Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren für ein Beschichten eines Bauteils. Die Erfindung betrifft außerdem ein verfahrensgemäß beschichtetes Bauteil.

Es ist aus der Druckschrift DE 10 2015 207 602 A1 bekannt, ein Bauteil durch Kaltgasspritzen zu beschichten. Es ist aus der Druckschrift DE 10 2015 207 602 A1 auch bekannt, zur Verbesserung der Haftung zwischen einem aus Stahl bestehenden Substrat und dem aufzubringenden Beschichtungswerkstoff die zu beschichtende Oberfläche des Substrats durch Sandstrahlen aufzurauen.

Aus der Druckschrift DE 10 2012 217 685 A1 ist bekannt, schräg gestellte Strukturelemente auf einer Oberfläche zu schaffen, um auch schwer zugängliche Regionen eines Bauteils durch Kaltgasspritzen befriedigend beschichten zu können.

Beim Kaltgasspritzen wird eine Oberfläche eines Bauteils durch Abscheidung eines pulverförmigen Beschichtungswerkstoffs beschichtet. Ein aufgeheiztes Gas wie zum Beispiel Stickstoff oder Helium wird auf sehr hohe Geschwindigkeiten beispielsweise durch Expansion in einer Lavadüse in Richtung der zu beschichtenden Oberfläche beschleunigt. Die Geschwindigkeiten liegen oberhalb der Schallgeschwindigkeit und betragen zum Beispiel 500-1000 m / s. Der pulverförmige Beschichtungswerkstoff wird in den beschleunigten Gasstrahl injiziert. Dadurch prallt der pulverförmige Beschichtungswerkstoff mit einer derart hohen Geschwindigkeit auf die zu beschichtende Oberfläche auf, dass sich die Teilchen des Pulvers beim Aufprall plastisch verformen und als Folge an der zu beschichtenden Oberfläche haften. Im Gegensatz zu thermischen Beschichtungsverfahren wie zB Plasmaspritzen, Lichtbogenspritzen, Flammspritzen, werden die Teilchen des Pulvers nicht geschmolzen.

Durch den Aufprall eines Pulverteilchens auf der zu beschichtenden Oberfläche wird eine Scherbelastung erzeugt, die das Material eines Pulverteilchens plastisch verformt. Die dadurch verursachte Scherbelastung führt zu einer adiabatischen Scherinstabilität, wodurch Oberfächenbereiche eines Pulverteilchens auf Temperaturen nahe dem Schmelzpunkt des Beschichtungswerkstoffs gebracht und damit erweicht werden, wodurch Pulverteilchen und Bauteil aneinander gebunden werden. Eine gute Haftung zwischen einem Substrat und dem Beschichtungswerkstoff setzt daher beim Kaltgasspritzen voraus, dass hinreichende Scherinstabilitäten durch den Aufprall erzeugt werden.

Der am 16 Februar 2018 veröffentlichten Druckschrift„Materials Science & Engineering A 720 (2018) 75-84, W. Sun et al , Deposition characteristics of cold sprayed Inconel 718 particles on Inconel 718 Substrates with dinerent surface conditions” ist zu entnehmen, dass eine Rauigkeit einer zu beschichtenden Oberfläche eine adiabatische Scherinstabilität beim Aufprall maßgeblich beeinflusst. Um hinreichende adiabatische Scherinstabilitäten beim Aufprall und damit eine gute Haftung zu erzielen, seien hinreichend glatte Oberflächen erforderlich.

Ein Bauteil kann mit Metallen, Polymeren, Keramiken, Verbundmaterialien und nanokristailinem Pulver durch Kaltgasspritzen beschichtet werden.

Es ist Aufgabe der Erfindung, das Beschichten eines Bauteils weiter zu entwickeln.

