DE102006029619B3 - Verfahren zum Beschichten eines Bauteils durch Kaltgasspritzen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Beschichten eines Bauteils (11) durch Kaltgasspritzen. Während des Beschichtens des Bauteils wird dieses mit einem Schwingungsgenerator (13) zur Ausführung von Schwingungen angeregt. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Bauteil (11) mittels des Schwingungsgenerators (13) derart angeregt wird, dass eine stehende, akustische, transversale Oberflächenwelle (14) erzeugt wird. Dies führt durch eine lokale Veränderung der Beschichtungsparameter zu insbesondere rillenartigen Strömungsprofilen (18a oder 18b), wobei die Dickenmaxima (21a, 21b) der Schichten insbesondere an Orten (15) destruktiver Interferenz oder Orten (16) konstruktiver Interferenz liegen können. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich insbesondere strömungsoptimierte Bauteile wie Turbinenschaufeln beschichten.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Beschichten eines Bauteils durch ein Kaltgasspritzen, bei dem während des Beschichtens das Bauteil mit einem Schwingungsgenerator zur Ausführung von Schwingungen angeregt wird.
• Ein Verfahren der eingangs angegebenen Art ist beispielsweise in der EP 1 132 497 A1 beschrieben. Gemäß diesem Verfahren ist vorgesehen, dass ein Kaltgasspritzen zur Beschichtung eines Bauteils durchgeführt wird. Beim Kaltgasspritzen wird ein so genannter Kaltgasstrahl auf Geschwindigkeiten oberhalb der Schallgeschwindigkeit beschleunigt, dem die Beschichtungspartikel zugeführt werden. Beim Auftreffen der Partikel wird deren kinetische Energie in eine Verformung sowie Wärme umgewandelt, wodurch eine Haftung der Partikel bei verhältnismäßig geringen Temperaturen erreicht werden kann.
• Gemäß der EP 1 132 497 A1 ist weiterhin vorgesehen, das zu beschichtende Bauteil mittels eines Schwingungsgenerators zur Ausführung von Schwingungen anzuregen, deren Amplitude in derselben Richtung liegt, wie die Ausbreitungsrichtung des Kaltgasstrahls. Hierdurch ergibt sich eine pulsierende Relativgeschwindigkeit zwischen den Partikeln des Kaltgasstrahls und der Oberfläche des zu beschichtenden Bauteils, wodurch das Beschichtungsergebnis verbessert werden soll.
• Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zum Beschichten eines Bauteils durch ein Kaltgasspritzen anzugeben, mit dem sich Beschichtungen mit neuen Eigenschaften herstellen lassen.
• Diese Aufgabe wird mit dem eingangs angegebenen Verfahren erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Schwingungsgenerator derart mit dem Bauteil gekoppelt wird, dass in dem Bauteil eine stehende, akustische, transversale Oberflächenwelle erzeugt wird. Die Ausbildung einer stehenden, akustischen, transversalen Oberflächenwelle hat zur Folge, dass sich ein beliebiger betrachteter Punkt der zu beschichtenden Oberfläche periodisch in Richtung der Ausbreitung des Kaltgasstrahles auf und ab bewegt. Hierbei bleibt die Amplitude immer gleich (dies ist die Eigenschaft der stehenden Welle). Dabei entstehen einerseits Orte destruktiver Interferenz der Oberflächenwelle, in denen sich die überlagerten Einzelwellen, die die stehende Welle bilden, gerade auslöschen, sodass in diesem Ort eine transversale Schwingung der Oberflächenpunkte nicht stattfindet. Demgegenüber findet die größte Auslenkung der Oberflächenpunkte am Ort der konstruktiven Interferenz statt. Dies ist der Ort, wo sich die Amplituden der sich überlagernden Einzelschwingungen ohne einen Differenzbetrag gerade addieren.
