EP3701060A1 - Verfahren zur reparatur einkristalliner werkstoffe - Google Patents

Verfahren zur reparatur einkristalliner werkstoffe

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EP3701060A1
EP3701060A1 EP18796582.7A EP18796582A EP3701060A1 EP 3701060 A1 EP3701060 A1 EP 3701060A1 EP 18796582 A EP18796582 A EP 18796582A EP 3701060 A1 EP3701060 A1 EP 3701060A1
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EP
European Patent Office
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substrate
coating
coating material
powder
monocrystalline
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EP18796582.7A
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EP3701060B1 (de
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Tobias KALFHAUS
Robert Vassen
Olivier Guillon
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Forschungszentrum Juelich GmbH
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Forschungszentrum Juelich GmbH
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Publication date
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    • C23C4/134—Plasma spraying
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
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    • C23C4/00—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge
    • C23C4/18—After-treatment

Definitions

  • the invention relates to the field of metals and alloys, and more particularly to the field of nickel alloys.
  • the invention relates to a method for repairing monocrystalline materials, which are frequently used for components subject to high temperatures, such as the blades of stationary gas turbines or aircraft turbines.
  • Kazuhoro et al. m a method known with which a defective turbine blade can be repaired.
  • no epitaxial growth takes place on the monocrystalline substrate, as a result of which a polycrystalline microstructure is produced which does not regularly have the mechanical properties of the original substrate.
  • US Pat. No. 5,732,467 A1 describes a method for repairing cracks in the outer surfaces of components which have a superalloy with a directionally oriented microstructure.
  • the process described therein coats and seals the outer surfaces of directionally solidified and monocrystalline structures by coating the defective region using a high speed oxy-fuel process (also referred to herein as HVOF) followed by hot isostatic pressing of the corresponding component.
  • HVOF high speed oxy-fuel process
  • HVOF hot isostatic pressing
  • the fracture site must be capable of being able to be welded and at the same time allowing an orientation direction of the newly applied material which has the same orientation as the rest of the material. For this purpose, a temperature gradient is needed, which supports the orientation orientation.
  • the laser beam buildup welding described here is, in principle, a suitable method for correspondingly welding such break points due to its specific process parameters, such as small local energy input and controlled material input.
  • the challenges of this process are to achieve a perfect single-crystalline, crack-free area, since only a small amount of unstable energy distribution can regularly produce polycrystalline areas.
  • process parameters may result in consistent epitaxial growth on a single crystalline substrate, for example, where the ratio between the Temperature gradient in the weld zone and the solidification rate is higher than a material-dependent threshold.
  • the temperature of the melt decides whether a heterogeneous nucleation or epitaxial growth occurs.
  • the document shows that directional solidification has also been observed during plasma spraying.
  • the object of the invention is to provide a repair method for single-crystalline materials, in particular for single-crystal stationary turbine blades and / or aircraft turbines, in which the added material has largely the same microstructure and crystal orientation as the material to be repaired.
  • the object of the invention is achieved by a method for repair of monocrystalline materials according to the main claim.
  • epitaxial growth can be generated on a monocrystalline material (substrate) by the method of vacuum plasma spraying.
  • the material to be repaired typically comprises a metallic alloy, in particular a nickel-base alloy or also a cobalt-base alloy.
  • plasma spraying is understood to mean a coating process which is carried out with the aid of a plasma and is not based on plasma polymerization.
  • vacuum spraying means a coating process which is carried out by atmospheric oxygen in a vacuum chamber at a pressure of 1 to 200 mbar in order to avoid the oxidation of the coating material.
  • a coating material in the optimal case, the same material is used from which the substrate material consists. Since the components to be repaired, such as blades of stationary gas turbines and / or aircraft turbine blades, are generally materials subjected to high temperatures, suitable coating materials are, in particular, all high-temperature metallic alloys or superalloys.
  • the known high-temperature alloys currently include predominantly solid and high-strength nickel-based alloys or cobalt-base alloys.
  • superalloys are generally metallic materials of complex composition (iron, nickel, platinum, chromium or cobalt-based with additions of elements Co, Ni, Fe, Cr, Mo, W, Re, Ru, Ta, Nb, Al, Ti, Mn , Zr, C and B) for high temperature applications. They are usually tinder and high heat resistant. They can be produced both by melting metallurgy and by powder metallurgy.
  • the polycrystallinity of thermally sprayed metallic layers can be suppressed by spraying an at least similar alloy as that of the monocrystalline substrate material onto the heated and polished substrate surface under greatly reduced pressure and in an argon atmosphere .
  • the term "identical" means that the proportion of alloying elements of the substrate and the layer is only slightly different and that after heat treatment they have a nearly identical microstructure.
  • the temperatures of the substrate are so high that the solidification rate of the molten powder particles is greatly reduced, but the melting temperature of the substrate is not reached.
  • substrate temperatures between 700 ° C and temperatures just below the melting temperature of the substrate used, d. H.
  • d. H For example, 50 ° C below the melting temperature of the substrate set.
  • the solidification rate can not be accurately measured in this process adversely, but it should preferably be less than 100 mm / s.
  • Nucleation does not take place anywhere within the deposited layer at this condition, but advantageously directly at the substrate surface where it aligns with the predetermined orientation of the single crystal of the substrate. An epitaxial growth of the deposited layer on the substrate is thus possible.
  • the heating of the area of the substrate to be repaired by a meander movement of a plasma torch without powder promotion takes place over the surface of the substrate.
  • the substrate can be heated in various ways: electrically, inductively or by electromagnetic radiation.
  • the entire substrate is advantageously heated to at least 700 ° C., advantageously to at least 800 ° C., preferably even to approximately 1100 ° C.
  • the substrate itself is indeed heated, but not up to temperatures at which the substrate melts.
  • the powder melted in the plasma theoretically strikes a solid, polished substrate surface, nucleates there and can thus advantageously solidify in the same crystal orientation.
  • a melting of the surface of the substrate locally by a few ⁇ can not be excluded.
  • This process step is clearly distinguishable from hitherto known repair methods, such as, for example, welding methods using a laser, in which the substrate itself is often also melted at least on the surface to be repaired.
  • a vacuum plasma spray system with powder delivery system and a device for heating a substrate (component) to temperatures of about 700 ° C. to 1300 ° C. are preferably required.
  • the area to be repaired on the component should preferably be polished.
  • the repair process of the damaged component usually begins with the removal of the bondcoat and Topcoats the thermal barrier coating by hydrofluoric acid, also called stripping (English), if such are present on the substrate material.
  • the critical damage is identified and regularly removed, ground and polished by a machining process. Grinding can be done, for example, with abrasive paper of grain size: 320, 640, 1200 and 4000.
  • the subsequent polishing can be done with a diamond suspension on a soft cloth, for example, first a suspension with diamond particles having an average particle size of about 3 ⁇ and then a suspension with diamond particles having an average particle size of about 1 prn is used.
  • a light microscope is suitable for checking the polished substrate surface.
  • the treated substrate surface should be free from scratches.
