Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufbrin gen einer Titanaluminidlegierung mit einem überwiegenden An teil an Gamma-Phase auf ein Substrat, eine Titanaluminidlegie rung hergestellt nach einem solchen Verfahren und ein Substrat umfassend eine solche Titanaluminidlegierung.

Bei der Reparatur von Bauteilen aus Titanaluminidlegierungen mit einem überwiegenden Anteil an Gamma-Phase wurde bisher ge nerell artgleicher bzw. artverwandter Materialauftrag, d.h. Schweißzusatzwerkstoff aus der Gruppe der Titanaluminidlegie rungen mit einem überwiegenden Anteil an Gamma-Phase, durch Schmelzschweißverfahren aufgebracht. Ein Beispiel hierfür ist das Laserpulverauftragschweißverfahren .

Ein erheblicher Nachteil der bisher verwendeten bekannten Schmelzschweißverfahren ist die Neigung zur Gefüge- und Pha senänderung und die Bildung von Poren und Spannungsrissen auf grund sehr hoher Prozesstemperaturen und Abkühlraten. Des Wei teren kann es bei diesen Verfahren zu einer unerwünschten Auf nahme von Verunreinigung wie Sauerstoff und Stickstoff in den Grundwerkstoff, aber auch in das Schweißgut kommen.

Die Publikation von Gizynski et al., Formation and subsequent phase evolution of metastable Ti-Al alloy coatings by kinetic spraying of gas atomized powders, Surface & Coating Techno logy, 2017, 315, 240-249, offenbart die Verwendung einer Ti- tanaluminidlegierung (Ti-48Al-8.5Nb-lTa (At.%)) zur Herstel lung einer Oxidationsschutzschicht auf einem Titansubstrat (IMI-834), die mit Hilfe von Warmgasspritzen (Warm Spray) auf gebracht wird. Weiterhin wird der Einfluss einer Wärmebehand lung auf das verwendete Legierungspulver untersucht. Hierfür wird gasverdüstes Legierungspulver mit gleichartigem, wärmebe handelten Legierungspulver verglichen und festgestellt, dass die Wärmebehandlung des Legierungspulvers keinen signifikanten Vorteil für das Warmgasspritzen erbringt.

Im Stand der Technik werden erste potentielle Kaltgasspritz- Applikationen beschrieben.

EP 2 584 056 Al offenbart die Anwendung des Kaltgasspritzens von Pulver aus Titanaluminid mit Gamma/Alpha2-Struktur zur Ausbildung einer Schicht aus einer Titanaluminidlegierung mit einem feinen Gefüge aus Gamma- und Alpha2-Phasenbestandteilen . Die Umwandlung des in dem Pulver vorliegenden relativ großen Phasenanteils von Alpha2-Phase in die Gamma-Phase erfolgt durch eine der Beschichtung nachgeschalteten Wärmebehandlung.

EP 2 333 134 Al beschreibt ein Kaltgasspritzverfahren bei der eine Mischung aus Aluminium- und Titan-Pulverpartikeln zusam men gespritzt werden. Durch eine nachgeschaltete Wärmebehand lung wird eine Titanaluminidlegierung mit Gamma-Phase gebil det. In der Publikation von Novoselova et al., Formation of TiAl intermetallics by heat treatment of cold-sprayed precur- sor deposits, Journal of Alloys and Compounds, 2007, 436, 69- 77, wird ebenfalls ein solches Verfahren beschrieben. Sabard et al . , Solution heat treatment of gas atomized alumi- nium alloy (7075) powders : microstructural changes and resul- tant mechanical properties, DVS-Berichte, 2017, 336, 766-771, beschreibt eine Wärmebehandlung von verdüsten Pulverpartikeln für eine Aluminiumlegierung zur Einstellung eines duktileren Gefüges .

Diese Veröffentlichungen zeigen, dass Kaltgasbeschichtungsver fahren sehr herausfordernd sind. Ein Nachteil der bekannten Kaltgasspritzverfahren ist, dass die mit diesen Verfahren auf das Substrat aufgebrachten Titanaluminidlegierungen mit einem überwiegenden Anteil an Gamma-Phase bisher nicht ausreichend an den Substraten haften. Die mit den Verfahren erzielten Be schichtungseffizienzen (Deposition Effeciency (DE) ) sind daher äußert gering. Zudem fehlt es den hergestellten Titanalumi- nidlegierungsschichten an entsprechenden physikalischen Eigen schaften, wie einer ausreichenden Duktilität, hoher mechani schen Festigkeit und einer geringen Defektdichte (Anbindungs fehler, Poren und Rissen) , so dass diese Verfahren nicht für die anspruchsvollen Beschichtungen von beispielsweise Flug zeug-, Ottomotor-, Dieselmotor- und stationären Gasturbinen bauteilen genutzt werden können. Industrielle Applikationen, in denen Schichten aus Titanaluminidlegierungen mit einem überwiegenden Anteil an Gamma-Phase mittels Kaltgasspritzver fahren auf Substrate mit zumindest einer Substratoberfläche aus Titanaluminidlegierungen aufgebracht werden, die ebenfalls hohe Anteile an Gamma-Phase aufweisen, sind im Stand der Tech nik nicht bekannt.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Aufbringen einer Titanaluminidlegierung mit einem überwiegenden Anteil an Gamma-Phase auf ein Substrat be- reitzustellen, das das Aufbringen und Herstellen gut anhaften der und dichter Kaltgasspritzschichten aus Titanaluminidlegie- rungen mit einem überwiegenden Anteil an Gamma-Phase auf einem Substrat ermöglicht. Insbesondere soll durch das erfindungsge mäße Verfahren die Applikation von solchen Titanaluminidlegie- rungen auf Substrate aus artverwandten bzw. artgleichen Ti- tanaluminidlegierungen oder mit artverwandten bzw. artgleichen Schichten aus Titanaluminidlegierung auf der Substratoberflä che ermöglicht werden. Hierdurch soll insbesondere auch die Reparatur von solchen artverwandten bzw. artgleichen Titanalu- minidlegierungen sowie den Substraten selbst ermöglicht wer den. Ferner sollen eine durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellte Titanaluminidlegierung sowie ein Substrat umfas send eine solche Titanaluminidlegierung bereitgestellt werden.