Die Aufgabe der Erfindung wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1 gelöst. Ein Nebenanspruch betrifft ein verfahrensgemäß beschichtetes Bauteil. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

Die Aufgabe der Erfindung wird durch ein Verfahren für ein Beschichten eines Bauteils, gelöst, bei dem eine zu beschichtende Oberfläche des Bauteils durch einen Laser aufgeraut und die aufgeraute Oberfläche durch ein thermisches Spritzverfahren mit hoher Energie wie zum Beispiel Kaltgasspritzen beschichtet wird. Grundsätzlich wird kraterförmig aufgeraut.

Die Erfinder haben festgestellt, dass eine Kombination der beiden Maßnahmen„Aufrauen mittels Laser“ und „Beschichten durch Kaltgasspritzen“ zu einer besonders stabilen Haftung zwischen Bauteil und Schicht führen. Es hat sich herausgestellt, dass durch ein Aufrauen mittels Laser der Werkstoff des Bauteils an seiner Oberfläche nicht nachteilhaft physikalisch oder chemisch so modifiziert wird, dass dadurch eine Haftung zwischen Bauteil und Schicht verringert wird. Ein Aufrauen mithilfe eines Lasers ist daher vorteilhaft gegenüber einem Aufrauen durch Sandstrahlen. Es hat sich weiter herausgestellt, dass durch das Kaltgasspritzen die physikalische und chemische Beschaffenheit der Oberfläche ebenfalls nicht nachteilhaft verändert wird, so dass durch die Kombination der beiden Maßnahmen eine sehr gute Haftung zwischen dem Bauteil und der Beschichtung erzielt werden kann.

In einer Ausgestaltung der Erfindung wird die zu beschichtende Oberfläche des Bauteils geschliffen und/ oderpoliert, also geglättet, bevor diese mitels Laser aufgeraut wird. Bei dieser Ausgestaltung können vorteilhaft geschliffene und/oder polierte Oberflächenbereiche auch nach einer Bearbeitung durch einen Laser erhalten bleiben, um adiabatische Scherinstabilitäten günstig zu beeinflussen und dadurch weiter verbesserte Haftungseigenschaften zu erzielen.

Das Schleifen kann mit einer Schleifmaschine und das Polieren kann mit einer Poliermaschine durchgeführt werden. Für das Polieren kann eine Polierpaste oder eine Suspension mit jeweils darin enthaltenen Polierkörnern eingesetzt werden. ln einer Ausgestaltung der Erfindung wird die zu beschichtende Oberfläche des Bauteils an vorgegebenen Stellen mittels Laser so belichtet, dass kraterförmige Vertiefungen an den belichteten Stellen entstehen und andere Bereiche der zu beschichtenden Oberfläche auch nach der Herstellung von kraterförmigen Vertiefungen im vorhergehenden Zustand, also insbesondere in einem geschliffenen und/oder polierten und damit geglätteten Zustand verbleiben. Hierdurch kann gezielt das Verhältnis zwischen kraterförmigen Vertiefungen und nicht mittels Laser aufgerauten Bereichen optimiert werden, um besonders gute Hafteigenschaften zu erzielen.

In einer Ausgestaltung der Erfindung wird die zu beschichtende Oberfläche des Bauteils an den vorgegebenen Stellen mehrfach mittels Laser pulsförmig so belichtet, dass kraterförmige Vertiefungen an den belichteten Stellen entstehen, insbesondere um Kratertiefen von wenigsten 1 Cpm oder 20 pm zu erzielen, vorzugsweise um Kratertiefen von wenigstens 30 pm zu erzielen, um die Haftungseigenschaften weiter zu verbessern. Es hat sich herausgestellt, dass zu große Tiefen Haftungseigenschaften wieder verschlechtern. Daher wird die Tiefe einer kraterförmigen Vertiefung vorzugsweise auf 60 pm, besonders bevorzugt auf 50 pm begrenzt.

