WO2006042506A1 - Verfahren zur herstellung eines mit einer verschleissschutzbeschichtung beschichteten bauteils - Google Patents

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    • B24C1/10—Methods for use of abrasive blasting for producing particular effects; Use of auxiliary equipment in connection with such methods for compacting surfaces, e.g. shot-peening

Definitions

  • the invention relates to a process for producing a component coated with a wear protection coating, in particular a corrosion protection coating or anti-corrosion coating, in particular a gas turbine component.
  • Gas turbine components are exposed during their operation to high wear, in particular by oxidation, corrosion or erosion. It is therefore known from the prior art to provide gas turbine components with corresponding wear protection coatings. By putting on a wear protection coating, however, the so-called HCP service life of the base material of the coated gas turbine component is reduced. In order to compensate for this reduction of the HCF service life caused by the coating, it is already known from the prior art to subject the gas turbine component to be coated to a surface hardening by means of shot peening in particular before the coating. Due to the subsequent coating of the gas turbine component, which usually takes place at elevated coating temperatures, however, part of the solidification achieved by the shot peening is degraded again. Surface hardening of the component to be coated prior to coating thereof with the wear protection coating is therefore only partially effective.
  • JP-11343565-A it is already known to apply a coating of an intermetallic material to a component made of a titanium-based alloy. According to this prior art, the coating of the intermetallic material undergoes diffusion heat treatment and, if appropriate, surface hardening by shot peening. However, the problem arises that the brittle, intermetallic diffusion coating is damaged during surface hardening.
  • the present invention is based on the problem to provide a novel method for producing a coated with a Verschl divide ⁇ protective coating component.
  • the method comprises at least the following steps: a) provision of a component to be coated on a component surface; b) at least partially coating the component on its component surface with a wear protection coating having at least two layers or at least two layers, wherein the wear protection coating comprises at least one relatively soft layer and at least one relatively hard layer; c) surface hardening of the at least partially coated component on its coated component surface.
  • the present invention it is proposed to apply a minimum of two-layer or at least two-layer wear protection coating to the surface of the component to be coated, and subsequently to subject the component thus coated to surface hardening by preferably shot peening.
  • the at least two-layer wear protection coating has at least one relatively soft layer and at least one relatively hard layer. Due to the combination according to the invention of coating the component with a multilayer wear protection coating with subsequent surface treatment, the energy applied to the wear protection coating during surface hardening can be reduced without the risk of damage to the wear protection coating.
  • FIG. 2 shows a schematic cross section through a wear protection coating
  • FIG. 4 shows a diagram for clarifying the pressure-voltage profile which is set in the coated component when the method according to the invention is carried out.
  • 1 shows by way of example as a component to be coated with the method according to the invention a gas turbine blade 10 which has an airfoil 11 and a blade root 12.
  • the gas turbine blade 10 provided is now to be coated in the area of the surface 13 of the airfoil 11 with a wear protection coating, preferably with a corrosion protection coating or erosion protection coating.
  • the procedure is such that an at least two-layer or at least two-layer wear protection coating is applied to the surface 13.
  • FIG. 2 shows that a two-layer or two-layer wear protection coating 14 made of a relatively soft, metallic layer 15 and a relatively hard, ceramic layer 16 is applied to the surface 13 of the airfoil 11.
  • the relatively hard, metallic layer 15 is applied directly to the surface 13 and has a material composition which is adapted to the material composition of the blade 11.
  • FIG. 3 shows a Verschleisstik ⁇ coating 17, which is composed of a plurality of relatively soft, metallic layers 15 and a plurality of relatively hard, ceramic layers 16.
  • the specific number of relatively hard, ceramic layers and the specific number of relatively soft, metallic layers is for the present invention of minor importance and is responsible for the selection of the person skilled in the art.
  • the component coated with the wear protection coating 14, 17 is subsequently subjected to surface hardening by, in particular, shot peening.
  • the energy applied to the wear-resistant coating 14 or 17 during cooling can be elastically broken down in the relatively soft, metallic layers 15 as a result of the multilayer structure of the wear protection coating described above. There is then no risk of damage to the relatively hard, ceramic layers 16.
  • FIG. 4 shows a diagram in which, on the horizontally extending axis 18, starting from the surface of the coated component, the bottom thereof and on the vertically extending axis 19 are applied with the compressive stress induced in the component by means of the method according to the invention.
  • the line 20 the surface of the uncoated Bau ⁇ part is shown; the region to the left of the line 20 accordingly relates to the wear protection coating, the region to the right of the line 20 meets the component as such.