Die Erfindung löst diese Aufgabe durch ein Verfahren gemäß dem Hauptanspruch . Die Erfindung betrifft insbesondere ein Verfah ren zum Aufbringen einer Titanaluminidlegierung umfassend ei nen Anteil an Gamma-Phase von wenigstens 50%, bezogen auf die Gesamtzusammensetzung der Titanaluminidlegierung, auf ein Sub strat, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: a) Vorbehandeln der Substratoberfläche; b) Wärmebehandeln von Pulverpartikeln aus Titanaluminid in einem Temperaturbereich von 600 bis 1000°C, um den Anteil an Gamma-Phase zu erhöhen; c) Kaltgasspritzen der wärmebehandelten Pulverpartikel auf das Substrat oder auf einen Teil des Substrates, um eine Schicht aus Titanaluminid auszubilden; und d) Thermisches Nachbehandeln der auf dem Substrat auf gebrachten Schicht aus Titanaluminid .

Weitere vorteilhafte Ausführungsformen finden sich in den Un teransprüchen .

Zunächst seien einige im Rahmen der Erfindung verwendete Be griffe erläutert.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird der Begriff „Ti- tanaluminidlegierung" für die mit dem erfindungsgemäßen Ver fahren aufgebrachte fertige Schicht aus Titanaluminidlegierung verwendet .

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird zur besseren Unter scheidung die Formulierung „Schicht aus Titanaluminid" für die Schicht aus Titanaluminid verwendet, die nach dem Kaltgas spritzen auf dem Substrat vorhanden ist und noch nicht ther misch nachbehandelt wurde. Erfindungsgemäß kann es sich hier bei jedoch ebenfalls um eine Titanaluminidlegierung handeln.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird zur besseren Unter scheidung der Begriff „Pulverpartikel aus Titanaluminid" für die Pulverpartikel aus Titanaluminid vor, während und nach dem Wärmebehandeln verwendet. Erfindungsgemäß kann es sich bei diesen jedoch ebenfalls um Titanaluminidlegierungen handeln.

Titanaluminide bzw. Titanaluminidlegierungen sind aus dem Stand der Technik bekannte Verbindungen, die zumindest die Me talle Titan (Ti) und Aluminium (Al) umfassen. Die Titanalumi nide bzw. Titanaluminidlegierungen umfassen vorzugsweise zu sätzliche Legierungselemente wie Chrom (Cr) , Silicium (Si) , Vanadium (V) , Zirkon (Zr) , Niob (Nb) , Bor (B) , Kohlenstoff (C) , Wolfram (W) , Molybdän (Mo) , Yttrium (Y) , Cer (Ce) , Haf nium (Hf) , Eisen (Fe) , Nickel (Ni) oder Tantal (Ta) . Bereits geringe Mengen an zusätzlichen Legierungselementen können die mechanischen Eigenschaften und strukturellen Eigenschaften der fertigen Titanaluminidlegierungen maßgeblich verbessern.

In Titanaluminiden bzw. Titanaluminidlegierungen können unter schiedliche Phasenkonstitutionen auftreten. Zum einen existie ren die Hochtemperaturphasen Alpha und Beta. Zusätzlich gibt es noch die als intermetallische Titanaluminid-Verbindungen vorliegenden Gamma-, Alpha2- und BetaO-Phasen . Der Begriff Gamma-Phase (Gamma-Titanaluminid) meint dabei die im Stand der Technik bekannte tetragonale Gamma- (TiAl) -Phase mit LlO-Struk- tur. Der Begriff Alpha2-Phase meint im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung die hexagonale Alpha2- (Ti3Al) -Phase mit DO 19-Struktur . Der Begriff BetaO-Phase meint die geordnete ku bisch primitive BetaO- (TiAl) -Phase mit B2-Struktur .Weiterhin existieren die geordnete OmegaO-Phase mit B82-Struktur sowie die orthorhombische O-Phase (Ti2AlNb) mit A2BC-Struktur . In Abhängigkeit der gewählten zusätzlichen Legierungselemente und Legierungsgehalte können sich noch weitere, kristallographisch oftmals verwandte Phasen ausbilden. Die Umstände der Bildung dieser Phasen sind Gegenstand aktueller Forschung.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird unter der Formulie rung „Titanaluminidlegierung mit einem überwiegenden Anteil an Gamma-Phase" eine Titanaluminidlegierung mit einem Anteil an Gamma-Phase von wenigstens 50%, bezogen auf die Gesamtzusam mensetzung der Titanaluminidlegierung, verstanden. Die im Zu sammenhang mit der Erfindung verwendeten Prozentangaben (%) für die Anteile der einzelnen Phasen sind als Volumenprozente (Vol.%) zu verstehen. Ferner wird angemerkt, dass die erfindungsgemäßen Verfahrens schritte a) Vorbehandeln der Substratoberfläche und b) Wärme behandeln von Pulverpartikeln aus Titanaluminid im Rahmen der vorliegenden Erfindung auch in einer umgekehrten zeitlichen Abfolge oder zeitgleich ausgeführt werden können.

