WO2009056100A2 - Verfahren zur herstellung einer schutzschicht - Google Patents

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    • B23H7/38—Influencing metal working by using specially adapted means not directly involved in the removal of metal, e.g. ultrasonic waves, magnetic fields or laser irradiation

Definitions

  • the present invention relates to a method for producing a protective layer on a metallic workpiece to be machined by means of an electrochemical machining method.
  • the invention furthermore relates to a component produced by means of the method according to the invention and to uses of the method according to the invention.
  • electrochemical sinking is a method for the exact and very precise machining of surfaces.
  • electrochemical sinking the surface of the workpiece is usually machined with an electrode, whereby by electrochemical reaction of the workpiece with the between the workpiece and The electrolyte located on the electrode is carried out a removal of material on the workpiece.
  • ECM electrochemical machining
  • PECM pulsesed electrochemical machining
  • the spacing can be reduced to sizes in the range of 1 to 100 microns and below.
  • adjacent areas are attacked by the electrochemical process and partially removed by the known electrochemical lowering.
  • the removal leads to an undesirable change in the geometry, so that usually drawing tolerances are exceeded.
  • Such inaccuracies are undesirable, especially in engine construction. In particular, they prevent that even further automation in the production of said components can be achieved. It is therefore an object of the present invention to provide a method for producing a protective layer on a metallic workpiece to be machined by means of an electrochemical machining method, which ensures reliable protection against undesired electrochemical removal on surfaces of the workpiece that are not to be machined.
  • a method according to the invention for producing a protective layer on a metallic workpiece to be machined by means of an electrochemical machining method is characterized in that a voltage is applied between at least one electrode and at least one partial area of the workpiece, which is dependent on the metallic composition of the at least one partial area of the workpiece Workpiece produced in this area via an electrolyte, an electrically non-conductive passivation layer on the workpiece surface.
  • the resulting protective layer in particular a resulting oxide layer of the metallic material of the workpiece protects the workpiece in the further electrochemical processing of the non-passivated neighboring areas.
  • the electrochemical machining process can be an electrochemical deposition process.
  • the generation of the passivation layer takes place immediately after the machining of at least one partial region of the workpiece.
  • the workpiece may be a blade of a gas turbine or a low-pressure or high-pressure compressor.
  • the passivation layer is produced on the already working blade by machining a corresponding blade. Through this targeted passivation, this blade is reliably protected when processing a neighboring bucket. An undesirable removal of adjacent blades, especially in electrochemical lowering process is reliably prevented.
  • passivation layers are known as process-inhibiting layers from the prior art, since they usually lead to disturbances in the electrochemical machining process, often with subsequent short-circuits.
  • the method according to the invention makes use of the passivation properties of such passivation layers and uses the latter as desired protective layers.
  • the workpiece consists of a nickel, cobalt, iron or titanium alloy. These metallic materials have different passivation potentials. In a certain voltage range, the passivation of the surface occurs in the presence of an electrolyte. If the voltage range is exceeded, electrochemical removal takes place.
  • the applied voltage is a DC voltage.
  • the voltage is pulsed with a duty cycle between 1 and 100. A pulsed voltage is particularly advantageous in electrochemical lowering, in which the corresponding ablation electrode is brought very close to the workpiece to be machined.
  • the distance between the electrode and the workpiece surface is usually 0.01 mm to 10 mm.
  • the electrolyte is a 1% to 25% saline solution.
  • the salt solution may be a nitrate or chloride solution and have a pH between 6 and 11.
  • the formation of the passivation layer can also be controlled or influenced by a change in the pH of the electrolyte.
  • the E lektrolyt an electrolyte temperature of 5 0 C and comprising 50 ° C.
  • the passivation layer is removed after the completion of the workpiece.
  • the passivation layer can be removed by means of an abrasive wet-blasting process or a vibratory finishing process. The removal of the passivation layer is readily possible since it usually only has a thickness between 1 .mu.m and 15 .mu.m.
  • a component according to the invention of a gas turbine or of a low-pressure or high-pressure compressor has at least one workpiece produced by the method according to the invention described above.
  • This advantageously ensures that the component can be produced relatively simply, quickly and in particular automatically, since undesired subsequent removal of already processed partial surfaces of the workpiece or of the component is reliably prevented.
  • the production of custom-fit blades on blisks or blings can be done automatically.
  • the protective layer formed as a passivation layer acts on the component or the workpiece as a corrosion protection layer, which counteracts a possible deeper-reaching corrosion of the workpiece surface.