  • the compressive stress profile indicated by the reference numeral 21 can be realized over the depth of the coated component.
  • the fatigue strength of the base material of the coated component remains fully intact.
  • a suitable choice of the parameters for the shot peening or surface hardening furthermore, a smoothing effect on the surface of the coated component can be achieved.
  • the method according to the invention is preferably used for coating gas turbine blades, which are formed from a titanium base alloy or nickel-base alloy.
  • blades of a turbine or of a compressor of an aircraft engine can be coated with the method according to the invention.
  • the relatively soft, metallic layers can also be designed as porous layers. Furthermore, it is possible to arrange a graded material layer between a relatively soft, metallic layer and a relatively hard, ceramic layer.
  • the layers are preferably applied to the surface of the component to be coated by a PVD (Physical Vapor Deposition) process.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines mit einer Verschleißschutzbeschichtung, insbesondere einer Korrosionsschutzbeschichtung oder Erosionsschutzbeschichtung, beschichteten Bauteils, insbesondere Gasturbinenbauteils, mit folgenden Schritten: a) Bereitstellen eines an einer Bauteiloberfläche (13) zu beschichtenden Bauteils (10) ; b) zumindest teilweises Beschichten des Bauteils (11) an seiner Bauteiloberfläche mit einer mindestens zweischichtigen bzw. mindestens zweilagigen Verschleißschutzbeschichtung (14) , wobei die Verschleißschutzbeschichtung (14) mindestens eine relativ weiche Schicht (15) und mindestens eine relativ harte Schicht (16) umfasst; c) Oberf lächenverfestigen des zumindest teilweise beschichteten Bauteils an seiner beschichteten Bauteiloberfläche.

Description

Verfahren zur Herstellung eines mit einer Verschleißschutzbeschichtung beschichteten Bauteils
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines mit einer Ver¬ schleißschutzbeschichtung, insbesondere einer Korrosionsschutzbeschich- tung oder Ξrosionsschutzbeschichtung, beschichteten Bauteils, insbesonde¬ re Gasturbinenbauteils.
Gasturbinenbauteile sind während ihres Betriebs einem hohen Verschleiß, insbesondere durch Oxidation, Korrosion oder auch Erosion, ausgesetzt. Es ist daher aus dem Stand der Technik bekannt, Gasturbinenbauteile mit ent¬ sprechenden Verschleißschutzbeschichtungen zu versehen. Durch das Auf¬ bringen einer Verschleißschutzbeschichtung wird jedoch die sogenannte HCP-Lebensdauer des Grundwerkstoffs des beschichteten Gasturbinenbauteils reduziert. Um diese durch die Beschichtung bedingte Reduktion der HCF- Lebensdauer auszugleichen, ist es aus dem Stand der Technik bereits be¬ kannt, das zu beschichtende Gasturbinenbauteil vor der Beschichtung einer Oberflächenverfestigung durch insbesondere Kugelstrahlen zu unterziehen. Durch die nachfolgende Beschichtung des Gasturbinenbauteils, die übli¬ cherweise bei erhöhten Beschichtungstemperaturen abläuft, wird jedoch ein Teil der durch das Kugelstrahlen erzielten Verfestigung wieder abgebaut. Das Oberflächenverfestigen des zu beschichtenden Bauteils vor dem Be¬ schichten desselben mit der Verschleißschutzbeschichtung ist demnach nur bedingt wirksam.
Aus der JP-11343565-A ist es bereits bekannt, auf ein Bauteil aus einer Titanbasislegierung eine Beschichtung aus einem intermetallischen Werk¬ stoff aufzubringen. Die Beschichtung aus dem intermetallischen Werkstoff wird gemäß diesem Stand der Technik einer Diffusions-wärmebehandlung und gegebenenfalls einem Oberflächenverfestigen durch Kugelstrahlen unterzo¬ gen. Dabei tritt jedoch das Problem auf, dass die spröde, intermetalli¬ sche Diffusionsbeschichtung beim Oberflächenverfestigen beschädigt wird.
Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung das Problem zu Grunde, ein neuartiges Verfahren zur Herstellung eines mit einer Verschlei߬ schutzbeschichtung beschichteten Bauteils zu schaffen.