Die Erfindung hat den Vorteil, dass durch das erfindungsgemäße Verfahren, das Aufbringen duktiler, gut anhaftender und dich ter Kaltgasspritzschichten aus Titanaluminidlegierungen mit einem überwiegenden Anteil an Gamma-Phase auf einem Substrat ermöglicht wird. Insbesondere können durch das erfindungsge mäße Verfahren Titanaluminidlegierungen mit einem überwiegen den Anteil an Gamma-Phase auf Substrate aus artverwandten bzw. artgleichen Titanaluminidlegierungen oder mit artverwandten bzw. artgleichen Titanaluminidlegierungsschichten auf der Sub stratoberfläche aufgebracht werden. Hierdurch kann das erfin dungsgemäße Verfahren für die Reparatur von Bauteilen mit sol chen Titanaluminidlegierungen, aber auch für den Aufbau von Bauteilen verwendet werden.

Die Erfindung hat erkannt, dass durch die Wärmebehandlung der Pulverpartikel aus Titanaluminid in einem Temperaturbereich von 600 bis 1000°C eine Phasenumwandlung der Alpha- und Beta- Phase, aber insbesondere auch der geordneten Alpha2-Phase in die Gamma-Phase, noch vor dem eigentlichen Beschichtungs schritt, stattfindet. Hierdurch wird der Anteil an duktiler Gamma-Phase in dem verwendeten Pulver wesentlich erhöht. Ein höherer Anteil an duktilerer Gamma-Phase weist wiederum den Vorteil auf, dass die Beschichtungseffizienz (Deposition Effe- ciency (DE) ) beim Kaltgasspritzen erheblich verbessert wird. Zudem führt das thermische Nachbehandeln zu einer verbesserten Haftfestigkeit und Ermüdungsfestigkeit der hergestellten Ti tanaluminidlegierungen. Ein solches thermisches Nachbehandeln wird bei den im Stand der Technik bekannten Kaltgasspritzver fahren üblicherweise nicht durchgeführt. Durch die Kombination der erfindungsgemäßen Verfahrensschritte ist das erfindungsge mäße Verfahren viel effizienter im Vergleich zu den bekannten KaltgasspritzbeSchichtungsverfahren .

Es ist bevorzugt, dass die Titanaluminidlegierung einen Anteil an Gamma-Phase von wenigsten 55%, bevorzugt wenigsten 60%, noch bevorzugter 80%, bezogen auf die Gesamtzusammensetzung der Titanaluminidlegierung, aufweist.

Es ist bevorzugt, dass die Titanaluminidlegierung einen Anteil an Beta-Phase von weniger als 10%, bevorzugter von weniger als 5%, noch bevorzugter von weniger als 2%, bezogen auf die Ge samtzusammensetzung der Titanaluminidlegierung, aufweist.

Es ist bevorzugt, dass die Titanaluminidlegierung Gamma-Phase und Alpha2-Phase umfasst. Insbesondere ist es bevorzugt, dass die Titanaluminidlegierung in einer Phasenkonstitution vor liegt, die im Wesentlichen aus Gamma-Phase und Alpha2-Phase besteht .

Weiter ist es bevorzugt, dass die Titanaluminidlegierung

Gamma-Phase und Alpha2-Phase umfasst und ein Verhältnis von Gamma-Phase zu Alpha2-Phase in der Titanaluminidlegierung in einem Bereich von 50:50 bis 99:1, bevorzugter von 55:45 bis 90:10, noch bevorzugter 60:40 bis 80:20 vorliegt. In einer be sonderen Ausführungsform ist das Verhältnis von Gamma-Phase zu Alpha2-Phase in der Titanaluminidlegierung 80:20.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist die Ti tanaluminidlegierung eine Zusammensetzung aus Ti-48Al-2Nb-2Cr (At.%) auf. Ferner ist es bevorzugt, dass das Substrat eine Substratober fläche aus einer Metalllegierung aufweist. Alternativ ist es bevorzugt, dass das Substrat (im Wesentlichen) aus der Metall legierung besteht. Bevorzugt handelt es sich bei der Metallle gierung um eine Metalllegierung ausgewählt aus Titanalumi- nidlegierung, Nickellegierung, Titanlegierung und Kombinatio nen dieser Legierungen. Besonders bevorzugt ist eine Titanalu- minidlegierung oder eine Kombination mehrerer Titanaluminidle- gierungen. Noch bevorzugter ist eine Titanaluminidlegierung, die einen überwiegenden Anteil an Gamma-Phase umfasst.