  • the process according to the invention is used in the production and repair of engine components made of nickel or titanium-based alloys, in particular the manufacture and repair of blade profiles.
  • Another use of the method according to the invention is the production and repair of engine components, in particular the manufacture and repair of integral rotor designs.
  • This relates in particular to a rotor blade and a rotor disk consisting of a single piece (blisk) and rotor blades (bling) produced integrally with a supporting ring.
  • Figure 1 is a schematic representation of a processed according to the invention workpiece.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a workpiece 10 processed by means of an electrochemical lowering method.
  • the workpiece 10 is an engine blade, in particular a blisk or a bling.
  • the workpiece 10 is surrounded at least in the partial region of the blade by two removal electrodes 12, 14. Between the workpiece surface and the electrodes 12, 14, a gap is formed through which an electrolyte 16 flows.
  • the gap width is usually 0.01 mm to 10 mm.
  • the electrolyte 16 is a 1% to 25% saline solution, in particular a nitrate or chloride solution.
  • the pH of the electrolyte is adjusted between 6 and 11.
  • the workpiece 10 and the electrodes 12, 14 are electrically conductively connected to a voltage source 18.
  • the shape of the electrodes 12, 14 in the areas facing the areas to be removed of the workpiece 10 correspond to the shape of the workpiece 10.
  • an electrically non-conductive passivation layer 20 is produced on the workpiece surface .
  • the production of the passivation layer 20 takes place immediately after the machining of the workpiece 10, so that the passivation layer 20 protects the already machined turbine blade during the processing of a neighboring blade against further, unwanted removal.
  • the passivation layer 20 usually has a thickness of between 1 ⁇ m and 15 ⁇ m and consists of an oxide layer of the metallic material of the workpiece 10 or of the engine blade.
  • the passivation layer 20 can then be removed again by, for example, an abrasive wet blasting process or a vibratory finishing process. Furthermore, it is clear that the method described can be used not only for the production of engine components but also for their repair, since here not to be processed, adjacent surfaces are reliably protected against unwanted electrochemical removal.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Schutzschicht auf einem mittels eines elektrochemischen Bearbeitungsverfahrens zu bearbeitenden metallischen Werkstück, wobei eine Spannung zwischen mindestens einer Elektrode (12, 14) und zumindest einem Teilbereich des Werkstücks (10) angelegt wird, die in Abhängigkeit von der metallischen Zusammensetzung des zumindest einen Teilbereichs des Werkstücks (10) in diesem Bereich über einen Elektrolyten (16) eine elektrisch nicht leitende Passivierungsschicht (20) auf der Werkstückoberfläche erzeugt. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Bauteil einer Gasturbine oder eines Hoch- oder Niederdruckverdichters.

Description

Verfahren zur Herstellung einer Schutzschicht
Beschreibung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Schutzschicht auf einem mittels eines elektrochemischen Bearbeitungsverfahrens zu bearbeitenden metallischen Werkstück. Die Erfindung betrifft weiterhin ein mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestelltes Bauteil sowie Verwendungen des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Verfahren zur elektrochemischen Bearbeitung eines Werkstücks mit mindestens einer E- lektrode sind bekannt. So stellt zum Beispiel das so genannte elektrochemische Senken ein Verfahren zum exakten und sehr präzisen Bearbeiten von Oberflächen dar. Beim elektrochemischen Senken wird in der Regel mit einer Elektrode die Oberfläche des Werkstückes bearbeitet, wobei durch elektrochemische Reaktion des Werkstückes mit dem sich zwischen dem Werkstück und der Elektrode befindlichen Elektrolyt ein Abtragen von Material am Werkstück erfolgt. Bei diesen so genannten ECM- (electrochemical machining) oder PECM- Verfahren (pulsed electrochemical machining) ist die Breite des Arbeitsspaltes zwischen der Elektrode und dem Werkstück von wesentlicher Bedeutung. Bei üblichen Vorgängen des elektrochemischen Senkens wird mit Abständen von der Elektrode zum Werkstück gearbeitet die im Bereich von 0,1 bis 2 mm liegen können. Zum Erzeugen feinerer Strukturen und Formen kann der Abstand auf Größen im Bereich von 1 bis 100 μm und darunter abgesenkt werden. Beim Senken von Bauteilen einer Gasturbine oder eines Nieder- oder Hochdruckverdichters werden jedoch durch die bekannten elektrochemischen Senkverfahren bereits fertig gesenkte, benachbarte Bereiche durch den elektrochemischen Prozess angegriffen und zum Teil abgetragen. Der Abtrag führt zu einer unerwünschten Veränderung der Geometrie, so dass in der Regel Zeichnungstoleranzen überschritten werden. Derartige Ungenauigkeiten sind insbesondere im Triebwerksbau unerwünscht. Insbesondere verhindern sie, dass eine noch weitergehende Automatisierung bei der Fertigung der genannten Bauteile erzielt werden kann. Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Schutzschicht auf einem mittels eines elektrochemischen Bearbeitungsverfahrens zu bearbeitenden metallischen Werkstücks bereit zu stellen, welches einen sicheren Schutz gegen einen unerwünschten elektrochemischen Abtrag auf nicht zu bearbeitenden Flächen des Werkstücks gewährleistet.