• Die Ausbildung einer stehenden Welle hat daher zur Folge, dass ein bestimmter Punkt der zu beschichtenden Oberfläche jeweils Translationsschwingungen einer bestimmten Amplitude durchführt. Da diese Amplitude entsprechend der Verteilung der stehenden Oberflächenwelle ortsabhängig verschiedene Beträge hat, werden auch lokal unterschiedliche Beschichtungsparameter beim Kaltgasspritzen auf der Oberfläche erzeugt. Damit lassen sich vorteilhaft Beschichtungen erzeugen, die insbesondere in ihrer Schichtdicke variieren, da die Geschwindigkeit des Schichtbildungsprozesses je nach eingestellten Beschichtungsparametern durch die Amplitude der durch den betreffenden Schichtpunkt ausgeführten Schwingungen direkt beeinflusst wird. Damit kann ein Schichtaufbau mit lo kal sich verändernder Schichtdicke in einem Beschichtungsgang hergestellt werden, wobei sich in Abhängigkeit der angeregten Schwingungen unterschiedliche Mikrostrukturierungen der Oberfläche erzeugen lassen.
• Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Schwingungsanregung durch den Schwingungsgenerator derart auf die Eigenmoden der Bauteilschwingungen angepasst wird, dass die erzeugte Oberflächenwelle eine Linearkombination von Eigenmoden der Bauteilschwingungen ist. Dies hat den Vorteil, dass bereits mit einer geringen Anregungsenergie des Schwingungsgenerators verhältnismäßig große Amplituden der Oberflächenwelle erzeugt werden können, da die Charakteristik der Schwingungsanregung gerade im Bereich der Resonanz der gewählten Eigenmode der Bauteilschwingungen liegt. Hierdurch lässt sich der Effekt einer Beeinflussung der Schichtdicke vorteilhaft besonders effektiv nutzen.
• Eine besondere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Geschwindigkeit des Kaltgasstrahls derart eingestellt wird, dass sich in den Orten destruktiver Interferenz der Oberflächenwelle optimale Beschichtungsbedingungen einstellen. Dies bedeutet mit anderen Worten, dass gerade diejnigen Beschichtungsparameter verwendet werden, die unter bekannten Prozessbedingungen, also bei einem unbewegten Substrat herrschen würden, denn in den Punkten destruktiver Interferenz liegen die zugehörigen Oberflächenpunkte vor, deren Schwingungsamplitude Null beträgt. Dies bedeutet aber auch, dass außerhalb der Orte destruktiver Interferenz die Beschichtungsbedingungen verschlechtert sind, sodass dort eine geringere oder sogar überhaupt keine Wachstumsrate für die in Bildung befindliche Schicht zu verzeichnen ist. Hierdurch entsteht nach der vorgesehenen Beschichtungszeit eine Schicht mit Dickenmaxima an den Orten destruktiver Interferenz und Dickenminima an den Orten konstruktiver Interferenz, wobei zwischen diesen Orten ein stetiger Übergang der Schichtdicke zu verzeichnen ist.
• Alternativ hierzu kann auch vorgesehen werden, dass die Geschwindigkeit des Kaltgasstrahls derart eingestellt wird, dass die Partikelgeschwindigkeit für eine Beschichtungsbildung nur um die Orte konstruktiver Interferenz der Oberflächenwelle herum ausreicht, wenn die Oberfläche des Bauteils sich gerade entgegen der Ausbreitungsrichtung des Kaltgasstrahls bewegt. Mit anderen Worten werden die Prozessparameter des Kaltgasspritzens so eingestellt, dass die Partikelgeschwindigkeit an sich für eine Beschichtungsbildung nicht ausreicht. Dies ist der Fall, wenn die kinetische Energie der Beschichtungspartikel zu gering ist, um auf Grund einer plastischen Verformung sowie Erwärmung eine Haftung der Partikel auf der zu beschichtenden Oberfläche zu bewirken.
• Es wird damit erreicht, dass eine Abscheidung von Partikeln immer nur dann möglich ist, wenn die Relativgeschwindigkeit zwischen einem Oberflächenpunkt im Ort konstruktiver Interferenz bzw. dicht daneben zu den Beschichtungspartikeln durch eine Bewegung dieses Punktes auf die Beschichtungspartikel zu erhöht wird. Dies bedeutet, dass keine Abscheidung von Partikeln erfolgt, wenn sich eine halbe Phase später der betreffende Punkt in Richtung des Partikelstrahls bewegt. In den Orten destruktiver Interferenz bzw. dicht daneben findet während des gesamten Beschichtungsvorgangs keine Schichtbildung statt, da zu keinem Zeitpunkt die Relativgeschwindigkeit zwischen den betreffenden Punkten der Oberfläche und den Beschichtungspartikeln ausreicht, damit diese auf der Oberfläche haften bleiben.