Es ist ferner bevorzugt, dass das erfindungsgemäße Verfahren als ein Verfahren zur Reparatur von einer auf einem Substrat bereits vorhandenen Metalllegierung oder zur Reparatur des Substrates selbst eingesetzt wird. In einer besonders bevor zugten Ausführungsform handelt es sich bei der auf dem Sub strat bereits vorhandenen Titanaluminidlegierung, um eine Ti tanaluminidlegierung, die die gleiche chemische Zusammenset zung aufweist, wie die Titanaluminidlegierung, die durch das Verfahren auf die Substratoberfläche aufgebracht wird.

Es ist bevorzugt vorgesehen, dass das Vorbehandeln der Sub stratoberfläche ausgewählt wird aus Polieren, Rauhigkeits strahlen, Hochdruckwasserstrahlen, chemischem Ätzen und Kombi nationen hiervon. Durch das Vorbehandeln wird die Substrat oberfläche aktiviert und so für das Aufbringen der Pulverpar tikel mittels Kaltgasspritzen vorbereitet. Durch das Vorbehan deln wird eine deutlich bessere Anbindung der aufgebrachten Schicht aus Pulverpartikeln auf dem Substrat gewährleistet. Unter Rauhigkeitsstrahlen ist im Zusammenhang mit der Erfin dung ein Bestrahlen der Substratoberfläche mit Festkörperpar tikeln zu verstehen. Dieses führt dazu, dass die zu beschich tende Substratoberfläche aufgeraut und gereinigt wird. Es ist bevorzugt, dass SiC, A1203 und/oder artgleiches Pulver aus Ti- tanaluminid als Strahlmittel für das Rauhigkeitsstrahlen ein gesetzt wird. Hierbei ist unter dem Begriff „artgleiches Pul ver" ein Pulver mit einer chemischen Zusammensetzung zu ver stehen, die identisch zu der der erfindungsgemäßen Titanalumi- nidlegierung ist.

Beim chemischen Ätzen wird bevorzugt eine alkalische Lösung auf die Substratoberfläche aufgebracht. In einer alternativen bevorzugten Ausführungsform wird die Substratoberfläche mit einem Gas, das Fluorid-Ionen enthält, behandelt.

Bevorzugt ist ferner, dass das Vorbehandeln der Substratober fläche ein Polieren der Substratoberfläche umfasst.

Es ist bevorzugt, dass das Wärmebehandeln in einem Temperatur bereich von 620 bis 900°C, noch bevorzugter von 650 bis 850°C durchgeführt wird. In einer bevorzugten Ausführungsform be trägt die Temperatur 650 °C.

Durch das Wärmebehandeln der Pulverpartikel in einem Tempera turbereich von 600 bis 1000°C wird die Phasenkonstitution der Pulverpartikel aus Titanaluminid derart beeinflusst, dass ein möglichst hoher Anteil an duktilerer Gamma-Phase eingestellt wird. Dabei führen höhere Temperaturen bevorzugt zu einem hö heren Anteil an duktiler Gamma-Phase. Eine hohe Duktilität der Pulverpartikel ist insbesondere vorteilhaft für das Auftreffen der Pulverpartikel auf das Substrat und somit für den gesamten Beschichtungsprozess. Denn die erhöhte Duktilität der Pulver partikel führt zu einer erhöhten plastischen Verformung der Pulverpartikel beim Auftreffen auf die Substratoberfläche. Das erhöhte plastische Verformungsvermögen bewirkt sodann eine er höhte Haftung der Pulverpartikel auf der Substratoberfläche und eine verbesserte Beschichtungseffizienz. Diese Hafterhö hung macht sich bereits zu Beginn des Beschichtungsverfahrens, aber auch bei einem weiteren Schichtaufbau bemerkbar.

Es ist bevorzugt vorgesehen, dass das Wärmebehandeln der Pul verpartikel unter Schutzgasatmosphäre oder im Vakuum erfolgt. In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Schutzgas Argon oder ein Gemisch aus Argon und einem reduzierenden Gas. Ein besonders bevorzugtes Schutzgas ist ein Gemisch aus Argon mit 4% Wasserstoff.

Es ist weiter bevorzugt, dass das Wärmebehandeln für eine Dauer von 0,5 bis 5 Stunden durchgeführt wird.

In einer bevorzugten Variante der Erfindung ist vorgesehen, dass das Wärmebehandeln für 1 bis 3 Stunden unter Schutzgasat mosphäre oder in einem Vakuum von weniger als 10 mbar bei ei ner Temperatur von 650 bis 850°C durchgeführt wird.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorge sehen, dass das Wärmebehandeln in einem Vakuumofen durchge führt wird.

Dabei bietet das Wärmebehandeln im Vakuum oder unter Schutz gasatmosphäre aus Argon die folgenden Vorteile:

- Die zusätzliche Aufnahme von Sauerstoff, Stickstoff oder anderen Verunreinigungen wird reduziert - Das Abdampfen von Aluminium wird unter Schutzgasatmosphäre minimiert, so dass die Homogenität der Legierungszusammen setzung erhalten bleibt

- Es besteht ein zusätzlicher Schutz bei der Handhabung der Pulverpartikel (geringere Feuer- und Explosionsgefahr)

- Bei Verwendung eines geeigneten Wärmebehandlungsgefäßes ist das Wärmebehandeln in einem handelsüblichen Hochtemperatu rofen durchführbar (Prozesskosten reduzieren sich gegenüber einem Vakuumofen) .

