WO2009103268A1 - Verfahren zur beschichtung von bauteilen - Google Patents

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Andreas Jakimov
Manuel Hertter
Stefan Schneiderbanger
Wolfgang Wachter
Ralf Stolle
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MTU Aero Engines GmbH
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    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C24/00—Coating starting from inorganic powder
    • C23C24/02—Coating starting from inorganic powder by application of pressure only
    • C23C24/04—Impact or kinetic deposition of particles
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    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
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    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/12—Blades
    • F01D5/28—Selecting particular materials; Particular measures relating thereto; Measures against erosion or corrosion
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    • Y02T50/00—Aeronautics or air transport
    • Y02T50/60—Efficient propulsion technologies, e.g. for aircraft

Definitions

  • the present invention relates to a method for coating a component with at least one opening and / or bore, in particular for coating components of a gas turbine or an aircraft engine.
  • protective layers are provided with protective layers. These are in particular corrosion, oxidation and wear protection layers of metallic and / or ceramic materials. Such protective layers are applied in particular by thermal spraying. For components with openings or holes, such. B. in blades of gas turbines with cooling air holes results in the thermal spraying of protective layers, however, the problem that the openings and / or holes are closed in the manufacture of new parts or after repair by the applied spray process. The subsequent exposure and reworking of the openings and / or holes is possible only with a very high and costly work.
  • An inventive method for coating a component having at least one opening and / or bore in particular for coating components of a gas turbine or an aircraft engine is inventively characterized in that the coating of the component at least in the region of the opening and / or the bore by means of a cold gas spraying process takes place and the component is aligned approximately perpendicular to the beam direction of the applied and the coating forming particles.
  • the use according to the invention of the cold gas spraying method also referred to as kinetic cold gas compacting, permits reliable and cost-effective coating of components with openings and / or bores since the accelerated particles adhere only at an approximately vertical spraying angle and thus openings and / or bores in the component only very little or can not close.
  • the possibility of using sprayed protective layers on components having openings and / or bores can be carried out inexpensively by the method according to the invention, so that there is also an extension of the service life and the operational safety of the corresponding component.
  • the component may be a blade of a rotor of a gas turbine or an aircraft engine with at least one cooling air bore.
  • the method according to the invention can be used advantageously, since the accelerated particles of the material forming the protective layer only very little or do not adhere to the generally oblique cooling-air bores. A closure of these cooling air bores by the mentioned particles is thus almost impossible to exclude.
  • a further advantage of the method according to the invention lies in the use of small beam cross sections, by means of which an extremely exact coating of the corresponding components is made possible.
  • an erosion and / or corrosion and / or oxidation and / or wear protection layer or a thermal barrier coating is formed by the coating.
  • the pulverulent particles to be applied at high speed and forming the protective layer may be composed of a metal, a metal alloy, a metal mixture, a metal-ceramic mixture and / or a mixture of a metal alloy with ceramic.
  • consist mik. So z. B. consist of the titanium nitride particles for the formation of an erosion control layer.
  • the temperature of the particles during cold gas spraying is between room temperature and 800 ° C.
  • the powdery particles are applied to the component or component surface in a solid or doughy state and adhere to it.
  • the surface material to be coated or the material of the component may consist of metal or a metal alloy, in particular one of an iron, cobalt, nickel or titanium-based alloy.
  • Typical speeds of the particles during cold gas spraying are about 500 to 1,500 m / s.
  • the erf ⁇ ndungswele method has the advantage that the cold gas injection method has a high spray efficiency with little splash loss, so that a coverage of non-coated areas of the component is almost not required.
  • An inventive use of the method described above results in the production or repair of engine components with at least one opening and / or bore, in particular for the manufacture, repair and coating of blades with cooling air holes of integral rotor construction (BLISK o- BLING).
  • a component according to the invention of a gas turbine or an aircraft engine is produced according to a method described above.
  • the component may be a blade with at least one cooling air bore of a rotor of a gas turbine, wherein the blade may be formed as part of an integral rotor construction (BLISK or BLING).

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beschichtung eines Bauteils mit mindestens einer Öffnung und/oder Bohrung, insbesondere zur Beschichtung von Bauteilen einer Gasturbine oder eines Flugtriebwerkes, wobei die Beschichtung des Bauteils zumindest im Bereich der Öffnung und/oder der Bohrung mittels eines Kaltgasspritzverfahrens erfolgt und das Bauteil ungefähr senkrecht zur Strahlrichtung der aufzubringenden und die Beschichtung ausbildenden Partikel ausgerichtet ist.