• Durch Einstellung der Beschichtungsparameter in der angegebenen Art können vorteilhaft unterschiedliche Profile der Beschichtungsdicke erzeugt werden. Eine andere Möglichkeit der Beeinflussung der Profilverteilung liegt darin, andere Eigenmoden der Bauteilschwingungen anzuregen.
• Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist weiterhin vorgesehen, dass Rillen in der in Entstehung befindlichen Beschichtung erzeugt werden, indem die Orte konstruktiver und destruktiver Interferenz der Oberflächenwelle in Form von geraden oder stetig gekrümmten, im wesentlichen parallelen Linien die Oberfläche des Bauteils überziehen. Hierbei müssen die Oberflächenwellen auf der Bauteiloberfläche durch eine Eigenmode der Bauteilschwingungen angeregt werden, bei der sich die Orte konstruktiver bzw. destruktiver Interferenz als Wellenfronten linienförmig über die Bauteiloberfläche hinziehen. Da die Oberflächenwellen stehen, bewegen sich die Wellenfronten auf der Bauteiloberfläche nicht, weswegen sich auf Grund der bereits angesprochenen unterschiedlichen Depositionsraten für die Beschichtungsteilchen Rillen und Erhebungen mit linienförmigem Verlauf bilden.
• Die Bildung von Rillen ist für Bauteile besonders vorteilhaft, welche in Ausübung ihrer Funktion von einem Fluid umströmt werden. Die Rillenbildung kann nämlich vorteilhaft dazu beitragen, dass die Strömung durch die Rillen entlang der Bauteiloberfläche in der gewünschten Weise geleitet wird.
• Wenn die Wellenlänge der erzeugten Oberflächenwelle unter Berücksichtigung des Fluides und den vorgesehenen Strömungsgeschwindigkeiten, mit denen dieses das Bauteil umströmen soll, derart ausgewählt wird, dass die entstehenden Rillen eine Breite aufweisen, die eine Ausbildung von Mikroturbulenzen an der Oberfläche verringert oder sogar vermeidet, kann vorteil haft eine Verringerung des Strömungswiderstandes an der Bauteiloberfläche erreicht werden. Hierdurch lässt sich bei Strömungsmaschinen beispielsweise eine signifikante Verbesserung des Wirkungsgrades erreichen. Der Effekt einer Verringerung des Strömungswiderstandes lässt sich damit erklären, dass die Ausbildung der Mikroturbulenzen an der Oberfläche verringert wird. Hierdurch wird die Ausbildung einer laminaren Umströmung des Bauteils gefördert und im günstigsten Fall bis ganz nah an die strukturierte Oberfläche herangeführt. Eine laminare Strömung hat jedoch einen geringeren Strömungswiderstand des Bauteils zur Folge, als eine Strömung, die in Bauteilnähe durch Mikroturbulenzen gestört wird. Dies gilt strömungstechnisch zumindest für moderate bis hohe Strömungsgeschwindigkeiten.
• Die Erfindung lässt sich vorteilhaft insbesondere nutzen, wenn es sich bei dem Bauteil um eine Turbinenschaufel handelt. Diese wird ohnehin vor dem Einsatz in der Turbine mit einer Beschichtung versehen, die gewöhnlich aus einer Korrosionsschicht, insbesondere einer MCrAlY-Schicht und/oder aus einer thermischen Schutzschicht gebildet wird. Wird diese Beschichtung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt, so erhält man vorteilhaft eine Funktionsintegration, da die Beschichtung gleichzeitig eine Verringerung des Strömungswiderstandes, einen thermischen Schutz für die Turbinenschaufel und einen Korrosionsschutz für die Turbinenschaufel bewirkt.