Die Bedingungen der Wärmebehandlung werden bevorzugt so ausge wählt, dass keine störenden Anbindungen der Pulverpartikel un tereinander auftreten. Für den Fall, dass sich doch leichte Anbindungen ausbilden sollten, ist es bevorzugt, dass diese durch ein mechanisches Mahlen und anschließendes Sieben unter Schutzgasatmosphäre aufgebrochen werden.

Es ist ferner bevorzugt, dass das Wärmebehandeln in einem inerten Gefäß durchgeführt wird. Ein nicht-inertes Gefäß eig net sich technisch weniger gut, da dieses eine Kontamination der Pulverpartikel zur Folge haben kann und dieses in der Re gel nicht wiederverwendet werden kann, was die Prozesskosten zusätzlich erhöht. Zudem kann durch die Verwendung eines iner ten Gefäßes eine ungewünschte Wärmezufuhr vermieden werden. Diese Wärmezufuhr kann sonst zu einer zusätzlichen Wärmeein bringung in die Pulverpartikel führen, und so eine unge

wünschte Phasen- und/oder Gefügeumwandlung zur Folge haben. Es ist weiter bevorzugt, dass die Pulverpartikel sphärisch ausgebildet sind. Weiter ist es bevorzugt, dass die Pulverpar tikeloberflächen nur geringe oder keine Ausbildungen von Sa telliten aufweisen. Insbesondere ist es bevorzugt, dass die Pulverpartikel eine Größe in einem Bereich von 10 bis 70 ym aufweisen. Mit einer Reduzierung der Pulverpartikelgröße nimmt der Anteil an spröder Alpha2-Phase, insbesondere bei einer ei ner Legierung mit der Zusammensetzung aus Ti-48Al-2Nb-2Cr (At.%), weiter ab. Zudem tragen kleinere Pulverpartikel zu ei ner besseren Beschichtungseffizienz (Deposition Efficiency (DE)) bei. Allerdings ist auch zu beachten, dass zu kleine Pulverpartikel nicht ausreichend auf dem Substrat haften. Die oben genannten Formen und Größen der Pulverpartikel weisen den weiteren Vorteil auf, dass diese zu einer engen Geschwindig- keitsverteilung der Pulverpartikel im Gasstrahl während des Kaltgasspritzens führen.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der mittlere Pulverpartikeldurchmesser kleiner als 45 ym ist. Eine Gefügeanalyse unterschiedlicher Pulverpartikelfraktionen, für beispielsweise eine Legierung mit einer Zusammensetzung aus Ti-48Al-2Nb-2Cr (At.%), zeigt, dass bei solchen Pulverpartikeldurchmessern der Anteil an spröder Alpha2-Phase weiter abnimmt.

Ferner sei angemerkt, dass eine Veränderung der Fraktionsgrö ßen der Pulverpartikel die Spritzbarkeit der Pulverpartikel beim Kaltgasspritzen signifikant beeinflussen kann. Erfin dungsgemäß bevorzugte Pulverpartikelfraktionen sind beispiels weise eine Pulverpartikelfraktion bei der 10 Vol.% der Pulver partikel kleiner als 29 ym, 50 Vol.% der Pulverpartikel klei ner als 43 ym und 90 Vol.% der Pulverpartikel kleiner als 61 ym (d!0/d50/d90 : 29/43/61 ym) , eine Pulverpartikelfraktion bei der 10 Vol.% der Pulverpartikel kleiner als 8 ym, 50 Vol.% der Pulverpartikel kleiner als 13 ym und 90 Vol.% der Pulverparti kel kleiner als 19 ym (dl0/d50/d90 : 8/13/19 ym) und eine Pul verpartikelfraktion bei der 10 Vol.% der Pulverpartikel klei ner als 18 ym, 50 Vol.% der Pulverpartikel kleiner als 43 ym und 90 Vol.% der Pulverpartikel kleiner als 61 ym

(dl0/d50/d90 : 18/43/61 ym) sind. Besonders bevorzugt ist die Pulverpartikelfraktion bei der 10 Vol.% der Pulverpartikel kleiner als 18 ym, 50 Vol.% der Pulverpartikel kleiner als 43 ym und 90 Vol.% der Pulverpartikel kleiner als 61 ym

(dl0/d50/d90 : 18/43/61 ym) sind.

Des Weiteren werden beim erfindungsgemäßen Kaltgasspritzen die Pulverpartikel bevorzugt in einem Spritzabstand von 20-60 mm aufgetragen. Eine bevorzugte Förderrate der Pulverpartikel liegt bei 10 bis 50 g/min.

Zudem ist bevorzugt, dass ein Trägergas für das Kaltgassprit zen ausgewählt wird aus Stickstoff und einem Gemisch aus

Stickstoff und Helium. Ferner ist bevorzugt, dass das Träger gas auf eine Temperatur von 700 bis 1200°C, noch bevorzugter auf eine Temperatur von 950°C bis 1100°C vorgeheizt wird. Ein bevorzugter Gasdruck liegt in einem Bereich von 40 bis 50 bar.

Es ist bevorzugt, dass eine Temperatur der Pulverpartikel beim Auftreffen auf das Substrat in einem Temperaturbereich von 640 bis 825°C liegt. Eine bevorzugte Pulverpartikelgeschwindigkeit beim Kaltgasspritzen liegt in einem Bereich von 630 bis 1000 m/s. Allerdings sind die Pulverpartikeltemperatur und die Pul verpartikelgeschwindigkeit keine einstellbaren Prozessparame ter, sondern ergeben sich aus der Art des Gases, dem Gasdruck, der Gastemperatur sowie den jeweiligen physikalischen und geo metrischen Eigenschaften der Pulverpartikel und den geometri schen Eigenschaften der Düse.