  • the masking of the undamaged areas of the substrate takes place.
  • the removed area can be rebuilt by the inventive method.
  • Layer thicknesses of about 10 pm up to several mm can be realized.
  • the layer thickness during a single run over / spraying of the plasma torch can be set individually and results from the robot speed in connection with the powder feed rate.
  • the entire layer thickness is regularly realized by repeated driving over / spraying. For example, a one-time transition results in a layer thickness of approximately 25 ⁇ m.
  • the layer can be built arbitrarily thick.
  • an excessively high application rate during the single transition should not be carried out, since otherwise it can disadvantageously lead to increased pore formation. A polish between the individual transitions is not necessary.
  • the application of several layers is possible according to the invention, provided that between the applications of the layers in each case a polishing of the corresponding surface. This may be necessary, for example, if after a first repair and inspection of an area further repair appears necessary. In this respect, the repaired substrate can then be polished again and used for further repair.
  • the applied layer is usually very stress-free due to the high application temperature, there is no physical limit for a maximum layer thickness that can be applied by the method according to the invention.
  • a layer thickness range of a few pm up to about 5 mm can be achieved by the method.
  • a post-processing and possibly a restoration of the original component dimensions and a heat treatment for example in the form of solution annealing and precipitation annealing.
  • a new thermal barrier coating can be applied again and, if necessary, new cooling holes can be drilled.
  • the inventive method thus advantageously offers the possibility to offset defective and discarded single-crystal blades in a new condition.
  • the optimal process parameters can be determined by means of some preliminary tests by a specialist.
  • CET models and / or microstructure diagrams already exist, for example for CMSX-4® [5] (see FIG. 1), which can be used.
  • the temperature to be set is alloy-specific.
  • the additional further heating by the plasma jet is necessary so that an oxidation of the surface is suppressed.
  • the hydrogen contained in the plasma jet creates reducing conditions.
  • the desired temperatures should be as high as possible, so a temperature of 50 K below the melting temperature is desirable.
  • the temperature difference to the remaining substrate / component should be as low as possible, since the area to be repaired should advantageously have the most homogeneous possible temperature distribution.
  • a high substrate temperature usually has an advantageous effect on the formation of residual stresses. Residual stresses can disadvantageously lead to spalling of the previously applied layer. The higher the substrate temperature, the lower the resulting residual stresses.
  • An inhomogeneous temperature distribution of the component during the injection process would increase the susceptibility to residual stresses in the entire component.
  • the essential difference in the method according to the invention is the additional external heating of the substrate. Only with this it is possible the desired microstructure with the superior mechanical properties of the monocrystalline alloys and to achieve minimum residual stresses. A heating of the component only by the introduced energy of the plasma would be sufficient in contrast.
  • FIG. 2 schematically shows a solidification model for the method described.
  • the molten powder particles hit the heated surface of the sample at the speed v p .
  • the temperature near the substrate is below the melting temperature.
  • There the dendrites and the interdendritic area are already frozen. Above it lies a transitional area in which the solidification front lies and the dendrites form.
  • the interdental area has not yet solidified.
  • the molten particles hit the substrate.
  • the temperature is above the melting temperature.
  • CMSX-4 ® is a registered trademark for a single crystal (SC) alloy of the firm Cannon-Muskegon, MI (USA).
  • ERBO / 1 is a second generation single crystal nickel based superalloy from Doncasters Precision Casting, Bochum (Germany). Table 1 :
  • substrate samples measuring 32 mm ⁇ 20 mm ⁇ 2.5 mm and a hole with a diameter of 1 mm and a length of 10 mm are produced from ERBO-1 plates by means of spark erosion.
  • FIG. 3 shows the sample geometry used here.
  • the substrate samples are ground and polished.
  • the surface was first treated successively with 320, 640, 1200 grit paper and finally with 4000 grit.
  • the subsequent polishing was carried out by means of a saturated with a diamond suspension soft cloth.
  • a cloth was used with a suspension with diamond particles having an average particle size of about 3 ⁇ and polished the surface circular.
  • a further cloth with a suspension with diamond particles having a mean particle size of about 1 ⁇ m was used and the surface was polished again.
  • An insulated SiN flat heater 2 with a power of 1000 W allows the heating of the sample 4 up to 1 100 ° C in a vacuum, preferably at 1 to 200 mbar.
  • a SiC heat plate 3 On the heater 2 is a SiC heat plate 3, which ensures a more constant temperature of the sample.
  • the heater 2, the heat-conducting plate (SiC) 3 and the sample 4 are surrounded by a prepared insulation 1, 5, which reduces the convection.
  • the application of the sprayed layer or of the layers takes place via an opening in the diaphragm 6.
  • the temperature is controlled by a controller and by the temperature measurement in the sample with a thermocouple. Both the cables of the thermocouple and the power cable of the heater are placed separately by means of implementation in the vacuum chamber.
  • the powder feeder Sulzer Metco Powder Feeder Twin-120-V is filled with CMSX-4 ® powder with spherical particles with a mean geometric particle diameter of 25 - 60 pm.
  • the mean particle size was determined by means of laser diffraction with the Horiba LA-950V2 device from Retsch.
  • the powder having a mean particle diameter of 38.53 mm for example, the D 10 value to 27.70 ⁇ , the D 50 value to 39.77 ⁇ and the Dg 0 value to 55.27 ⁇ .
  • the powder was previously stored for 2 hours at 150 ° C. This step is for removing water in the powder.
  • the sample heater is activated first. From a temperature of approx. 300 ° C, the plasma flame of the F4 - VB from Oerlinkon Metco supports the heating of the substrate surface until the coating temperature of approx. 900 ° C is reached.
  • the plasma gas contained in the argon containing plasma gas (plasma gas: 50 NLPM argon and 9 NLPM hydrogen) thereby provides for reducing conditions.
  • the oxygen contained in the argon can be selectively oxidized without this reacts with the substrate surface and disadvantageously forms an oxide layer.
  • the parameters selected for the coating can be found in Table 2.
  • solution heat treatment may be necessary in order to reduce any inhomogeneities in the structure of the coating which may be present.
  • the aforementioned heat treatment can advantageously be carried out under pressure with a hot isostatic press (HIP).
  • HIP hot isostatic press
  • the pressure-assisted heat treatment regularly reduces pores in the microstructure.
  • Solution annealing 1300-1315 ° C in protective atmosphere for 6 hours followed by cooling from 150-400 ° C / min to about 800 ° C.
  • Elimination annealing 1 140 ⁇ 10 ° C for 4 hours, then 870 ⁇ 10 ° C for 16 hours in a controlled atmosphere.
  • FIGS. 5a and 5b are scanning electron micrographs of transverse sections of the samples treated in this way, which show directional solidification on the monocrystalline substrate.
  • FIG. 5a shows the monocrystalline substrate onto which the repair layer has been injected.
  • the columnar structure of the grains in the polycrystalline layer is an indication of directional solidification.
  • an area with a similar gray color as the substrate is noticeable. This means due to the crystal orientation contrast in the backscattered electron image of the scanning electron microscope, the same crystal orientation for substrate and layer in this same-colored area.