• Weitere Einzelheiten der Erfindung werden im Folgenden anhand der Zeichnung beschrieben, wobei gleiche oder sich entsprechende Zeichnungselemente mit jeweils den gleichen Bezugszeichen versehen sind und nur insoweit mehrfach erläutert werden, wie sich Unterschiede zwischen den Figuren ergeben. Es zeigen
• 1 ein schematisches Ausführungsbeispiel für die Durchführung des erfindungsgemäßen Kaltgasspritzens und
• 2 eine perspektivische Ansicht einer nach dem erfindungsgemäßen Verfahren beschichteten Turbinenschaufel als Ausführungsbeispiel für das erfindungsgemäß beschichtete Bauteil.
• Gemäß 1 ist ein Bauteil 11 schematisch dargestellt. Dieses besteht aus einem quaderförmigen Grundkörper mit einer Oberfläche 12, die durch Ultraschallköpfe 13 als Schwingungsgenerator zu akustischen Oberflächenschwingungen angeregt werden. An den gegenüberliegenden Seiten des Bauteils 11 ist je ein Ultraschallkopf 13 angeordnet, sodass sich die Oberflächenwellen ausgehend vom jeweiligen Ultraschallkopf 13 in entgegen gesetzten Richtungen ausbreiten. Eine Überlagerung dieser akustischen Oberflächenschwingungen ergibt die schematisch dargestellte, stehende Oberflächenwelle 14, wobei deren Amplitude durch eine strichpunktierte Linie dargestellt ist. Dabei wird deutlich, dass die stehende Oberflächenwelle 14 Schwingungsknoten und Schwingungsbäuche ausbildet, wobei die Schwingungsknoten linienförmig rechtwinklig zur Zeichnungsebene sich erstreckende Orte destruktiver Interferenz 15 und die Maxima der Schwingungsbäuche sich in paralleler Weise zu den Orten destruktiver Interferenz erstreckende Orte konstruktiver Interferenz 16 bilden.
• Zur Durchführung einer Beschichtung mittels Kaltgasspritzens wird ein schematisch dargestellter Kaltgasstrahl 17a, 17b, 17c rechtwinklig auf die zu beschichtende Oberfläche 12 gerichtet. Um eine größere Fläche des Bauteils 11 zu beschichten muss der Kaltgasstrahl relativ zur Oberfläche bewegt werden. In 1 sind exemplarisch drei Stellungen des Kaltgasstrahls dargestellt. Der Kaltgasstrahl 17a ist genau auf die Orte destruktiver Interferenz gerichtet. Der Kaltgasstrahl 17b ist auf Orte konstruktiver Interferenz 16 gerichtet, wobei angedeutet ist, dass sich der zu diesem Ort gehörige Punkt der Oberfläche gerade genau entgegengesetzt zur Richtung des Kaltgasstrahls bewegt. Zuletzt ist der Kaltgasstrahl 17c ebenfalls auf einen Ort konstruktiver Interferenz 16 gerichtet, wobei sich der zu diesem Ort gehörige Punkt der Oberfläche gerade in dieselbe Richtung bewegt wie die Partikel im Kaltgasstrahl 17c.
• Je nach Einstellung der Beschichtungsparameter im Kaltgasstrahl lassen sich beispielsweise Profile 18a, 18b einer Beschichtung 19 erzeugen, die durch parallel verlaufende Rillen 20 gekennzeichnet sind. Bei geringeren Partikelgeschwindigkeiten in dem Kaltgasstrahl kann eine Beschichtung nur erfolgen, wenn der zu beschichtende Punkt der Oberfläche gerade eine Bewegung entgegengesetzt zur Richtung des Kaltgasstrahls ausführt (siehe Kaltgasstrahl 17b). Hierdurch ergeben sich die Maxima 21a in der Schichtdicke des Profils 18a. Für den Fall, dass sich die optimalen Beschichtungsparameter an den Orten destruktiver Interferenz auf der Oberfläche befinden, wird das Profil 18b erzeugt, deren Maxima 21b der Schichtdicke in den Orten destruktiver Interferenz liegen.