Damit eine kraterförmige Vertiefung besonders gut zu einer stabilen Haftung beitragen kann, entspricht der Durchmesser der kraterförmigen Vertiefung am oberen Rand in etwa der Tiefe der kraterförmigen Vertiefung. Weist also eine kraterförmige Vertiefung am oberen Rand beispielsweise einen Durchmesser von ca. 40 pm auf, dann ist eine Tiefe von ca. 40 miti zu bevorzugen. Die Tiefe sollte vorzugsweise nicht mehr als 20 % von dem Durchmesser abweichen. Beträgt der Durchmesser also 40 pm, so sollte die Tiefe also wenigstens 32 pm betragen und nicht mehr als 48 pm, um Haftungseigenschaften weiter zu verbessern. Die kraterförmigen Vertiefungen weisen in einer Ausgestaltung am oberen Rand einen Durchmesser von 30 pm bis 50 pm auf und eine Tiefe von 30 pm bis 50 pm.

Vorzugsweise werden zwischen den einzelnen Lichtpulsen zeitliche Abstände so vorgesehen, dass durch Laserlicht geschmolzener Werkstoff erst wieder erstarren kann, bevor die vorgegebene Stelle erneut belichtet wird. Kraterförmige Vertiefungen lassen sich dadurch weiter verbessert optimieren. Die Haftung zwischen dem Bauteil und der Beschichtung lässt sich so weiter verbessern.

Vorzugsweise wird eine jede vorgegebene Stelle wenigstens 3 mal, vorzugsweise wenigstens 5 mal, und/oder nicht mehr als 25 mal, vorzugsweise nicht mehr als 15 mal, durch das Licht des Lasers belichtet, um kraterförmige Vertiefungen in optimierter Weise herzustellen, um so zu besonders guten Haftungseigenschaften zu gelangen.

In einer Ausgestaltung der Erfindung weisen die kraterförmigen Vertiefungen kreisrunde Durchmesser auf. Durch diese Ausgestaltung wird erreicht, dass zwischen kraterförmigen Vertiefungen Bereiche der zu beschichtenden Oberfläche verbleiben, die nicht durch den Laser belichtet und daher nicht aufgeraut worden sind.

In einer Ausgestaltung der Erfindung ragt der obere Rand der kraterförmigen Vertiefungen wulstartig gegenüber Bereichen der zu beschichtenden Oberfläche hervor, die nicht durch das Licht des Lasers belichtet wurden. Der obere Rand ragt insbesondere um wenigstens 5 pm, bevorzugt um wenigstens 10 pm und/oder um nicht mehr ais 20 pm gegenüber Bereichen der zu beschichtenden Oberfläche hervor, die nicht durch das Licht des Lasers belichtet wurden.

In einer Ausgestaltung der Erfindung befindet sich das Bauteil während seiner Bearbeitung in einer Gasatmosphäre aus Edelgas, vorzugsweise Argon, oder aus Stickstoff. Das Bauteil befindet sich dann in einer Ausgestaltung in einem Raum, durch den beispielsweise ein Edelgas oder Stickstoff hindurch geleitet wird, oder aber der gasdicht ist und in den Edelgas oder Stickstoff zuvor eingeleitet wurde. Alternativ oder ergänzend wird ein Schutzgasmantel erzeugt, der den Laserstrahl während der Belichtung umgibt. Ein Schutzgasmantel kann mithilfe von Düsen erzeugt werden, die um das Licht des Lasers herum so angeordnet sind, dass der auf das Bauteil auftreffende Lichtstrahl des Lasers von dem Gas umhüllt wird, das aus den Düsen austritt. Die Haftung zwischen dem Bauteil und der Beschichtung lässt sich so weiter verbessern.

In einer Ausgestaltung der Erfindung stimmt der Beschichtungswerkstoff mit dem Werkstoff der zu beschichtenden Oberfläche überein. Ist der Werkstoff eines Bauteils durch äußere Einflüsse beschädigt worden, so können solche Schäden durch eine erfindungsgemäße Beschichtung mit dem gleichen Werkstoff besonders stabil und zuverlässig behoben werden.

In einer Ausgestaltung der Erfindung grenzen Wulste von kraterförmigen Vertiefungen aneinander an und/oder überschneiden bzw. überlappen sich. Der Durchmesser einer jeden kraterförmigen Vertiefung entspricht dann in etwa dem Abstand zwischen zwei Mitelpunkten von zwei benachbarten kraterförmigen Vertiefungen.