Dieses Problem wird durch ein Verfahren zur Herstellung eines mit einer Verschleißschutzbeschichtung beschichteten Bauteils gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Erfindungsgemäß umfasst das Verfahren zumindest die folgenden Schritte: a) Bereitstellen eines an einer Bauteiloberfläche zu beschich¬ tenden Bauteils; b) zumindest teilweises Beschichten des Bauteils an sei¬ ner Bauteiloberfläche mit einer mindestens zweischichtigen bzw. mindes¬ tens zweilagigen Verschleißschutzbeschichtung, wobei die Verschleiß- schutzbeschichtung mindestens eine relativ weiche Schicht und mindestens eine relativ harte Schicht umfasst; c) Oberflächenverfestigen des zumin¬ dest teilweise beschichteten Bauteils an seiner beschichteten Bauteil¬ oberfläche.
Im Sinne der hier vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, eine mindes¬ tens zweischichtige bzw. mindestens zweilagige Verschleißschutzbeschich¬ tung auf die Oberfläche des zu beschichtenden Bauteils aufzutragen, und das so beschichtete Bauteil nachfolgend einem Oberflächenverfestigen durch vorzugsweise Kugelstrahlen zu unterziehen. Die mindestens zwei¬ schichtige Verschleißschutzbeschichtung verfügt über mindestens eine re¬ lativ weiche Schicht und mindestens eine relativ harte Schicht. Durch die erfindungsgemäße Kombination des Beschichtens des Bauteils mit einer MuI- tilayer-Verschleißschutzbeschichtung mit nachfolgendem Oberflächenverfes¬ tigen, kann die beim Oberflächenverfestigen auf die Verschleißschutzbe¬ schichtung aufgebrachte Energie abgebaut werden, ohne dass die Gefahr von Beschädigungen der Verschleißschutzbeschichtung besteht.
Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteran¬ sprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. Ausführungsbeispiele der Er¬ findung werden, ohne hierauf beschränkt zu sein, an Hand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:
Fig. 1 eine zu beschichtende Gasturbinenschaufel in schematisierter Seitenansicht;
Fig. 2 einen schematisierten Querschnitt durch eine Verschleißschutz¬ beschichtung;
Fig. 3 einen schematisierten Querschnitt durch eine alternative Ver¬ schleißschutzbeschichtung; und
Fig. 4 ein Diagramm zur Verdeutlichung des sich bei Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens im beschichteten Bauteil einstel¬ lenden Druckspannungsverlaufs.
Nachfolgend wird die hier vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf die Fig. 1 bis 4 im größeren Detail beschrieben. Fig. 1 zeigt exemplarisch als mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zu be¬ schichtendes Bauteil eine Gasturbinenschaufel 10, die ein Schaufelblatt 11 sowie einen Schaufelfuß 12 aufweist. Mit dem erfindungsgemäßen Verfah¬ ren soll die bereitgestellte Gasturbinenschaufel 10 nun im Bereich der Oberfläche 13 des Schaufelblatts 11 mit einer Verschleißschutzbeschich- tung, vorzugsweise mit einer Korrosionsschutzbeschichtung oder Erosions- schutzbeschichtung, beschichtet werden.
Hierzu wird im Sinne des erfindungsgemäßen Verfahrens so vorgegangen, dass auf die Oberfläche 13 eine mindestens zweischichtige bzw. mindestens zweilagige Verschleißschutzbeschichtung aufgebracht wird. So zeigt zum Beispiel Fig. 2, dass auf die Oberfläche 13 des Schaufelblatts 11 eine zweilagige bzw. zweischichtige Verschleißschutzbeschichtung 14 aus einer relativ weichen, metallischen Schicht 15 und einer relativ harten, kera¬ mischen Schicht 16 aufgebracht ist. Die relativ harte, metallische Schicht 15 ist unmittelbar auf die Oberfläche 13 aufgebracht und verfügt über eine WerkstoffZusammensetzung, die an die Werkstoffzusammensetzung des Schaufelblatts 11 angepasst ist. Fig. 3 zeigt eine Verschleißschutz¬ beschichtung 17, die aus mehreren relativ weichen, metallischen Schichten 15 sowie mehreren relativ harten, keramischen Schichten 16 aufgebaut ist. Die konkrete Anzahl der relativ harten, keramischen Schichten sowie die konkrete Anzahl der relativ weichen, metallischen Schichten ist für die hier vorliegende Erfindung von untergeordneter Bedeutung und obliegt der Auswahl des hier angesprochenen Fachmanns.