• Gemäß 2 ist als Bauteil 11 eine Turbinenschaufel dargestellt. Bei der Beschichtung ist es Ziel, ein Strömungsprofil 22 mit Rillen 20 zu versehen, die den Strömungswiderstand des Strömungsprofils 22 verringern. Hierzu wird während eines Kaltgasspritzens der Beschichtung (MCrAlY-Schicht oder thermische Schutzschicht) eine Oberflächenwelle auf der zu beschichtenden Oberfläche des Strömungsprofils 22 erzeugt, dessen Wellenfronten im Wesentlichen parallel zwischen den Schaufelsockeln 23 verlaufen. Hierzu werden an den Schaufelsockeln 23 die Ultraschallköpfe 13 angebracht. Hierbei sind die tatsächlichen Strömungsverhältnisse an dem Strömungsprofil zu berücksichtigen, welche auf Grund der gleichzeitigen Drehung des Turbinenläufers nicht gerade, sondern leicht gekrümmt auf dem Strömungsprofil verlaufen. Ziel ist es nun, durch eine geeignete Schwingungsanregung Linearkombinationen der Eigenmoden der Bauteilschwingungen des Strömungsprofils 22 zu finden, mit denen die Strömungsverteilung auf dem Strömungsprofil möglichst realitätsnah nachgebildet werden kann. Dies bewirkt dann eine Verteilung der Rillen, die den Verlauf der Strömung am Strömungsprofil 22 nicht ablenkt. In der Ausschnittsvergrößerung gemäß 2 ist der Verlauf der Rillen 20 exemplarisch dargestellt.

Claims (9)

1. Verfahren zum Beschichten eines Bauteils (11) durch Kaltgasspritzen, bei dem während des Beschichtens das Bauteil (11) mit einem Schwingungsgenerator (13) zur Ausführung von Schwingungen angeregt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwingungsgenerator (13) derart mit dem Bauteil (11) gekoppelt wird, dass in dem Bauteil (11) eine stehende akustische transversale Oberflächenwelle (14) erzeugt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwingungsanregung durch den Schwingungsgenerator (13) derart auf die Eigenmoden der Bauteilschwingungen angepasst wird, dass die erzeugte Oberflächenwelle (14) eine Linearkombination von Eigenmoden der Bauteilschwingungen ist.
3. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Geschwindigkeit des Kaltgasstrahls (17a, 17b, 17c) derart eingestellt wird, dass sich an den Orten (15) destruktiver Interferenz der Oberflächenwelle optimale Beschichtungsbedingungen einstellen.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Geschwindigkeit des Kaltgasstrahls (17a, 17b, 17c) derart eingestellt wird, dass die Partikelgeschwindigkeit für eine Beschichtungsbildung nur um die Orte (16) konstruktiver Interferenz der Oberflächenwelle herum ausreicht, wenn die Oberfläche (12) des Bauteils (11) sich gerade entgegen der Ausbreitungsrichtung des Kaltgasstrahls bewegt.
5. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Rillen (20) in der in Entstehung befindlichen Beschichtung (19) erzeugt werden, indem die Orte konstruktiver (16) und destruktiver (15) Interferenz der Oberflächenwelle (14) in Form von geraden oder stetig gekrümmten, im Wesentlichen parallelen Linien die Oberfläche (12) des Bauteils (11) überziehen.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Bauteil (11) beschichtet wird, welches in Ausübung seiner Funktion von einem Fluid umströmt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellenlänge der erzeugten Oberflächenwelle (14) unter Berücksichtigung des Fluides und den vorgesehenen Strömungsgeschwindigkeiten, mit denen dieses das Bauteil umströmen soll, derart ausgewählt wird, dass die entstehenden Rillen (20) eine Breite aufweisen, die eine Ausbildung von Mikroturbulenzen an der Oberfläche verringert oder vermeidet.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Bauteil um eine Turbinenschaufel handelt.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dass die Beschichtung (19) aus einer Korrosionsschutzschicht, insbesondere einer MCrAlY-Schicht und/oder aus einer thermischen Schutzschicht gebildet wird.