Es ist weiterhin Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Bauteil einer Gasturbine oder eines Nieder- oder Hochdruckverdichters bereit zu stellen, welches relativ einfach und schnell, insbesondere automatisiert hergestellt werden kann.
Die der Erfindung zu Grunde liegenden Aufgaben werden durch ein Verfahren mit den im Anspruch 1 dargelegten Merkmalen, sowie durch ein Bauteil mit den Merkmalen des Anspruchs 17 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den jeweiligen Unteransprüchen beschrieben.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung einer Schutzschicht auf einem mittels eines elektrochemischen Bearbeitungsverfahrens zu bearbeitenden metallischen Werkstück zeichnet sich dadurch aus, dass eine Spannung zwischen mindestens einer Elektrode und zumindest einem Teilbereich des Werkstücks angelegt wird, die in Abhängigkeit von der metallischen Zusammensetzung des zumindest einen Teilbereichs des Werkstücks in diesem Bereich über einen Elektrolyten eine elektrisch nicht leitende Passivierungsschicht auf der Werkstückoberfläche erzeugt. Die dadurch entstehende Schutzschicht, insbesondere eine entstehende Oxidschicht des metallischen Werkstoffs des Werkstücks schützt das Werkstück bei der weiteren elektrochemischen Bearbeitung der nicht passivierten Nachbarbereiche. Das elektrochemische Bearbeitungsverfahren kann dabei ein elektrochemisches Senkverfahren sein. Zudem ist es möglich, dass die Erzeugung der Passivierungsschicht unmittelbar nach dem Bearbeiten von zumindest einem Teilbereich des Werkstücks erfolgt. So kann es sich bei dem Werkstück zum Beispiel um eine Schaufel einer Gasturbine oder eines Niederdruck- oder Hochdruckverdichters handeln. Nach dem elektrochemi- sehen Bearbeiten einer entsprechenden Schaufel wird erfmdungsgemäß die Passivierungs- schicht auf der bereits bearbeitenden Schaufel erzeugt. Durch diese gezielte Passivierung wird diese Schaufel bei der Bearbeitung einer Nachbarschaufel zuverlässig geschützt. Ein unerwünschter Abtrag benachbarter Schaufeln, insbesondere bei elektrochemischen Senkverfahren wird zuverlässig verhindert. Dies ist umso überraschender als Passivierungs- schichten als prozessbehindernde Schichten aus dem Stand der Technik bekannt sind, da sie in der Regel zu Störungen des elektrochemischen Bearbeitungsprozesses, häufig mit nachfolgenden Kurzschlüssen führen. Das erfindungsgemäße Verfahren macht sich jedoch die Passivierungseigenschaften derartiger Passivierungsschichten zunutze und verwendet letztere als gewünschte Schutzschichten.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht das Werkstück aus einer Nickel-, Kobalt-, Eisen- oder Titanlegierung. Diese metallischen Materialien weisen unterschiedliche Passivierungspotentiale auf. In einem bestimmten Spannungsbereich tritt bei Anwesenheit eines Elektrolyten die Passivierung der Oberfläche auf. Wird der Spannungsbereich überschritten erfolgt elektrochemischer Abtrag. In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahren ist die angelegte Spannung eine Gleichspannung. Des Weiteren ist es möglich, dass die Spannung gepulst ist mit einem Tastverhältnis zwischen 1 und 100. Eine gepulste Spannung ist insbesondere bei elektrochemischen Senkverfahren vorteilhaft, bei denen die entsprechende Abtragungselektrode sehr nahe an das zu bearbeitende Werkstück herangeführt wird. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren beträgt der Abstand zwischen der Elektrode und der Werkstückoberfläche üblicherweise 0,01 mm bis 10 mm.