Description

Verfahren zur Beschichtung von Bauteilen
Beschreibung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beschichtung eines Bauteils mit mindestens einer Öffnung und/oder Bohrung, insbesondere zur Beschichtung von Bauteilen einer Gasturbine oder eines Flugtriebwerkes.
Zur Verlängerung der Lebensdauer und insbesondere zur Betriebssicherheit werden Bautei- Ie von Gasturbinen oder Flugtriebwerken mit Schutzschichten versehen. Dabei handelt es sich insbesondere um Korrosions-, Oxidations- und Verschleißschutzschichten aus metallischen und/oder keramischen Werkstoffen. Derartige Schutzschichten werden insbesondere durch thermische Spritzverfahren aufgetragen. Bei Bauteilen mit Öffnungen oder Bohrungen, wie z. B. bei Schaufeln von Gasturbinen mit Kühlluftbohrungen ergibt sich bei dem thermischen Spritzen von Schutzschichten jedoch das Problem, dass die Öffnungen und/oder Bohrungen bei der Neuteilfertigung oder nach einer Reparatur durch das angewandte Spritzverfahren verschlossen werden. Die anschließende Freilegung und Nachbearbeitung der Öffnungen und/oder Bohrungen ist nur mit einem sehr hohen und kostenintensiven Arbeitsaufwand möglich.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein gattungsgemäßes Verfahren zur Beschichtung eines Bauteils mit mindestens einer Öffnung und/oder Bohrung, insbesondere zur Beschichtung von Bauteilen einer Gasturbine oder eines Flugtriebwerkes bereitzustellen, welches eine sichere und kostengünstige Beschichtung des Bauteils ermöglicht.
Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den jeweiligen Unteransprüchen beschrieben. Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Beschichtung eines Bauteils mit mindestens einer Öffnung und/oder Bohrung, insbesondere zur Beschichtung von Bauteilen einer Gasturbine oder eines Flugtriebwerks zeichnet sich erfindungsgemäß dadurch aus, dass die Beschichtung des Bauteils zumindest im Bereich der Öffnung und/oder der Bohrung mittels eines Kaltgasspritzverfahrens erfolgt und das Bauteil ungefähr senkrecht zur Strahlrichtung der aufzubringenden und die Beschichtung ausbildenden Partikel ausgerichtet ist. Durch die erfindungsgemäße Anwendung des Kaltgasspritzverfahrens, auch als Kinetisches-Kaltgas- Kompaktieren bezeichnet, ist eine sichere und kostengünstige Beschichtung von Bauteilen mit Öffnungen und/oder Bohrungen möglich, da die beschleunigten Partikel nur bei einem ungefähr senkrechten Spritzwinkel haften und somit Öffnungen und/oder Bohrungen in dem Bauteil nur sehr wenig oder nicht verschließen können. Vorteilhafterweise ist durch das erfindungsgemäße Verfahren die Möglichkeit der Verwendung gespritzter Schutzschichten auf Bauteilen mit Öffnungen und/oder Bohrungen kostengünstig durchführbar, so dass es auch zu einer Verlängerung der Lebensdauer und der Betriebssicherheit des ent- sprechenden Bauteils kommt. Dabei kann das Bauteil eine Schaufel eines Rotors einer Gasturbine oder eines Flugtriebwerks mit mindestens einer Kühlluftbohrung sein. Insbesondere bei Schaufeln mit Kühlluftbohrungen ist das erfindungsgemäße Verfahren vorteilhaft einsetzbar, da die beschleunigten Partikel des die Schutzschicht ausbildenden Werkstoffs auf den in der Regel schrägen Kühlluftbohrungen nur sehr wenig oder nicht anhaften. Ein Ver- Schluss dieser Kühlluftbohrungen durch die genannten Partikel ist somit nahezu ausschließbar. Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt in der Verwendung von kleinen Strahlquerschnitten, durch die eine äußerst exakte Beschichtung der entsprechenden Bauteile ermöglicht wird.
In weiteren vorteilhaften Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird durch die Beschichtung eine Erosions- und/oder Korrosions- und/oder Oxidations- und/oder Verschleißschutzschicht oder eine Wärmedämmschicht ausgebildet. Hierfür können die mit hoher Geschwindigkeit aufzubringenden und die Schutzschicht bildenden pulverförmigen Partikel aus einem Metall, einer Metall-Legierung, aus einem Metallgemisch, aus einem Metall-Keramik-Gemisch und/oder aus einem Gemisch einer Metall-Legierung mit Kera- mik bestehen. So können z. B. für die Ausbildung einer Erosionsschutzschicht die Partikel aus Titannitrid bestehen.