Im Sinne der hier vorliegenden Erfindung wird das mit der Verschlei߬ schutzbeschichtung 14, 17 beschichtete Bauteil nachfolgend einem Oberflä- chenverfestigen durch insbesondere Kugelstrahlen unterzogen. Die beim Ku¬ gelstrahlen auf die Verschleißschutzbeschichtung 14 bzw. 17 aufgebrachte Energie kann infolge des oben beschriebenen Multilayer-Aufbaus der Ver¬ schleißschutzbeschichtung in den relativ weichen, metallischen Schichten 15 elastisch abgebaut werden. Es besteht dann keine Gefahr von Beschädi¬ gungen der relativ harten, keramischen Schichten 16.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich, nach dem Beschichten eines Bauteils mit einer als Multilayer-Schichtsystem ausgebildeten Ver¬ schleißschutzbeschichtung durch nachfolgendes Oberflächenverfestigen ei¬ nen optimalen Spannungsverlauf über die Verschleißschutzbeschichtung so¬ wie das Bauteil einzustellen, ohne dass die Gefahr von Beschädigungen der Verschleißschutzbeschichtung besteht. So zeigt Fig. 4 ein Diagramm, in welchem auf der horizontal verlaufenden Achse 18 ausgehend von der Oberfläche des beschichteten Bauteils die Tie¬ fe desselben und auf der vertikal verlaufenden Achse 19 die mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens im Bauteil induzierte Druckspannung aufge¬ tragen ist. Mit der Linie 20 ist die Oberfläche des unbeschichteten Bau¬ teils dargestellt; der Bereich links von der Linie 20 betrifft demnach die Verschleißschutzbeschichtung, der Bereich rechts von der Linie 20 be¬ trifft das Bauteil als solches. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lässt sich der mit der Bezugsziffer 21 gekennzeichnete Druckspannungsverlauf über der Tiefe des beschichteten Bauteils realisieren.
Bei Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines mit einer Verschleißschutzbeschichtung beschichteten Bauteils bleibt die Schwingfestigkeit des Grundwerkstoffs des beschichteten Bauteils voll er¬ halten. Bei entsprechender Wahl der Parameter für das Kugelstrahlen bzw. Oberflächenverfestigen kann weiterhin ein Glättungseffekt an der Oberflä¬ che des beschichteten Bauteils erzielt werden.
Wie bereits erwähnt, wird das erfindungsgemäße Verfahren vorzugsweise zur Beschichtung von Gasturbinenschaufeln eingesetzt, die aus einer Titanba¬ sislegierung oder Nickelbasislegierung gebildet sind. So können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Beispiel Schaufeln einer Turbine oder ei¬ nes Verdichters eines Flugtriebwerks beschichtet werden.
Abschließend sei darauf hingewiesen, dass die relativ weichen, metalli¬ schen Schichten auch als poröse Schichten ausgeführt sein können. Weiter¬ hin ist es möglich, zwischen einer relativ weichen, metallischen Schicht und einer relativ harten, keramischen Schicht eine gradierte Werkstoff¬ schicht anzuordnen. Die Schichten werden vorzugsweise durch einen PVD (Physical Vapor Deposition) -Prozess auf die Oberfläche des zu beschich¬ tenden Bauteils aufgetragen.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung eines mit einer Verschleißschutzbeschich- tung, insbesondere einer Korrosionsschutzbeschichtung oder Erosions- schutzbeschichtung, beschichteten Bauteils, insbesondere Gasturbi¬ nenbauteils, mit folgenden Schritten: a) Bereitstellen eines an einer Bauteiloberfläche (13) zu be¬ schichtenden Bauteils (10) ; b) zumindest teilweises Beschichten des Bauteils (11) an seiner Bauteiloberfläche mit einer mindestens zweischichtigen bzw. mindes¬ tens zweilagigen Verschleißschutzbeschichtung (14; 17) , wobei die Verschleißschutzbeschichtung (14; 17) mindestens eine relativ weiche Schicht (15) und mindestens eine relativ harte Schicht (16) umfasst; c) Oberflächenverfestigen des zumindest teilweise beschichteten Bauteils an seiner beschichteten Bauteiloberfläche.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschleißschutzbeschichtung (14; 17) mindestens eine rela¬ tiv weiche, metallische Schicht (15) und mindestens eine relativ harte, keramische Schicht (16) umfasst.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschleißschutzbeschichtung (17) mehrere relativ weiche, metallische Schichten (15) und mehrere relativ harte, keramische Schichten (16) umfasst.
4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Bauteil (10) ein Gasturbinenbauteil bereitgestellt und zu¬ mindest teilweise beschichtet wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Gasturbinenschaufel bereitgestellt wird, die an ihrer Schaufelblattoberfläche beschichtet wird.
6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Oberflächenverfestigen des Bauteils an seiner beschichteten Bauteiloberfläche mittels Strahlen durchgeführt wird.
7. Verfahren nach Ansprüche 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Oberflächenverfestigen mittels Kugelstrahlen durchgeführt wird.
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