In weiteren vorteilhaften Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens ist der Elektrolyt eine l%ige bis 25%ige Salzlösung. Die Salzlösung kann dabei eine Nitrat- oder Chloridlösung sein und einen pH zwischen 6 und 11 aufweisen. Auch durch eine Veränderung des pH- Wertes des Elektrolyten kann die Ausbildung der Passivierungsschicht gesteuert bzw. beeinflusst werden. Des Weiteren hat sich als vorteilhaft herausgestellt, dass der E- lektrolyt eine Elektrolyttemperatur zwischen 50C und 50°C aufweist. In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Passivierungsschicht nach der Fertigstellung des Werkstücks entfernt. Die Passivierungs- schicht kann dabei mittels eines abrasiven Nassstrahlverfahrens oder einem Gleitschleifverfahrens entfernt werden. Die Entfernung der Passivierungsschicht ist ohne Weiteres möglich, da diese üblicherweise nur eine Dicke zwischen 1 μm und 15 μm aufweist.
Ein erfmdungsgemäßes Bauteil einer Gasturbine oder eines Nieder- oder Hochdruckverdichters weist mindestens ein nach dem im vorhergehenden beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren hergestelltes Werkstück auf. Dadurch ist vorteilhafterweise gewährleistet, dass das Bauteil relativ einfach, schnell und insbesondere automatisiert hergestellt werden kann, da ein unerwünschter nachträglicher Abtrag von bereits bearbeiteten Teilflächen des Werkstücks bzw. des Bauteils zuverlässig verhindert wird. So kann zum Beispiel die Herstellung zeichnungsgerechter Schaufeln auf Blisks oder Blings automatisiert erfolgen. Durch die gezielte Passivierung der bereits elektrochemisch bearbeiteten Teilflächen des Werkstücks bzw. des Bauteils werden zum Beispiel nach einem elektrochemischen Senken einer Schaufel die entsprechenden Flächen geschützt. Zudem wirkt die als Passivierungsschicht ausgebildete Schutzschicht auf dem Bauteil bzw. dem Werkstück als Korrosionsschutzschicht, die einer möglichen tieferreichenden Korrosion der Werkstückoberfläche entgegenwirkt.
Verwendung findet das erfindungsgemäße Verfahren bei der Herstellung und Reparatur von Triebwerksbauteilen aus Nickel- oder Titanbasislegierungen, insbesondere die Herstellung und Reparatur von Schaufelprofilen.
Eine weitere Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Herstellung und Reparatur von Triebwerksbauteilen, insbesondere die Herstellung und Reparatur von integralen Rotorkonstruktionen. Dies betrifft insbesondere eine Rotorschaufel und eine Rotorscheibe bestehend aus einem Stück (Blisk) und integral mit einem tragenden Ring hergestellte Rotorschaufeln (Bling). Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines zeichnerisch dargestellten Ausfuhrungsbeispiels. Dabei zeigen
Figur 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäß bearbeiteten Werkstücks.
Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung eines mittels eines elektrochemischen Senk- verfahrens bearbeiteten Werkstücks 10. Man erkennt, dass es sich bei dem Werkstück 10 um eine Triebwerksschaufel insbesondere eines Blisks oder eines Blings handelt. Das Werkstück 10 ist zumindest im Teilbereich des Schaufelblattes von zwei Abtragelektroden 12, 14 umgeben. Zwischen der Werkstückoberfläche und den Elektroden 12, 14 ist jeweils ein Spalt ausgebildet durch den ein Elektrolyt 16 fließt. Die Spaltbreite beträgt üblicherweise 0,01 mm bis 10 mm. Der Elektrolyt 16 ist dabei eine l%ige bis 25%ige Salzlösung, insbesondere eine Nitrat- oder Chloridlösung. Der pH- Wert des Elektrolyten wird zwischen 6 und 11 eingestellt. Des Weiteren erkennt man, dass das Werkstück 10 und die Elektroden 12, 14 mit einer Spannungsquelle 18 elektrisch leitend verbunden sind. Des Weiteren erkennt man, dass die Form der Elektroden 12, 14 in den dem abzutragenden Bereichen des Werkstücks 10 zugewandten Flächen der Form des Werkstücks 10 entsprechen.