  • Figure 5b represents a higher magnification of this range.
  • no oxide is present. This is very important for the nucleation of the molten powder on the substrate.
  • the dark ⁇ '-precipitates in the ⁇ matrix can be recognized.
  • FIG. 6a and 6b show scanning electron micrographs of cross sections of the same sample, which was first solution-annealed after the coating with the parameters listed above and then precipitation annealed.
  • FIG. 6a shows the transition region from the monocrystalline substrate to the repair layer.
  • the white dashed line marks the former interface.
  • the repair layer has only a slightly increased pore density, which would disappear by a pressure-assisted heat treatment by means of HIP.
  • the smaller black dots indicate Al 2 0 3 inclusions, which were caused by slight oxidation of the spray material.
  • the porosity in the sprayed layer is determined by the application rate resulting from the powder feed rate and the robot speed. As the order rate decreases, the layer's viscosity is also reduced. Furthermore, it was found that the size of the solidified grains depends on the powder size used. Thus, the size of the directionally solidified grains increases with higher particle diameters.
  • the quality of the argon should be improved with respect to the oxygen content.
  • Another reason for the formation of an oxide layer could be an unfavorable robot movement during the injection process. This should preferably be adjusted so that the sample does not leave the area of influence of the plasma torch. If there is no nucleation on the polished surface of the area to be repaired, although no oxide layer is present, the temperature of the workpiece to be repaired must be increased.
  • Kazuhiro Ogawa and Dowon Seo (201 1). Repair of Turbine Blades Using Cold Spray Technique Advances in Gas Turbine Technology Ernesto Benini (Ed.), InTech, DOI: 10.5772 / 23623. Available from: https://www.intechopen.com/books/advances-in-gas-turbine-technology / repair-of-turbine-blades-using-cold-spray-technique.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beschichtung einer einkristallinen Substratoberfläche eines Bauteiles, umfassend eine einkristalline Legierung, mit einem Beschichtungsmaterial, wobei die zu beschichtende Oberfläche poliert wird und das Substrat in eine Vakuumkammer überführt wird. Das gesamte Substrat wird dort extern auf Temperaturen aufgeheizt, die mindestens der halben Schmelztemperatur des Substrates in °C entsprechen, aber unterhalb des Schmelzpunktes des Substrates liegen. Das Beschichtungsmaterial wird anschließend in Pulverform mittels Vakuum Plasma Spritzens auf die zu beschichtende Oberfläche aufgebracht, wobei ein Pulver mit mittleren Partikelgrößen im Bereich von 10 bis 100 μm eingesetzt wird. Der Arbeitsdruck liegt zwischen 1 und 200 mbar und als Arbeitsgas wird eine Argon/Wasserstoffmischung verwendet. Dadurch wird in der aufgebrachten Schicht direkt an der Grenzfläche des Beschichtungsmaterials und der polierten Substratoberfläche zumindest ein Bereich generiert, der dieselbe einkristalline Orientierungsausrichtung wie das darunter liegende Substrat aufweist.

Description

Beschreibung
Verfahren zur Reparatur einkristalliner Werkstoffe
Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Metalle und Legierungen und speziell auf das Gebiet der Nickellegierungen. Die Erfindung betrifft insbesondere ein Verfahren zur Reparatur von einkristallinen Werkstoffen, die häufig für hoch-temperaturbelastete Bauteile, wie beispielsweise die Schaufeln von stationären Gasturbinen oder von Flugzeugturbinen einge- setzt werden.
Stand der Technik
Aus der Literatur ist bekannt, dass die Herstellung von einkristallinen Schaufeln stationärer Gasturbinen und/oder von Flugzeugturbinen durch die gerichtete Erstarrung und spezielle Gießprozesse sehr teuer und aufwändig ist. Die in den Bauteilen erzeugte Ausrichtung der Mikrostruktur erfolgt dabei entlang der Richtung der axialen Spannung. Die Schaufeln werden im Betrieb regelmäßig einer hohen thermischen Belastung und auch einer korrosiven Atmosphäre ausgesetzt, wodurch diese stark verschleißen. Aus diesem Grund ist beispielsweise das Interesse an der Reparatur einkristalliner Turbinenschaufeln anstelle einer Neuherstellung sehr groß. Dazu sind auch bereits einige Reparaturverfahren aus dem Stand der Technik bekannt, wobei dort unterschieden wird, zwischen Verfahren zur Reparatur von z. B. Turbinenschaufeln über ein thermisches Spritzverfahren, ferner Reparaturverfahren, bei denen Schweißen und Laser cladding eingesetzt wird und zuletzt Verfahren, bei denen während eines thermischen Spritzverfahrens epitaktisches Wachstum von keramischen Werkstoffen erfolgt.
So ist aus Kazuhoro et al. m ein Verfahren bekannt, mit dem eine defekte Turbinenschaufel repariert werden kann. Dabei findet jedoch kein epitaktisches Wachstum auf dem einkristalli- nen Substrat statt, so dass als Folge eine polykristalline Mikrostruktur erzeugt wird, die regelmäßig nicht die mechanischen Eigenschaften des Ursprungssubstrats aufweist.
Ferner wird in US 5,732,467 A1 ein Verfahren zur Reparatur von Rissen in den Außenflächen von Bauteilen beschrieben, die eine Superlegierung mit einer richtungsorientierten Mikrostruktur aufweisen. Das dort beschriebene Verfahren beschichtet und versiegelt die Außenflächen von gerichtet erstarrten und einkristallinen Strukturen durch Beschichten des defekten Bereichs unter Verwendung eines Hochgeschwindigkeits-Oxy-Fuel-Verfahrens (hierin auch als HVOF bezeichnet), gefolgt von einem heißisostatischen Pressen des entsprechenden Bauteils. Hierbei soll ein rissfreier reparierter Bereich entstehen, ohne dass die einkristalline Mikrostruktur des restlichen Bauteils nachteilig beeinflusst wird. Auch hierbei wird im Reparaturbereich jedoch eine polykristalline Mikrostruktur erzeugt, die die vorgenannten Nachteile aufweist.
Aus dem Stand der Technik ist zudem ein Schweißverfahren von Boris Rottwinkel et al. [2] bekannt, bei dem zur Reparatur eines Risses unterhalb des Spitzenbereichs eines einkristallinen Bauteils, z. B. einer Turbinenschaufel, Zeit und Material sparend Bruchstellen vorgesehen sind, um den betroffenen geschädigten Bereich zunächst zu eliminieren. Die Bruchstelle muss geeignet sein, um verschweißt werden zu können, und um gleichzeitig eine Orientierungsrichtung des neu aufgebrachten Materials zu ermöglichen, welche dieselbe Ausrichtung wie das übrige Material aufweist. Dazu wird ein Temperaturgradient benötigt, der die Orientierungsausrichtung unterstützt. Das hier beschriebene Laserstrahl-Auftragschweißen ist aufgrund seiner spezifischen Prozessparameter, wie kleiner lokaler Energieeintrag und kontrollierter Materialeintrag, prinzipiell eine geeignete Methode, um solche Bruchstellen entsprechend zu verschweißen. Die Herausforderungen bei diesem Verfahren bestehen jedoch darin, einen perfekten einkristallinen, rissfreien Bereich zu erreichen, da durch eine geringe instabile Energieverteilung bereits regelmäßig nur polykristalline Bereiche erzeugt werden können.