In einer Ausgestaltung der Erfindung sind die vorgegebenen Stellen und damit die kraterförmigen Vertiefungen gemäß einem sich wiederholenden Muster und damit planmäßig angeordnet. Es kann sich dabei beispielsweise um ein Schachbrettmuster handeln. Im Fall eines Schachbrettmusters sind die vorgegebenen Stellen und damit die kraterförmigen Vertiefungen hintereinander und nebeneinander jeweils entlang einer geraden Linie angeordnet. Bei dieser Ausgestaltung sind die Krater also nicht zufällig verteilt angeordnet.

In einer Ausgestaltung der Erfindung wird das Gas während des Kaltgasspritzens auf Temperaturen von 500 °C bis 1200 °C aufgeheizt, um so Haftungseigenschaften zu verbessern. Vorzugsweise wird das zu beschichtende Bauteil nicht darüber hinaus aufgeheizt. Es werden so vorteilhaft thermisch bedingte physikalische und/oder chemische Veränderungen der zu beschichtenden Oberfläche vermieden. Als Gas kann Stickstoff eingesetzt sein.

In einer Ausgestaltung der Erfindung trifft der Laserstrahl unter einem rechten Winkel auf der Oberfläche des Bauteils auf, um so kraterförmige Vertiefungen zu erzeugen. Es ist aber auch möglich, einen von 90° abweichenden Winkel vorzusehen, um die Oberfläche des Bauteils durch Laserlicht geeignet aufzurauen.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Beispielen und Figuren näher erläutert.

Es zeigen:

Figur 1 : Schnittdarstellungen einer erfindungsgemäß entstandenen Oberfläche;

Figur 2: Aufsicht auf zu beschichtende Oberfläche eines Bauteils;

Figur 3: Querschliff eines erfindungsgemäß beschichteten Bauteils.

Es wurden eine Vielzahl von Versuchen durchgeführt, bei denen aus der Legierung 1N738 bestehende Substrate als Bauteile eingesetzt und diese mit einer pulverförmigen Legierung IN738 durch Kaltgasspritzen beschichtet wurden.

Aus der Legierung 1N738 bestehende Substrate, also Bauteile, wurden zunächst geschliffen und danach mit einer 1 pm Diamantsuspension, also mit Diamantkörnern mit einem mittleren Durchmesser von 1 mhti, auf einem weichen Tuch poliert. Nach der Säuberung mit Ethanol im Ultraschallbad wurde ein erster Teil der Substrate in eine Laserbearbeitungsanlage gebracht, die unter der Bezeichnung „Laser Marking Trumpf 5020“ kommerziell erhältlich ist. Diese umfasst einen Nd-YAg Laser mit einer Wellenlänge des Laserlichts von 1064 nm. Der Fokus des Lasers wurde auf 100 pm unterhalb der zu beschichtenden Substratoberfläche eingestellt. Als Atmosphäre wurde Argon während der Belichtung durch den Laser eingesetzt, um nachteilhafte Oxidationen zu vermeiden. Im gepulsten Modus wurde bei voller Leistung, was einer Spitzenleistung von 15 kW entspricht, die zu beschichtende Oberfläche des Substrats bei einer Frequenz von 35 kHz und einer Pulslänge von 120 ns abgetragen. Es wurden so kraterförmige Vertiefungen mit einem Durchmesser von 40 pm an der zu beschichtenden Oberfläche erzeugt. Es wurden Krater hintereinander und nebeneinander, also schachbrettartig, im Abstand von 40 pm hergestellt. Jede einzelne Stelle, an der ein Krater erzeugt werden sollte, wurde insgesamt 12 mal durch das Licht des Lasers belichtet. Eine einzelne Stelle wurde allerdings nicht sofort im Anschluss nach einer Belichtung unmittelbar danach ein nächstes Mal belichtet. Stattdessen wurde zunächst eine jede Stelle ein erstes Mal und danach in gleicher Reihenfolge ein zweites Mal usw. belichtet, bis auf diese Weise sämtliche Stellen zwölfmal belichtet worden sind. Eine jede einzelne Stelle konnte daher nach einer Belichtung abkühlen und wieder erstarren, bevor diese erneut belichtet wurde. Unerwünschte Oxidationen der Oberfläche konnten so verbessert vermieden werden.