Es ist bevorzugt, dass die Schicht aus Titanaluminid vor dem thermischen Nachbehandeln Gamma-Phase und Alpha2-Phase um fasst. Insbesondere ist es bevorzugt, dass die Schicht aus Ti tanaluminid vor dem thermischen Nachbehandeln in einer Phasen konstitution vorliegt, die im Wesentlichen aus Gamma-Phase und Alpha2-Phase besteht.

Es ist bevorzugt, dass die Schicht aus Titanaluminid vor dem thermischen Nachbehandeln einen Anteil an Gamma-Phase von we nigsten 55%, bevorzugt wenigsten 60%, noch bevorzugter 80%, bezogen auf eine Gesamtzusammensetzung der Schicht aus Ti tanaluminid, aufweist.

Es ist bevorzugt, dass die Schicht aus Titanaluminid vor dem thermischen Nachbehandeln einen Anteil an Beta-Phase von weni ger als 10%, bevorzugt von weniger als 5%, noch bevorzugter von weniger als 2%, bezogen auf die Gesamtzusammensetzung der Schicht aus Titanaluminid, aufweist.

Weiterhin ist es bevorzugt, dass ein Verhältnis von Gamma- Phase zu Alpha2-Phase in der Schicht aus Titanaluminid vor dem thermischen Nachbehandeln in einem Bereich von 50:50 bis 99:1, bevorzugter von 55:45 bis 90:10, noch bevorzugter 60:40 bis 80:20 vorliegt. In einer besonderen Ausführungsform ist das Verhältnis von Gamma-Phase zu Alpha2-Phase in der Schicht aus Titanaluminid vor dem thermischen Nachbehandeln 80:20. Erfindungsgemäß ist bevorzugt, dass das thermische Nachbehan deln ein heißisostatisches Pressen (HIP) ist. Das heißisosta tische Pressen findet bevorzugt bei einer Temperatur von 1050 bis 1300°C, noch bevorzugter bei einer Temperatur von etwa 1200°C statt. Weiter ist es bevorzugt, dass das heißisostati sches Pressen bei einem Druck in einem Bereich von 1000 bis 3000 bar, noch bevorzugter von 1700 bis 2300 bar, am meisten bevorzugt bei 2000 bar durchgeführt wird. In einer bevorzugten Ausführungsform wird das heißisostatische Pressen für 4 Stun den unter Argonschutzgasatmosphäre bei einer Temperatur von 1200°C und einem Druck von 2000 bar durchgeführt.

Aufgrund der relativ spröden Pulverpartikel in einer Schicht aus Titanaluminid oder einer Titanaluminidlegierung, die über wiegend aus Gamma-Phase besteht, kann es an der Grenzfläche zum Substrat oder während des weiteren Aufbaus der Beschich tung zu Bindungsfehlern in Form von Rissen oder einer erhöhten Porosität kommen. Diese Fehlstellen können durch das hei ßisostatische Pressen ausgeheilt (Risse) und verschlossen (Po rosität) werden. Ein weiterer Vorteil des heißisostatischen Pressens ist eine verbesserte Anhaftung der aufgebrachten

Schicht aus Pulverpartikeln auf dem Substrat.

In einer alternativen Ausführungsform ist vorgesehen, dass das thermische Nachbehandeln ein Diffusionsglühen ist, das bevorzugt in einem Temperaturbereich von 700 bis 1000°C durchgeführt wird. Ferner findet das Diffusionsglühen bevorzugt in einem Vakuum von lxlO ^-6 bis lxlO ^-3 mbar, noch bevorzugter 5xl0 ^-6 bis 5xl0 ^-4 mbar, am meisten bevorzugt 5xl0 ^-6 bis lxlO ^-4 mbar statt. Das Diffusi onsglühen ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn das Substrat einen bestimmten Gefügezustand aufweist, der für die höheren Temperaturen, die beim isostatischen Pressen verwendet werden, ungeeignet ist und in Folge unerwünschte Gefügeveränderungen, Eigenspannungen und geometrischer Verzug auftreten würden. Durch das Diffusionsglühen wird die Anbindung der aufgebrachten Schicht an die Substratoberfläche verbessert und eventuell ent standene Fehler in der Schicht ausgeheilt. Die bei einer solchen Wärmebehandlung verbleibende Restporosität wird in einem solchen Fall toleriert.

Gegenstand der Erfindung ist ferner eine Titanaluminidlegie- rung, die durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellt wird .

Gegenstand der Erfindung ist auch ein Substrat, umfassend eine nach dem erfindungsgemäßen Verfahren aufgebrachte Schicht aus Titanaluminidlegierung .

Es ist bevorzugt, dass das Substrat ein Flugzeug-, Ottomotor-, Dieselmotor- oder stationäres Gasturbinenbauteil ist.

Die Erfindung wird nun anhand einiger vorteilhafter Ausfüh rungsformen unter Bezugnahmen auf die beigefügte Zeichnung beispielhaft beschrieben. Es zeigt:

Figur 1: schematisch eine Vorrichtung zur Durchführung des er findungsgemäßen Verfahrens nach einer Ausführungsform.