Aus Henderson et al. '3l sind automatische Schweißverfahren für die industrielle Herstellung von Gasturbinen bekannt. Das Schweißen von hochlegierten Nickellegierungen ist sehr komplex und kann häufig nur sehr schwer zufriedenstellend angewandt werden. Bei
Schweißversuchen zur Reparatur von Schaufelrädern wurden beispielsweise spezielle Legierungsdrähte zum Auffüllen eingesetzt. Es folgte ein Standard Ausheiz- und Alterungspro- zedere, in denen jedoch Mikrorisse auftraten.
Zur Reparatur von Schäden an einkristallinen Materialien, wie sie beispielsweise in Schaufeloder Flügelblättern von Gasturbinen vorkommen, wird ebenfalls ein Schweißverfahren vorgeschlagen [3]. Bei der Reparatur durch Laserstrahl-Auftragschweißen (engl. Laser Metall Forming (LMF) oder Laser Cladding) ist es prinzipiell möglich, einkristalline Strukturen auf einem einkristallinen Substrat zu erzeugen. Diese Methode zeichnet sich durch einen minimalen Wärmeeintrag in das Bauteil während des Aufbaus aus, sodass weitere Risse oder eine Rekristallisation des einkristallinen Materials verhindert werden.
Mit Hilfe dieser Methode kann zudem die Orientierung des einkristallinen Ausgangsmaterials bis über die Grenzfläche in das neu aufgebrachte Material beibehalten werden. Optimierte
Prozessparameter können zudem zu einem übereinstimmenden epitaktischen Wachstum auf einem einkristallinen Substrat führen, beispielsweise in dem das Verhältnis zwischen dem Temperaturgradienten in der Schweißzone und der Erstarrungsgeschwindigkeit höher ist, als ein materialabhängiger Schwellenwert.
Die gezielte Reparatur von Rissen ist aber bislang nicht möglich. Bei der Reparatur von größeren Bereichen kommt es regelmäßig zu erhöhten Spannungen durch thermische Expansion. Des Weiteren liefert die Literatur keine Ergebnisse über die Reparatur von Bereichen, in denen Kühllöcher oder -leitungen verlaufen, durch dieses Verfahren. Durch Kühllöcher entsteht - ähnlich wie in einer Kerbe - ein komplexes Erstarrungssystem. Die gerichtete kristalline Erstarrung erfolgt regelmäßig nur, wenn der Wärmefluss konstant ist und nicht gestört wird. Beim Vorhandensein von Kühllöchern wird dieser konstante Wärmefluss jedoch typischerweise gestört, so dass in Folge Risse entstehen und/oder eine unerwünschte Po- lykristallinität in diesem Bereich auftritt. Eine Reparatur in einem solchen Bereich unterhalb der Turbinenspitze ist somit mit diesen Verfahren in der Regel nicht möglich. Durch die bereits bestehenden Reparaturverfahren ist es somit noch nicht möglich, die Mik- rostruktur des einkristallinen Grundwerkstoffes an jedem Bereich des zu reparierenden Bauteils, z. B. einer Turbinenschaufel, wiederherzustellen. Dies bedeutet, dass eine Reparatur der Schaufeln zwar möglich ist, diese jedoch regelmäßig noch nicht die mechanischen Eigenschaften neuwertiger Schaufeln besitzen.
Im Bereich der keramischen Bearbeitung sind von Shu-Wie Yao et al. [ ] Untersuchungen zum Thema epitaktisches Wachstum während der Erstarrung von Plasma gespritztem geschmolzenem Ti02 durchgeführt worden. Es wurde herausgefunden, dass eine Vielzahl von Parametern, wie beispielsweise die Aufbringungstemperatur, die kristallographische Ausrich- tung und die Unterkühlung der Schmelze, einen deutlichen Einfluss auf das epitaktische
Wachstum haben. Insbesondere die Temperatur der Schmelze entscheidet darüber, ob eine heterogene Keimbildung oder epitaktisches Wachstum auftritt. Die Druckschrift zeigt, dass eine gerichtete Erstarrung auch schon beim Plasma Spritzen beobachtet wurde.
Aufgabe und Lösung
Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein Reparaturverfahren für einkristalline Werkstoffe, insbesondere für einkristalline Schaufeln stationärer Gasturbinen und/oder von Flugzeugturbinen, zur Verfügung zu stellen, bei dem das zugefügte Material größtenteils dieselbe Mikrostruktur und Kristallorientierung wie der zu reparierende Werkstoff aufweist. Die Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch ein Verfahren zur Reparatur einkristalliner Werkstoffe gemäß Hauptanspruch.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens ergeben sich aus den darauf rückbezogenen Ansprüchen.
Gegenstand der Erfindung
Im Rahmen der Erfindung wurde herausgefunden, dass über die Methode des Vakuum Plasma Spritzens epitaktisches Wachstum auf einem einkristallinen Werkstoff (Substrat) generiert werden kann.
Im Rahmen dieser Erfindung umfasst der zu reparierende Werkstoff, im folgenden Substratwerkstoff genannt, typischerweise eine metallische Legieruing, insbesondere eine Nickelba- sislegierung oder auch eine Kobaltbasislegierung.
Unter dem Begriff Plasma Spritzen wird ein Beschichtungsverfahren verstanden, welches mit Hilfe eines Plasmas durchgeführt wird und nicht auf einer Plasmapolymerisation beruht. Im Unterschied zum atmosphärischen Plasma Spritzen wird unter Vakuum Plasma Spritzen ein Beschichtungsverfahren verstanden, welches zur Vermeidung der Oxidation des Be- schichtungsmaterials durch Luftsauerstoff in einer Vakuumkammer bei einem Druck von 1 bis 200 mbar durchgeführt wird. Als Beschichtungsmatenal kommt im optimalen Fall dasselbe Material zum Einsatz, aus dem der Substratwerkstoff besteht. Da es sich in der Regel bei den zu reparierenden Bauteilen, wie beispielsweise Schaufeln stationärer Gasturbinen und/oder Flugzeugturbinenschaufeln, um hoch temperaturbelastete Werkstoffe handelt, kommen als Beschichtungsmaterialien insbesondere alle metallische Hochtemperaturlegierungen oder auch Superlegierungen in Betracht.