In einem dargestellten Ausführungsbeispiel wird nach dem elektrochemischen Bearbeiten der Schaufel 10 durch eine Verringerung der Spannung in Abhängigkeit von der metallischen Zusammensetzung des Werkstücks 10 in dem Bereich der Elektroden 12, 14 über den Elektrolyten 16 eine elektrisch nicht leitende Passivierungsschicht 20 auf der Werk- stückoberfläche erzeugt. Die Erzeugung der Passivierungsschicht 20 erfolgt dabei unmittelbar nach dem Bearbeiten des Werkstücks 10, so dass die Passivierungsschicht 20 die bereits bearbeitete Turbinenschaufel bei der Bearbeitung einer Nachbarschaufel vor weiterem, unerwünschtem Abtrag schützt. Die Passivierungsschicht 20 weist üblicherweise eine Dicke zwischen 1 μm und 15 μm auf und besteht aus einer Oxidschicht des metallischen Werkstoffs des Werkstücks 10 bzw. der Triebwerksschaufel. Die Passivierungsschicht 20 kann anschließend durch zum Beispiel ein abrasives Nassstrahlverfahren oder ein Gleitschleifverfahren wieder entfernt werden. Des Weiteren wird deutlich, dass das beschriebene Verfahren nicht nur für die Herstellung von Triebwerksbauteilen sondern auch zu deren Reparatur verwendet werden kann, da hier nicht zu bearbeitende, angrenzende Flächen zuverlässig vor unerwünschtem elektrochemischen Abtrag geschützt werden.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung einer Schutzschicht auf einem mittels eines elektrochemischen Bearbeitungsverfahrens zu bearbeitenden metallischen Werkstück, dadurch gekennzeichnet, dass eine Spannung zwischen mindestens einer Elektrode (12, 14) und zumindest einem Teilbereich des Werkstücks (10) angelegt wird, die in Abhängigkeit von der metallischen Zusammensetzung des zumindest einen Teilbereichs des Werkstücks (10) in diesem Bereich über einen Elektrolyten (16) eine elektrisch nicht leitende Passivierungsschicht (20) auf der Werkstückoberfläche erzeugt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrochemische Bearbeitungsverfahren ein elektrochemisches Senkverfahren ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Erzeugung der Passivierungsschicht (20) unmittelbar nach dem Bearbeiten von dem zumindest einen Teilbereich des Werkstücks (10) erfolgt.
4. Verfahren nach Anspruch einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Passivierungsschicht (20) eine Oxidschicht des metallischen Werkstoffs des Werkstücks (10) ist.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Anspräche, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück (10) aus einer Nickel-, Kobalt-, Eisen- oder Titanlegierung besteht.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Passivierungsschicht (20) eine Dicke zwischen 1 μm und 15 μm aufweist.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrode (12, 14) eine Abtragungselektrode ist.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen der Elektrode (12, 14) und der Werkstückoberfläche 0,01 mm bis 10 mm beträgt.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die angelegte Spannung eine Gleichspannung ist.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine gepulste Spannung mit einem Tastverhältnis zwischen 1 und 100 verwendet wird.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrolyt (16) eine l%ige bis 25%ige Salzlösung ist.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrolyt (16) einen pH- Wert zwischen 6 und 11 aufweist.
13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Salzlösung eine Nitrat- oder Chloridlösung ist.
14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrolyt (16) eine Elektrolyttemperatur zwischen 5°C und 50°C aufweist.
15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Passivierungsschicht (20) nach der Fertigstellung des Werkstücks (10) entfernt wird.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Passivierungsschicht (20) mittels einem abrasiven Nassstrahlen oder einem Gleitschleifen vom Werkstück (10) entfernt wird.
17. Bauteil einer Gasturbine oder eines Nieder- oder Hochdruckverdichters, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil mindestens ein nach einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12 hergestelltes Werkstück (10) aufweist.
18. Bauteil nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück (10) eine Schaufel ist.
19. Bauteil nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil eine Blisk („Bladed Disk") oder ein Bling („Bladed Ring") ist.
20. Verwendung eines Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 16 zur Herstellung und Reparatur von Triebwerksbauteilen aus Nickel- oder Titanbasislegierungen, insbesondere zur Herstellung und Reparatur von Schaufelprofilen.
21. Verwendung eines Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 16 zur Herstellung und Reparatur von Triebwerksbauteilen, insbesondere zur Herstellung und Reparatur von integralen Rotor-Konstruktionen, insbesondere einer Blisk („Bladed Disk") oder eines Blings („Bladed Ring").
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