beschichtung wird einer Wärmebehandlung unterzogen, 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.
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.
Die Wärmebehandlung erfolgt unter Vakuum, 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.
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.
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.
Die ersten und zweiten Partikel, also die Hartstoff- und 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.
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.
Die ersten Partikel in Form von Hartstoffpartikeln und Gleitstoffpartikeln weisen eine metallische Hülle auf, insbesondere eine Hülle, die Nickel und/oder Kobalt umfasst oder aus diesen gebildet ist, um die Einbringung der Hartstoffpartikel und Gleitstoffpartikel im galvanischen Prozess mit dispergiertem Elektrolyten zu verbessern.
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.
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.
Insgesamt ergibt sich durch die Erfindung die Möglichkeit eine insbesondere für Strömungsmaschinen geeignete Verschleißschutzbeschichtung mit einer MCrAl - Matrix mit eingelagerten Hartstoffpartikeln und Gleitstoffpartikeln zu schaffen, die ohne unzulässige, insbesondere inhomogene Temperaturbelastungen gleichmäßig an einem Bauteil auch an schwer zugänglichen Stellen aufgebracht werden kann.
Die beigefügten Zeichnungen zeigen in rein schematischer Weise in
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.
Die
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.
Die ersten Partikel 1, die in den Elektrolyten 3 dispergiert sind, sind Hartstoffpartikel und 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.
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.
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.
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.
Die
Die
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.
Wird beispielsweise für die zweiten Partikel 2 eine CrAlY - Legierung eingesetzt, so bildet sich eine CoNiCrAlY - Matrix 8 der Verschleißschutzbeschichtung 10 aus.
Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel der
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.
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