Zu den bekannten Hochtemperaturlegierungen gehören zurzeit überwiegend feste und hochfeste Nickelbasislegierungen oder auch Kobaldbasislegierungen. Als Superlegierungen werden ganz allgemein metallische Werkstoffe komplexer Zusammensetzung (Eisen, Nickel, Platin, Chrom oder Kobalt-Basis mit Zusätzen der Elemente Co, Ni, Fe, Cr, Mo, W, Re, Ru, Ta, Nb, AI, Ti, Mn, Zr, C und B) für Hochtemperaturanwendungen bezeichnet. Sie sind zu- meist zunder- und hochwarmfest. Ihre Herstellung kann sowohl schmelzmetallurgisch als auch pulvermetallurgisch erfolgen.
Im Rahmen der Erfindung hat sich herausgestellt, dass die Polykristallinität von thermisch gespritzten metallischen Schichten unterdrückt werden kann, indem eine zumindest artgleiche Legierung, wie sie der einkristalline Substratwerkstoff aufweist, auf die beheizte und polierte Substratoberfläche bei stark verringertem Druck und in einer Argon Atmosphäre gespritzt wird. Im Rahmen dieser Erfindung wird unter dem Begriff„artgleich" verstanden, dass sich der Anteil der Legierungselemente von Substrat und Schicht nur geringfügig unter- scheiden und diese nach einer Wärmebehandlung eine nahezu identische Mikrostruktur aufweisen.
Es hat sich herausgestellt, dass eine geringe Erstarrungsgeschwindigkeit das gerichtete einkristalline Wachstum des aufgebrachten Materials begünstigt. Die Erstarrungsgeschwin- digkeit innerhalb der aufgebrachten Schicht verringert sich regelmäßig mit steigender Substrattemperatur.
Erfindungsgemäß liegen die Temperaruten des Substrates derart hoch, dass die Erstarrungsgeschwindigkeit der aufgeschmolzenen Pulverpartikel stark verringert, die Schmelz- temperatur des Substrates aber nicht erreicht wird. Typischerweise werden dazu Substrattemperaturen zwischen 700 °C und Temperaturen knapp unterhalb der Schmelztemperatur des eingesetzten Substrates, d. h. beispielsweise 50 °C unterhalb der Schmelztemperatur des Substrates, eingestellt. Die Erstarrungsgeschwindigkeit lässt sich bei diesem Prozess nachteilig nicht exakt messen, sie sollte aber bevorzugt bei weniger als 100 mm/s liegen.
Die Keimbildung findet bei diesem Bedingungen nicht irgendwo innerhalb der aufgebrachten Schicht statt, sondern vorteilhaft direkt an der Substratoberfläche, wo sie sich an der vorge- gebenen Orientierung des Einkristalls des Substrates ausrichtet. Ein epitaktisches Wachstum der aufgebrachten Schicht auf dem Substrat ist somit möglich.
Vorzugsweise erfolgt das Aufheizen des zu reparierenden Bereiches des Substrates durch eine Meanderbewegung eines Plasmabrenners ohne Pulverförderung über die Oberfläche des Substrates. Zusätzlich erfolgt eine Aufheizung des gesamten Substrates. Das Substrat kann dabei auf verschiedene Weisen beheizt werden: elektrisch, induktiv oder durch elektromagnetische Strahlung. Vorteilhaft wird das gesamte Substrat je nach Legierung auf mindestens 700 °C, vorteilhaft auf mindestens 800 °C, vorzugsweise sogar auf ca. 1 100 °C aufgeheizt.
Wichtig bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist, dass während des Aufbringens der thermisch gespritzten Schicht das Substrat selbst zwar aufgeheizt wird, aber nicht bis zu Temperaturen, bei denen das Substrat aufschmilzt. Beim Reparaturprozess trifft somit das im Plasma aufgeschmolzenen Pulver theoretisch auf eine feste, polierte Substratoberfläche, nukliert dort und kann somit vorteilhaft in derselben Kristallorientierung erstarren. In der Praxis kann je nach Durchführung des Verfahrens ein Aufschmelzen der Oberfläche des Substrates lokal um einige wenige μιη jedoch nicht ausgeschlossen werden.
Dieser Verfahrensschritt ist deutlich zu unterscheiden, von bislang bekannten Reparaturver- fahren, wie beispielsweise Schweißverfahren mittels eines Lasers, bei denen häufig auch das Substrat selbst zumindest an der zu reparierenden Oberfläche mit aufgeschmolzen wird.
Bei der Zusammensetzung des Plasmagases ist es wichtig, dass dieses Wasserstoff aufweist. Wasserstoff bewirkt reduzierende Bedingungen, welche die Oxidation des Substrat- Werkstoffes während des Aufheizvorgangs regelmäßig unterdrücken. Ein geeignetes Argon haltiges Plasmagas könnte insofern minimal 5 NLPM und maximal 25 NLMP Wasserstoff bei 50 NLPM Argon aufweisen. NLPM bedeutet Normliter pro Minute und bezieht sich auf einen Gasmengenstrom bei Normbedingungen (T = 273,15 K). Dies entspricht dann einem Konzentrationsbereich von 0 Vol.-% bis 50 Vol.-% Wasserstoff im Plasmagas Argon.
Zur Durchführung des Verfahren werden vorzugsweise eine Vakuum Plasma Spritz Anlage mit Pulverfördersystem und eine Vorrichtung zum Aufheizen eines Substrats (Bauteils) auf Temperaturen von ca. 700 °C bis zu 1300 °C benötigt. Der zu reparierende Bereich auf dem Bauteil sollte vorzugsweise poliert sein.
Der Reparaturprozess des beschädigten Bauteils beginnt in der Regel mit dem Entfernen des Bondcoats und Topcoats der Wärmedämmschicht durch Flusssäure, auch strippen (englisch) genannt, sofern solche auf dem Substratwerkstoff vorhanden sind.
Im nächsten Schritt werden die kritischen Beschädigungen identifiziert und regelmäßig durch ein zerspanendes Verfahren abgetragen, geschliffen und poliert. Das Schleifen kann beispielsweise mit Schleifpapier der Körnung: 320, 640, 1200 und 4000 erfolgen.
Das anschließende Polieren kann mit einer Diamantsuspension auf einem weichen Tuch erfolgen, wobei beispielsweise zunächst eine Suspension mit Diamantpartikel mit einer mittleren Partikelgröße von ca. 3 μιτι und anschließend eine Suspension mit Diamantpartikel mit einer mittleren Partikelgröße von ca. 1 prn eingesetzt wird. Für die Überprüfung der polierten Substratoberfläche ist ein Lichtmikroskop geeignet. Dabei sollte die behandelte Substratoberfläche frei von Kratzern sein.
Im nächsten Schritt erfolgt die Maskierung der unbeschädigten Bereiche des Substrates.
Nun kann der abgetragene Bereich durch das erfindungsgemäße Verfahren neu aufgebaut werden. Schichtdicken von ca. 10 pm bis zu mehreren mm sind dabei realisierbar. Die Schichtdicke beim einmaligen Überfahren/Spritzen des Plasmabrenners kann individuell eingestellt werden und ergibt sich aus der Robotergeschwindigkeit in Verbindung mit der Pulverförderrate. Die gesamte Schichtdicke wird regelmäßig durch mehrfaches Überfahren/Spritzen realisiert. So ergibt sich beispielsweise bei einem einmaligen Übergang eine Schichtdicke von ca. 25 pm. Je nach Anzahl der Übergänge kann die Schicht beliebig dick aufgebaut werden. Eine zu hohe Auftragsrate beim einmaligen Übergang sollte jedoch nicht erfolgen, da es ansonsten nachteilig zu einer erhöhten Porenbildung kommen kann. Eine Politur zwischen den einzelnen Übergängen ist nicht nötig.