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens beträgt die Temperatur der Partikel beim Kaltgasspritzen zwischen Raumtemperatur und 800° C. Vorteilhafterweise ergibt sich im Gegensatz zu anderen Verfahren des thermischen Sprit- zens kein Aufschmelzen er Partikel. Durch den kaltkinetischen Kompaktierungsprozess werden die pulverförmigen Partikel in festem oder teigigem Zustand auf das Bauteil bzw. die Bauteiloberfläche aufgetragen und haften daran. Dabei kann der zu beschichtende O- berflächenwerkstoff oder Werkstoff des Bauteils aus Metall oder einer Metall-Legierung, insbesondere einer aus einer Eisen-, Kobalt-, Nickel- oder Titanbasislegierung bestehen. Übliche Geschwindigkeiten der Partikel beim Kaltgasspritzen betragen ca. 500 bis 1.500 m/s. Zudem weist das erfϊndungsgemäße Verfahren den Vorteil auf, dass das Kaltgas- spritzverfahren einen hohen Spritzwirkungsgrad mit wenig Spritzverlust aufweist, so dass eine Abdeckung von nicht zu beschichtenden Bereichen des Bauteils nahezu nicht erforderlich ist.
Eine erfindungsgemäße Verwendung eines der im vorhergehenden beschriebenen Verfahren ergibt sich bei der Herstellung oder Reparatur von Triebwerksbauteilen mit mindestens einer Öffnung und/oder Bohrung, insbesondere zur Herstellung, Reparatur und Beschich- tung von Schaufeln mit Kühlluftbohrungen von integralen Rotor-Konstruktion (BLISK o- der BLING).
Ein erfindungsgemäßes Bauteil einer Gasturbine oder eines Flugtriebwerks wird nach ei- nem im vorstehenden beschriebenen Verfahren hergestellt. Dabei kann das Bauteil eine Schaufel mit mindestens einer Kühlluftbohrung eines Rotors einer Gasturbine sein, wobei die Schaufel als Bestandteil einer integralen Rotor-Konstruktion (BLISK oder BLING) ausgebildet sein kann.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Beschichtung eines Bauteils mit mindestens einer Öffnung und/oder Bohrung, insbesondere zur Beschichtung von Bauteilen einer Gasturbine oder eines Flugtrieb- 5 werkes, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung des Bauteils zumindest im Bereich der Öffnung und/oder der Bohrung mittels eines Kaltgasspritzverfahrens erfolgt und das Bauteil ungefähr senkrecht zur Strahlrichtung der aufzubringenden und die Beschichtung ausbildenden Partikel ausgerichtet ist. 0
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil eine Schaufel eines Rotors einer Gasturbine oder eines Flugtriebwerks mit mindestens einer Kühlluftbohrung ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Beschich-5 tung eine Erosions- und/oder Korrosions- und/oder Oxidations- und/oder Verschleißschutzschicht oder eine Wärmedämmschicht ausgebildet wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zu beschichtende Oberflächenwerkstoff oder Werkstoff des Bauteils aus Metall oder einer0 Metall-Legierung, insbesondere einer aus einer Eisen-, Kobalt-, Nickel- oder Titanbasislegierung besteht.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die aufzubringenden Partikel pulverförmig sind und aus einem Metall, einer Metall-Legierung,5 aus einem Metallgemisch, aus Keramik, aus einem Metall-Keramik-Gemisch und/oder aus einem Gemisch einer Metall-Legierung mit Keramik bestehen.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur der Partikel beim Kaltgasspritzen zwischen Raumtemperatur und 800°C be- o trägt bei einer Geschwindigkeit zwischen 500 bis 1500 m/s und einem Druck von 30 bis 40 bar.
7. Verwendung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Herstel- hang oder Reparatur von Triebwerksbauteilen mit mindestens einer Öffnung und/oder Bohrung, insbesondere zur Herstellung, Reparatur und Beschichtung von Schaufeln mit Kühl- luftbohrungen von integralen Rotor-Konstruktionen (BLISK oder BLING).
8. Bauteil einer Gasturbine oder eines Flugtriebwerkes, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil nach einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6 hergestellt ist.
9. Bauteil nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil eine Schaufel mit mindestens einer Kühlluftbohrung eines Rotors einer Gasturbine ist.
10. Bauteil nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufel Bestandteil einer integralen Rotor-Konstruktion (BLISK oder BLING) ist.
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