Für Vergleichsversuche wurde ein zweiter Teil der Substrate nicht weiter bearbeitet. Die zu beschichtende Oberfläche verblieb also in dem durch Schleifen und Polieren geglätteten Zustand.

Für Vergleichsversuche wurden außerdem die zu beschichtenden Oberflächen von aus der Legierung IN738 bestehenden Substraten durch Sandstrahlen aufgeraut. Auch diese zu beschichtenden Oberflächen wurden zuvor geschliffen und poliert.

Die Figur 1 zeigt zwei Schnittdarstellungen der erfindungsgemäß entstandenen, zu beschichtenden Oberfläche gemäß dem vorgenannten ersten Teil der Substrate, welche mit einem Lasermikroskop ermittelt wurden. Gezeigt wird einerseits eine Schnittdarstellung von belichteten Stellen in xz - Richtung und andererseits in yz - Richtung. Die beiden Schnittdarstellungen verdeutlichen, dass an einer belichteten Stelle eine kraterförmige Vertiefung mit einem Durchmesser von ungefähr 0,4 pm geschaffen wurde. Die Tiefe betrug knapp 0,4 pm.

Die Mittelpunkte der im Wesentlichen kreisrunden, kraterförmigen Vertiefungen wurden gemäß einem Schachbrettmuster regelmäßig auf der polierten Oberfläche des Bauteils mit einem Abstand von 40 pm angeordnet.

Die Figur 2 zeigt eine Aufnahme des Lasermikroskops auf die zu beschichtende Oberfläche eines Bauteils, also eines Substrats. Diese Aufnahme zeigt eine Aufsicht auf die gemäß einem Schachbretmuster erfolgte Verteilung der durch mehrmalige Belichtung entstandenen kraterförmigen Vertiefungen 1. Zwischen sich schräg gegenüberliegenden runden kraterförmigen Vertiefungen 1 gibt es unbelichtete, polierte Bereiche 2. Die Ränder der Krater weisen randseitig ein Erstarrungsmuster 3 aufgrund der Einzelbelichtung auf, die bis zu ca. 15 pm gegenüber den unbelichteten, polierten Bereichen nach oben, also in z-Richtung, vorstehen. Die wulstartigen Erstarrungsmuster 3 bilden obere Ränder der kraterförmigen Vertiefungen 1. Obere Ränder 3 der Krater überlappen sich oder grenzen zumindest aneinander an. Die Tiefe der kraterförmigen Vertiefungen 1 liegt bezogen auf die polierte Grundfläche bei ca. 20 pm. Insgesamt ist so eine Tiefe von etwa 35 pm entstanden. Mit Hilfe eines Laser - Profilometers wurden Rauheiten von Oberflächen der erfindungsgemäß bearbeiteten Substrate sowie Rauheiten von zu beschichtenden Oberflächen der anderen Substrate zu Vergleichszwecken ermittelt. Für erfindungsgemäß bearbeitete Substrate, also Bauteile, mit einer Oberfläche gemäß den Figuren 1 und 2 wurde eine mittlere Rauheit R _a (pm) =7,15 und eine maximale Rautiefe R™ _c (miti) = 48,85 ermittelt. Für Bauteile mit einer durch Sandstrahlen aufgerauten Oberfläche wurde eine mittlere Rauheit R _a (pm) = 2,31 und eine maximale Rautiefe R _max (pm) = 19,12 ermittelt. Für Bauteile mit einer polierten Oberfläche wurde eine mittlere Rauheit R _a (pm) = 0,02 und eine maximale Rautiefe R _max (pm) = 0,44 ermittelt.