Auch das Aufbringen mehrerer Schichten ist erfindungsgemäß möglich, sofern zwischen den Aufbringungen der Schichten jeweils eine Polierung der entsprechenden Oberfläche erfolgt. Dies kann beispielsweise dann erforderlich sein, wenn nach einer ersten Reparatur und Überprüfung eines Bereiches eine weitere Reparatur notwendig erscheint. Insofern kann das reparierte Substrat dann erneut poliert und für eine weitere Reparatur eingesetzt werden.
Da die aufgebrachte Schicht durch die hohe Aufbringungstemperatur in der Regel sehr spannungsarm ist, gibt es keine physikalische Grenze für eine maximale Schichtdicke, die über das erfindungsgemäße Verfahren aufgebracht werden kann. Ein Schichtdickenbereich von wenigen pm bis zu ca. 5 mm kann durch das Verfahren erzielt werden. Anschließend erfolgen eine Nachbearbeitung und gegebenenfalls eine Wiederherstellung der ursprünglichen Bauteilabmessungen und eine Wärmebehandlung, beispielsweise in Form von Lösungsglühen und Ausscheidungsglühen. Im letzten Schritt kann dann je nach Anforderung wieder eine neue Wärmedämmschicht aufgebracht und gegebenenfalls Kühilöcher neu gebohrt werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren bietet somit vorteilhaft die Möglichkeit, defekte und ausrangierte einkristalline Schaufeln in einen neuwertigen Zustand zu versetzten.
Die optimalen Prozessparameter können dabei mittels einiger Vorversuche durch einen Fachmann ermittelt werden. Je nach Material existierten dazu bereits CET-Modelle und/oder Mikrostrukturdiagramme, wie beispielsweise für CMSX-4® [5) (siehe Figur 1 ), auf die zurückgegriffen werden kann.
Zusammenfassend kann man sagen, dass es bei dem erfindungsgemäßen Verfahren darauf ankommt, das gesamte Substrat bzw. das gesamte Bauteil zunächst extern bis auf Temperaturen knapp unterhalb der Schmelztemperatur des Substrates aufzuheizen. Die dabei einzustellende Temperatur ist legierungsspezifisch. Die zusätzliche weitere Aufheizung durch den Plasmastrahl ist nötig, damit eine Oxidation der Oberfläche unterdrückt wird. Der im Plasmastrahl enthaltene Wasserstoff schafft reduzierende Bedingungen. Die angestrebten Temperaturen sollten möglichst hoch sein, daher ist eine Temperatur von 50 K unterhalb der Schmelztemperatur anstrebenswert. Der Temperaturunterschied zum restlichen Substrat/Bauteil sollte möglichst gering sein, da der zu reparierende Bereich vorteilhaft eine möglichst homogene Temperaturverteilung aufweisen sollte. Eine hohe Substrattemperatur wirkt sich in der Regel vorteilhaft auf die Bildung von Eigenspannungen aus. Eigenspannungen können nachteilig zum Abplatzen der zuvor aufgebrachten Schicht führen. Je höher die Substrattemperatur ist, desto geringer sind die resultierenden Eigenspannungen. Eine inhomogene Temperaturverteilung des Bauteils während des Spritzprozesses würde insofern die Anfälligkeit für Eigenspannungen im gesamten Bauteil erhöhen.
Der wesentliche Unterschied bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist die zusätzliche externe Beheizung des Substrates. Nur mit dieser ist es möglich die angestrebte Mikrostruktur mit den überragenden mechanischen Eigenschaften der einkristallinen Legierungen und minimale Eigenspannungen zu erzielen. Ein Aufheizen des Bauteils nur durch die eingebrachte Energie des Plasmas wäre demgegenüber nicht ausreichend.
In einem CET-Diagramm (engl. Columnar to Equiaxed Transition (CET)) werden die Auswir- kungen der Erstarrungsgeschwindigkeit und des an der Stelle herrschenden Temperaturgradienten auf die dabei entstehende Mikrostruktur des erstarrten Materials aufgezeigt.
Die Figur 2 zeigt schematisch ein Erstarrungsmodell für das beschriebene Verfahren. Die geschmolzenen Pulverpahkel treffen mit der Geschwindigkeit vp auf die beheizte Oberfläche der Probe. Es entstehen drei Temperaturzonen nahe der Oberfläche. Die Temperatur nahe dem Substrat liegt unterhalb der Schmelztemperatur. Dort sind die Dendriten und der inter- dentritisch Bereich bereits erstarrt. Darüber liegt ein Übergangsbereich in dem die Erstarrungsfront liegt und sich die Dendriten bilden. Der interdentrische Bereich ist noch nicht erstarrt. Im oberen Bereich der Abbildung treffen die geschmolzenen Partikel auf das Sub- strat. Hier liegt die Temperatur oberhalb der Schmelztemperatur. Des Weiteren zeigt die
Abbildung im Substrat den großen Dendritenarmabstand Su strat, der durch eine sehr geringe Erstarrungsgeschwindigkeit v und durch einen geringen Temperaturgradienten G (siehe CET-Diagramm) bei der Herstellung der einkristallinen Substrate entsteht. Durch die hohe Temperatur der geschmolzenen Pulverpartikel erhöht sich der Temperaturgradient G und auch die Erstarrungsgeschwindigkeit v steigt aufgrund der angestrebten Substrattemperatur. Dies führt zu einem verringerten Dendritenarmabstand Reparatur-schicht-
Spezieller Beschreibungsteil
Im Weiteren wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und einigen Figuren näher erläutert, ohne dass dies zu einer Einschränkung des breiten Schutzumfanges führen soll.
Im Folgenden wird exemplarisch die gerichtete Erstarrung von CMSX-4®-Pulver auf einem ERBO-1 Substrat gezeigt. Diese beiden Legierungen sind sehr ähnlich. Die genaue Zusammensetzung kann der nachfolgenden Tabelle entnommen werden. Bei CMSX-4® handelt es sich um eine eingetragene Marke für eine Einkristall (SC)-Legierung der Firma Cannon- Muskegon, MI (USA). ERBO/1 ist eine Einkristall Nickel-basierte Superlegierung der zweiten Generation von der Firma Doncasters Precision Casting, Bochum (Germany). Tabelle 1 :
Zunächst werden aus ERBO-1 Platten Substratproben mit den Maßen 32 mm x 20 mm x 2,5 mm und einem Loch mit einem Durchmesser von 1 ,1 mm und eine Länge von 10 mm mittels Funkenerodieren hergestellt. Die Figur 3 zeigt die hier verwendete Probengeometrie.