In Figur 1 ist schematisch eine Vorrichtung (10) dargestellt, mit der das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt werden kann. Gezeigt ist ein Substrat (11), dessen Substratoberfläche in einem ersten Schritt vorbehandelt wurde. Des Weiteren ist ein Pulverförderer (12) gezeigt, über den die wärmebehandelten Pulverpartikel aus Titanaluminid in die Vorrichtung zum Kalt gasspritzen (13) befördert werden. Der Transport der Pulver partikel erfolgt vorzugsweise mit Hilfe eines Trägergases (14) bestehend aus Stickstoff oder Stickstoff und Helium, das mit einem Druck von bevorzugt 40 bis 50 bar in die Vorrichtung be fördert wird. In einer zusätzlichen Heizvorrichtung (15) kann das Trägergas auf eine Temperatur von bevorzugt 950 bis 1100°C erhitzt werden. Die Pulverpartikel aus Titanaluminid treffen mit einer Pulverpartikelgeschwindigkeit von vorzugsweise 630 bis 1000 m/s auf das vorbehandelte Substrat (10) . Im Anschluss an die Beschichtung mittels Kaltgasspritzen wird das Substrat dann in einem weiteren Schritt thermisch nachbehandelt.

Ausführungsbeispiele

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Aufbringen einer Titanalu- minidlegierung mit einem überwiegenden Anteil an Gamma-Phase auf ein Substrat, umfasst die in den folgenden Abschnitten nä her ausgeführten Schritte. Im Folgenden werden diese Schritte beispielhaft für die Titanaluminidlegierung Ti-48Al-2Nb-2Cr (At.%) erläutert.

1) Vorbehandeln der Substratoberfläche

Zur Vorbereitung der Beschichtung mittels Kaltgasspritzen wird die Substratoberfläche vorbehandelt. Es ist bevorzugt, dass das Vorbehandeln der Substratoberfläche aus den Verfahren aus gewählt wird aus Polieren, Rauhigkeitsstrahlen, Hochdruckwas serstrahlen oder chemischem Ätzen ausgewählt wird.

In einer bevorzugten Variante des Rauhigkeitsstrahlens werden die Bedingungen wie folgt gewählt:

Strahlgut: A1203

Strahlgutgröße: F20-F150 nach FEPA F42 Standard oder Mesh 20-120 nach ANSI, bevorzugt F150 Strahldruck: Druckstrahlanlagen: bis höchstens 4 bar, Saugstrahlanlagen: bis höchstens 6,5 bar

Strahlabstand: Innendurchmesser 10-20 mm, Außendurchmes ser 150-180 mm (abhängig von der Bauteilgeometrie)

Strahlwinkel: 45-90°

Strahlflussmenge: 0,5-4 g/min (abhängig vom Düsendurch messer und Strahlgut)

Vorschubgeschwindigkeit: mindestens 100 mm/s, bevorzugt 150-300 mm/s (abhängig von Bauteil/Parameter)

Anzahl der Übergänge: 1-2

Strahlspurabstand: 0,5-5 mm, bevorzugt 1,0 mm

In einer bevorzugten Ausführungsform werden die Bedingungen für das Hochdruckwasserstrahl wie folgt ausgewählt:

Strahldruck: 3500 bar

Strahlabstand: 20 mm

Strahlwinkel: 90°

Vorschubgeschwindigkeit: 1,5 mm/sec

Anzahl der Übergänge: 2-4

Düsenform: konzentrisch

Drehzahl der Düse: 1400 1/min

Strahlspurabstand: 0,5-5 mm, bevorzugt 1,0 mm

Für das chemische Ätzen können alkalische Lösungen eingesetzt werden, die die Substratoberfläche aktivieren und so die Ober fläche für den anschließenden Schritt des Kaltgasspritzens vorbereiten. Für die Aktivierung der Substratoberfläche können beispielsweise auch alkalische Rostlöser in einem Tauchbad eingesetzt werden.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform werden die Be dingungen für das chemische Ätzen wie folgt gewählt: Alkalischer Reiniger: Bonderite C-AK 4181 AERO Temperatur: 70-80°C

Reinigungszeit: 15-20 min

Trocknen: 10-30 min bei 80-100°C

2) Wärmebehandeln der Pulverpartikel

Durch das Wärmebehandeln wird die Phasenkonstitution der Pul verpartikel aus Titanaluminid derart beeinflusst, dass ein möglichst hoher Anteil an duktilerer Gamma-Phase eingestellt wird. Eine hohe Duktilität der Pulverpartikel ist insbesondere vorteilhaft für das Auftreffen der Pulverpartikel auf das Sub strat und somit für den gesamten Beschichtungsprozess. Denn die erhöhte Duktilität der Pulverpartikel führt zu einer er höhten plastischen Verformbarkeit der Pulverpartikel beim Auf treffen auf die Substratoberfläche. Die erhöhte plastische Verformung bewirkt sodann eine erhöhte Haftung der Pulverpar tikel an der Substratoberfläche und eine verbesserte Beschich tungseffizienz. Die Haftungserhöhung macht sich bereits zu Be ginn des Beschichtungsverfahrens, aber auch bei einem weiteren Schichtaufbau bemerkbar.