Jeweils drei aus der IN738 Legierung bestehende Substrate wurden in der kommerziell erhältlichen Anlage„GGT-Oerlikon Metco Kinetics 8000“ mit einer wassergekühlten D-24 De-Laval Düse mit IN738 Pulver mit einem mittleren Durchmesser von 7,89 pm beschichtet, wobei die ersten drei Substrate erfindungsgemäß behandelte, zu beschichtete Oberflächen aufwiesen, die zweiten drei Substarte durch Sandstrahlen behandelte, zu beschichtende Oberflächen aufwiesen und die dritten drei Substrate polierte, zu beschichtende Oberflächen aufwiesen. Als Beschichtungsparameter wurde ein Druck von 40 bar Stickstoff, eine Gastemperatur von 950°C und ein Beschichtungsabstand von 60 mm gewählt. Die so hergestellten Schichtdicken betrugen ca. 400 pm.

Diese beschichteten Substarte wurden für Haftabzugsversuche zwischen zwei Zylinder geklebt, so dass das Substrat mit einem der Zylinder und die hergestellte Beschichtung mit dem anderen Zylinder verklebt waren. Im Fall der Substrate mit den polierten, zu beschichtenden Oberflächen sowie mit den sandgestrahlten, zu beschichtenden Oberflächen löste sich die Beschichtung von dem Substrat. Im Fall der erfindungsgemäß behandelten, zu beschichtenden Oberflächen löste sich immer ein Zylinder von dem beschichteten Substrat. Es wurde so festgestellt, dass im Fall der erfindungsgemäß behandelten, zu beschichtenden Oberflächen eine deutlich bessere Haftung zwischen der Beschichtung und dem Substrat erzielt wurde.

Die Figur 3 zeigt einen Querschliff eines erfindungsgemäß beschichteten Bauteils 4 mit einer Schicht 5 auf dem Substrat 6 nach Durchführung der Haftabzugsversuche im Bereich einer kraterförmigen Vertiefung 1. Die Figur 3 verdeutlicht, dass die kraterförmigen Vertiefungen 1 durch das Kaltgasspritzen vollständig gefüllt wurden und daran die durchgeführten Haftabzugsversuche nichts ändern konnten. Auch haben sich keine Risse gebildet. Die Erfindung ist nicht auf das Ausführungsbeispiel beschränkt. So ist es beispielsweise auch möglich, die Oberfläche eines Bauteils alternativ oder ergänzend auf andere Weise im Vergleich zu Schleifen und Polieren vorzubereiten, so zum Beispiel durch Sandstrahlen oder Kugelstrahlen, um im Anschluss daran mittels Laser aufzurauen. Auch auf diese Weise lassen sich gute Haftungseigenschaften erzielen und zwar gerade auch im Vergleich zu einer Oberflächenvorbereitung, die nur Sandstrahlen umfasst, um im Anschluss daran zu beschichten. Um zu guten Haftungseigenschaften zu gelangen, kann anstelle von Kaltgasspritzen ein anderes thermisches Beschichtungsverfahren vorgesehen sein, bei dem das Beschichtungsmaterial auf eine hohe Geschwindigkeit gebracht wird, um so zu beschichten. So kann HVAF (High Velocity Air-Fuel) anstelle von Kaltgasspritzen vorgesehen sein, um zu guten Ergebnissen zu gelangen. Die genannten sich auf Sandstrahlen, Kugelstrahlen oder HVAF beziehenden Alternativen sind aber weniger zu bevorzugen. Die Aufgabe der Erfindung kann also auch gelöst werden durch ein Verfahren für ein Beschichten eines Bauteils, bei dem eine zu beschichtende Oberfläche des Bauteils durch einen Laser aufgeraut und die aufgeraute Oberfläche durch ein thermisches Spritzverfahren mit hoher kinetischer Energie wie Kaltgasspritzen oder HVFA beschichtet wird.

Im Vergleich zu Literaturwerten konnte die maximal erreichbare Schichtdicke durch die Erfindung verdreifacht werden.