Vor dem Beschichten werden die Substratproben geschliffen und poliert. Dabei wurde die Oberfläche zunächst nacheinander mit Schleifpapier der Körnung 320, 640, 1200 und abschließend mit 4000er Körnung behandelt.
Das anschließende Polieren erfolgte mittels eines mit einer Diamantsuspension getränkten weichen Tuchs. Zunächst wurde ein Tuch mit einer Suspension mit Diamantpartikel mit einer mittleren Partikelgröße von ca. 3 μπι eingesetzt und die Oberfläche kreisförmig poliert. Anschließen wurde ein weiteres Tuch mit einer Suspension mit Diamantpartikel mit einer mittle- ren Partikelgröße von ca. 1 μιτι eingesetzt und die Oberfläche erneut poliert.
Die Überprüfung der so behandelten und polierten Substratoberfläche erfolgte mit einem Lichtmikroskop. Es konnten keine Kratzer auf der Substratoberfläche detektiert werden. Im Anschluss daran erfolgt der Einbau der polierten Probe in einen beheizten Probenhalter. Eine technische Zeichnung zeigt den genauen Aufbau gemäß Figur 4.
Ein isolierter SiN-Flachheizer 2 mit einer Leistung von 1000 W ermöglicht das Aufheizen der Probe 4 auf bis zu 1 100 °C im Vakuum, vorzugsweise bei 1 bis 200 mbar. Auf dem Heizer 2 liegt eine SiC-Wärmeplatte 3, die für eine konstantere Temperatur der Probe sorgt. Der Heizer 2, die wärmeleitende Platte (SiC) 3 und die Probe 4 sind von einer angefertigten Isolierung 1 , 5 umgeben, die die Konvektion verringert. Das Aufbringen der gespritzten Schicht bzw. der Schichten erfolgt über eine Öffnung in der Blende 6. Die Temperaturregelung erfolgt durch einen Regler und durch die Temperaturmessung in der Probe mit einem Thermoelement. Sowohl die Kabel des Thermoelementes als auch die Stromkabel des Heizers werden separat mittels Durchführung in die Vakuumkammer gelegt. Der Pulverförderer Sulzer Metco Powder Feeder Twin-120-V wird mit CMSX-4®-Pulver mit sphärischen Partikel mit einem mittleren geometrischen Partikeldurchmesser von 25 - 60 pm gefüllt. Die Bestimmung der mittleren Partikelgröße erfolgte dabei mittels Laserbeugung mit dem Gerät Horiba LA-950V2 der Firma Retsch.
Für das Pulver mit einem mittleren Partikeldurchmesser von 38,53 mm ergaben sich beispielsweise der D10-Wert zu 27,70 μΐη, der D50-Wert zu 39,77 μηη und der Dg0-Wert zu 55,27 μΓπ.
Das Pulver wurde zuvor für 2 Stunden bei 150 °C gelagert. Dieser Schritt dient dem Entfernen von Wasser im Pulver.
Es folgte der erfindungsgemäße Beschichtungsprozess. Aus der nachfolgenden Tabelle 2 können die dazu eingestellten Spritzparameter entnommen werden.
Tabelle 2:
Versuch-Nr.: v-17-061 -f4 Anwender:
Projekt: WDS. intern Beschreibung: 20 x 30 x 2,5 mm
Spritzteil-Nr.: RX - Proben
Pulver (Line 1 ): CMSX 4 / V2 Injektionsort (Linie 1 ): unten (90°)
Pulver (Linie 2): - Injektionsort (Linie 2): -
Pulver (Linie 3): - Injektionsort (Linie 3): -
Abstreifer (Linie 1 ): Nl Pulverrinne (Linie 1 ): 16 x 1 ,2
Abstreifer (Linie 2): - Pulverrinne (Linie 2): 1 1 x 0,5
Abstreifer (Linie 3): - Pulverrinne (Linie 3): 1 1 x 0,5
Prozessdruck (mbar): 60 Sputterstrom (A):
Spritzdistanz (mm): 275 Drehtisch (1/min.):
Robot. -Geschw.(mm/s): 440 Robot-PRG: MHOR4 Y440 X120
Beschichtungszyklen/Zeit: 8 02-Zusatz (SLPM): 0
Substrat: CMSX-4 Oberflächenbehandlung:
gestrahlt, poliert
Beschichtungstemp. (°C): 900 Schichtdicke (μηη): 320
Bemerkungen: Schichtgewicht (g): 0
beheizter Probenhalter X+-135 R10=3
Diagnostik: Report-Datei: mit Mäander-Programm
geheizt und direkt Pulver zugeführt Wird der Aufheizvorgang eingeleitet wird zunächst der Probenheizer aktiviert. Ab einer Temperatur von ca. 300 °C unterstützt die Plasmaflamme des F4 - VB der Firma Oerlinkon Met- co das Aufheizen der Substratoberfläche bis die Beschichtungstemperatur von ca. 900 °C erreicht ist.
Der im Argon haltigen Plasmagas enthaltene Wasserstoff (Plasmagas: 50 NLPM Argon und 9 NLPM Wasserstoff) sorgt dabei für reduzierende Bedingungen. So kann der im Argon enthaltende Sauerstoff gezielt oxidiert werden, ohne dass dieser mit der Substratoberfläche reagiert und nachteilig eine Oxidschicht ausbildet.
Die für die Beschichtung ausgewählten Parameter sind der Tabelle 2 zu entnehmen.
Tabelle 2:
Nach dem Beschichten ist regelmäßig eine Wärmebehandlung von Vorteil.
Beispielsweise kann eine Lösungsglühung (engl. Solution Heat Treatment (SHT)) notwendig sein, um gegebenenfalls vorhandene Inhomogenitäten im Gefüge der Beschichtung zu verringern. Die vorgenannte Wärmebehandlung kann vorteilhaft druckunterstützt mit einer heißisostati- schen Presse (engl. Hot Isostatic Press (HIP)) durchgeführt werden. Durch die druckunterstütze Wärmebehandlung verringern sich regelmäßig Poren im Gefüge.
Die regelmäßige Anordnung der y'-Ausscheidungen innerhalb der y-Matrix erfolgt regelmäßig durch Ausscheidungsglühen. Die γ'-Ausscheidungen sind maßgeblich für die sehr guten mechanischen Eigenschaften im Hochtemperaturbereich verantwortlich. Die genauen Temperaturverläufe der für dieses Ausführungsbeispiel vorgenommenen Wärmebehandlungen sind nachfolgend aufgeführt:
Lösungsglühung: 1300 - 1315 °C in Schutzatmosphäre für 6 Stunden mit anschließender Kühlung von 150 - 400°C/min auf ca. 800 °C.
Ausscheidungsglühung: 1 140 ± 10 °C für 4 Stunden, anschließend 870 ± 10 °C für 16 Stunden in Schutzatmosphäre.