Auch die oben beschriebene erfindungsgemäße Beschaffenheit der Pulverpartikel führt zu einer gleichmäßigen Pulverförderung und erhöht die Duktilität des Gefüges der Pulverpartikel zu sätzlich.

Zur Einstellung einer optimalen Beschichtung wird die Phasen konstitution des Partikelpulvers aus Titanaluminid durch eine geeignete Wärmebehandlung so beeinflusst, dass ein möglichst hoher Anteil an Gamma-Phase eingestellt wird. Die Wärmebehand lung des Partikelpulvers aus Titanaluminid wird hierfür in ei nem Temperaturbereich von 600 bis 1000°C durchgeführt.

Zur Einstellung einer Phasenkonstitution der Pulverpartikel aus Titanaluminid von etwa 20% Alpha2-Phase und etwa 80% Gamma-Phase können die folgenden Bedingungen gewählt werden:

Temperatur: 650°C

Zeitdauer: 1 Stunde

Ofendruck: < 10 mbar, bevorzugt < 5 mbar (Vakuum) oder SchutzgasatmoSphäre

Höhere Temperaturen führen dabei zu einem höheren Anteil an der duktileren Gamma-Phase. Bevorzugt erfolgt die Wärmebehand lung unter Schutzgasatmosphäre oder unter nahezu Vakuumbedin gungen und in einem Temperatur-Zeit-Fenster, so dass keine störenden Anbindungen (durch Sintervorgänge) der Pulverparti kel miteinander auftreten.

3) Kaltgasspritzen

Vor der praktischen Durchführung des Kaltgasspritzens sind die grundlegenden Beschichtungsparameter für die Titanaluminidle- gierung Ti-48Al-2Nb-2Cr (At.%) berechnet worden.

Berechnete Pulverpartikelgrößen: dl0/d50/d90: 29/43/61 ym Pulverpartikeltemperatur beim Auftreffen auf dem Sub strat: 640-723°C

Trägergase: Stickstoff oder ein Gemisch aus Stickstoff und Helium

Trägergasdruck: etwa 40-50 bar

Gasvorheiztemperatur : 750-1100°C Beschichtungsabstand: 20-60 mm

Pulverpartikelgeschwindigkeit: 630-1000 m/s

Für diese Beschichtungsbedingungen wurden Eta-Werte berechnet. Der Eta-Wert ist als das Verhältnis der Ist-Pulverpartikelge- schwindigkeit beim Auftreffen auf das Substrat (Vi _St ) zur kri tischen Pulverpartikelgeschwindigkeit (V _krit ) definiert, und gibt ab dem Verhältnis Vi _St /V _krit > 1 an, dass eine Schicht auf gebaut wird. Die berechneten Eta-Werte von 1,11 und 1,18 las sen auf eine ausreichende Kaltgasbeschichtung durch die Pul verpartikel aus Titanaluminid auf dem Substrat aus Titanalumi- nidlegierung mit einem hohen Anteil an Gamma-Phase schließen.

Im Anschluss an die Berechnungen wurden Testreihen durchge führt, die die berechneten Ergebnisse bestätigen. Die Untersu chungsergebnisse zeigen, dass die folgende Beschichtungsbedin gungen für die Beschichtungseffizienz der Titanaluminidlegie- rung Ti-48Al-2Nb-2Cr (At.%) optimal sind:

Pulverpartikelfraktionen: dl0/d50/d90: 8/13/19 ym oder bevorzugt dl0/d50/d90: 18/43/61 ym

Pulverpartikeiförderrate : 10-50g/min

Gasvorheiztemperatur : 950-1100°C

Trägergas: 100% Stickstoff oder ein Gemisch aus 75%

Stickstoff und 25% Helium

Gasdruck: etwa 40-50 bar

Beschichtungsabstand: 20-60 mm

Vorschubgeschwindigkeit (Robot Velocity): 500 mm/s

Pulverpartikelgeschwindigkeit: 630-1000 m/s

Strahlspurabstand: 0,5-5 mm, bevorzugt 1,0 mm

4) Thermisches Nachbehandeln Im Anschluss an das Kaltgasspritzen erfolgt das thermische Nachbehandeln. Diese ist bevorzugt ein heißisostatisches Pres sen oder alternativ ein Diffusionsglühen. Beide Verfahren füh ren zu einer verbesserten Anhaftung der aufgebrachten Schicht aus Pulverpartikeln an das Substrat.

In einer bevorzugten Ausführungsform werden für das hei ßisostatische Pressen die folgenden Parameter ausgewählt:

Temperatur: 1200°C

Zeit: 4 Stunden

Druck: 2000 bar

Schutzgas: Argon

Das Diffusionsglühen erfolgt hingegen bevorzugt bei einer ge ringeren Temperatur in einem Bereich von 700 bis 1100°C.

Die Untersuchungen zeigen, dass die erzielten Beschichtungsef fizienzen mit dem erfindungsgemäßen Verfahren gut sind und dieses überraschenderweise auch auf artverwandten bzw. art gleichen Titanaluminidlegierungen . Dieses ist unter anderem auf die vor dem eigentlichen Kaltgasspritzen durchgeführte Wärmebehandlung der Pulverpartikel zurückzuführen. Zudem wird eine weitere Verbesserung bezüglich der Haftfestigkeit und der Ermüdungsfestigkeit der applizierten Titanaluminidlegierungen beobachtet .