In den Figuren 5a und 5b sind Rasterelektronenmikroskop-Aufnahmen von Querschliffen der so behandelten Proben dargestellt, die die gerichtete Erstarrung auf dem einkristallinen Substrat zeigen. Figur 5a zeigt das einkristalline Substrat, auf das die Reparaturschicht gespritzt wurde. Die stängelige Struktur der Körner in der polykristallinen Schicht ist ein Indiz für gerichtete Erstarrung. Am Übergang zwischen Substrat und Schicht fällt ein Bereich mit einer ähnlichen Graufärbung, wie das Substrat, auf. Dies bedeutet aufgrund des Kristallorientierungskontrastes im Rückstreuelektronen Bild des Rasterelektronenmikroskops die gleiche Kristallorientierung für Substrat und Schicht in diesem gleichfarbigen Bereich. Figur 5b stellt eine höhere Vergrößerung dieses Bereiches dar. Im Übergang vom Substrat zur Schicht ist kein Oxid vorhanden. Dies ist für die Nukleation des geschmolzenen Pulvers auf dem Substrat sehr wichtig. Im Substrat lassen sich die dunklen γ'-Ausscheidungen in der γ- Matrix erkennen.
Die Figuren 6a und 6b zeigen Rasterelektronenmikroskop-Aufnahmen von Querschliffen der gleichen Probe, die nach der Beschichtung mit den oben aufgeführten Parametern zunächst Lösungsgeglüht und anschließend Ausscheidungsgeglüht wurde. Figur 6a zeigt den Übergansbereich vom einkristallinen Substrat zur Reparaturschicht. Die weiß gestrichelte Linie kennzeichnet die ehemalige Grenzfläche. Durch diese Wärmebehandlung wachsen die auf dem einkristallinen Substrat nukleierten Körner auf Kosten der kleinen Körner in die polykristalline Schicht. Zumindest an der Grenzfläche entsteht ein einkristallines Gefüge mit der gleichen Kristallorientierung, wie sie das Substrat aufweist. Die Reparaturschicht weist lediglich eine geringfügig erhöhte Porendichte auf, welche durch eine druckunterstützte Wärmebehandlung mittels HIP verschwinden würden. Die kleineren schwarzen Punkte kennzeichnen Al203 Einschlüsse, die durch geringfügige Oxidation des Spritzwerkstoffes entstanden sind. Figur 6b zeigt einen vergrößerten Ausschnitt. An der ehemaligen Grenzfläche weist ein Al203 Porensaum auf diese hin. Durch die Ausscheidungsglühung verringert sich die Größe der y' Ausscheidungen in der γ-Matrix und diese ordnen sich kubisch an. Diese Anordnung sorgt für die best-möglichen mechanischen Eigenschaften der Legierung. Die Orientierung der Ausscheidungen zeigt neben dem gleichen Kristallorientierungskontrast, dass die Einkristal- linizität des Substrates in die Reperaturschicht fortgeführt wurde. Neben den Untersuchungen mit einem Rastersondenmikroskop wurden auch Aufnahmen der Elektronenrückstreubeugung (engl. Elektron Backschaften Diffraction (EBSD)) Analyse für diese Proben angefertigt (hier nicht dargestellt). Darauf ist die aufgetragene Beschichtung anhand ihrer roten Farbe zu erkennen, wobei die rote Farbe die (001) Kristallebene signalisiert, in der auch der Substratwerkstoff orientiert ist. Damit kann belegt werden, dass bei der erfindungsgemäßen Aufbringung die aufgebrachte, gespritzte Schicht zumindest in weiten Bereichen in derselben Orientierungsausrichtung erstarrt, wie der einkristalline Substratwerkstoff.
Bei der Entwicklung des Reparaturverfahrens im Rahmen dieser Erfindung wurde festgestellt, dass die Porosität in der gespritzen Schicht durch die Auftragsrate, die sich aus der Pulverförderrate und der Robotergeschwindigkeit ergibt, bestimmt wird. Mit sinkender Auftragsrate wird auch die Prösität der Schicht verringert. Des Weiteren wurde festgestellt, dass die Größe der erstarrten Körner von der eingesetzten Pulvergröße abhängt. So steigt die Größe der gerichtet erstarrten Körner mit höheren Partikeldurchmessern.
Bildet sich eine Oxidschicht zwischen Substrat und Reparaturschicht, die die Nukleation verhindert, sollte die Qualität des Argons bezüglich des Sauerstoffgehaltes verbessert werden. Ein weiterer Grund für die Bildung einer Oxidschicht könnte eine ungünstige Roboterbewegung während des Spritzprozesses sein. Diese sollte vorzugsweise so angepasst werden, dass die Probe den Einflussbereich des Plasmabrenners nicht verlässt. Findet keine Nukleation an der polierten Oberfläche des zu reparierenden Bereiches statt, obwohl keine Oxidschicht vorhanden ist, muss die Temperatur des zu reparierenden Werkstückes erhöht werden.
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Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Beschichtung einer einkristallinen Substratoberfläche eines Bauteiles, umfassend eine einkristalline Legierung, mit einem Beschichtungsmaterial mit den Schritten:
- die zu beschichtende Oberfläche wird poliert,
- das Substrat wird in eine Vakuumkammer überführt,
- das gesamte Substrat wird auf Temperaturen aufgeheizt, die mindestens der halben Schmelztemperatur des Substrates in °C entsprechen, aber unterhalb der
Schmelztemperatur des Substrates liegen,
- das Beschichtungsmaterial wird in Pulverform mittels Vakuum Plasma Spritzens auf die zu beschichtende Oberfläche aufgebracht,
- wobei ein Pulver mit mittleren Partikelgrößen im Bereich von 10 bis 200 μηι eingesetzt wird,
- wobei ein Druck zwischen 1 und 200 mbar eingestellt wird, und
- wobei als Arbeitsgas eine Argon Atmosphäre mit einem Wasserstoffanteil von 10 bis 50 Vol.-% eingesetzt wird,
- wodurch direkt an der Grenzfläche des Beschichtungsmaterials und der polierten Substratoberfläche zumindest ein Bereich generiert wird, der dieselbe einkristailine Orientierungsausrichtung wie das darunter liegende Substrat aufweist.
2. Verfahren nach Anspruch 1 ,
bei dem als Beschichtungsmaterial ein Material eingesetzt wird, welches identisch ist mit dem Substratmaterial.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2,
bei dem als Substrat und als Beschichtungsmaterial jeweils eine einkristalline Nickel- Basislegierung oder eine Kobaltbasislegierung eingesetzt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
bei dem das gesamte Substrat auf wenigstens 700 °C, vorteilhaft auf wenigstens 800 °C erhitzt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
bei dem das Aufheizen des gesamten Substrats elektrisch, induktiv oder durch elektromagnetische Strahlung erfolgt.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
bei dem das Aufheizen der Substratoberfläche durch den Plasmabrenner ohne Pulverzuführung erfolgt.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
bei dem das beschichtete Substrat im Nachgang zur Beschichtung einer Lösungsglü- hung und/oder einer Ausscheidungsglühung und/oder einer druckunterstützten Wärmebehandlung unterzogen wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
bei dem ein Substrat mit wenigstens einem Kühlloch eingesetzt wird.
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