Vorrichtung zur Verwendung in einem Verfahren zur Herstellung einer Schutzschicht und Verfahren zur Herstellung einer Schutzschicht

5 Beschreibung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Verwendung in einem Verfahren zur galvanischen Herstellung einer Hartstoffpartikel aufweisenden Schutzschicht auf einem Bauteil einer Strömungsmaschine, insbesondere einer Schaufelspitzenpanzerung einer0 Schaufelspitze einer Rotorschaufel. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur galvanischen Herstellung einer Hartstoff partikel aufweisenden Schutzschicht auf einem Bauteil einer Strömungsmaschine, insbesondere einer Schaufelspitzenpanzerung einer Schaufelspitze einer Rotorschaufel. 5 Zur Steigerung des Wirkungsgrads, der Leistung und der Lebensdauer von Strömungsmaschinen, insbesondere von Gasturbinen im Triebwerksbau werden die Bauteiloberflächen zunehmend mit unterschiedlichen Beschichtungen versehen. Dadurch ergibt sich im Triebwerksbau eine jeweils verbesserte Aerodynamik, höhere mögliche Verbrennungstemperaturen und höhere mögliche mechanische Beanspruchungen der einzelnen Bauteile. So o wird zum Beispiel der Wirkungsgrad der Strömungsmaschine insbesondere durch den Rotorspalt zwischen den Spitzen der Rotorschaufeln und der dem Rotor bzw. den Rotorschaufeln zugewandten Wand des Rotorgehäuses mitbestimmt. Um diesen Spalt möglichst gering zu halten, wird eine so genannte Luftdichtung verwendet, wobei sich die Luftdichtung aus so genannten Einlaufbelägen an den Gehäuseinnenseiten und entsprechend harten Be-5 lägen auf den Schaufelspitzen definiert. Durch die Aufbringung einer so genannten Schaufelspitzenpanzerung reduziert sich der Verschleiß an der Schaufelspitze beim so genannten Einlaufen in den Einlaufbelag signifikant. Bei Turbinenschaufeln ist das galvanische Aufbringen von Schleifpartikeln durch Galvanisieren bekannt. Entsprechende Verfahren werden in der US-A-5665217, der o US-A-5437724 und der US-A-5074970 beschrieben. Dabei werden zur Beschichtung der

Schaufelspitzen in einem einen Elektrolyt aufweisenden Tauchbad Hartstoffpartikel bereit-

gestellt, die während des Galvanisierens mit der metallischen Matrixschicht, insbesondere mit einer Nickelschicht auf die entsprechende Schaufelspitze aufgebracht werden. Dabei erfolgt ein Einbetten der Hartstoffpartikel in die galvanisch aufgetragene metallische Matrixschicht. Nachteilig an dem bekannten Verfahren und Vorrichtungen ist jedoch, dass die- se relativ aufwändig sind, da unter anderem konstruktiv aufwändige Vorrichtungen für den Galvanisierungsvorgang verwendet werden. Des Weiteren werden sehr hohe Mengen an Hartstoffpartikeln verwendet, um die gewünschten Konzentrationen auf den Schaufelspitzen zu erreichen. Hartstoffpartikel, wie zum Beispiel Hartstoffpartikel aus (kubischen) Bornitrid sind jedoch sehr teuer, so dass die Anwendung der bekannten Verfahren insge- samt sehr teuer ist. Um diese Kosten zu verringern wurde gemäß der DE 3525079 Al versucht, die Hartstoffpartikel bzw. Schleifteilchen auf einem elektrisch nicht leitenden porösen Band anzuordnen. Nachteilig ist jedoch, dass die Schleifteilchen mittels einer Klebstoffschicht an dem Band befestigt sind und nach dem Galvanisieren und Aufbringen der Schleifteilchen auf der entsprechenden Bauteiloberfläche diese Klebeverbindung wieder getrennt werden muss. Dies ergibt einen relativ komplizierten Prozessablauf.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine gattungsgemäße Vorrichtung zur Verwendung in einem Verfahren zur galvanischen Herstellung einer Hartstoffpartikel aufweisenden Schutzschicht auf einem Bauteil einer Strömungsmaschine, insbesondere einer Schaufelspitzenpanzerung einer Schaufelspitze einer Rotorschaufel bereitzustellen, die einen vereinfachten und kostengünstigeren Prozessablauf gewährleistet.

Es ist weiterhin Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein gattungsgemäßes Verfahren zur galvanischen Herstellung einer Hartstoffpartikel aufweisenden Schutzschicht auf einem Bauteil einer Strömungsmaschine, insbesondere einer Schaufelspitzenpanzerung einer Schaufelspitze einer Rotorschaufel bereitzustellen, welches einen vereinfachten und kostengünstigeren Prozessablauf gewährleistet.

Gelöst werden diese Aufgaben durch eine Vorrichtung gemäß den Merkmalen des An- spruchs 1 sowie ein Verfahren gemäß den Merkmalen des Anspruchs 10.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den jeweiligen Unteransprüchen beschrieben.

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Verwendung in einem Verfahren zur galvanischen Herstellung einer Hartstoffpartikel aufweisenden Schutzschicht auf einem Bauteil einer Strömungsmaschine, insbesondere einer Schaufelspitzenpanzerung einer Schaufelspitze einer Rotorschaufel umfasst eine beutel-, tüten- oder sackartige Aufnahmevorrichtung zur Aufnahme der Hartstoffpartikel, wobei die Aufnahmevorrichtung aus einem netz-, sieb- oder vliesartigen, für eine elektrochemische Beschichtungslösung durchlässigen Material mit einer Maschenweite die kleiner ist als der Durchmesser der Hartstoffpartikel besteht. Zudem ist die Aufnahmevorrichtung derart gestaltet, dass sie mit einer öffnung über und um einen zu beschichteten Bereich des Bauteils lösbar anbringbar ist. Durch das Anbringen der Aufnahmevorrichtung über oder um den zu beschichtenden Bereich des Bauteils kann eine definierte Menge an Hartstoffpartikeln für die Beschichtung bereitgestellt werden. Ein unnötiger Verbrauch an Hartstoffpartikeln kann nicht erfolgen, da die Aufnahmevorrichtung möglicherweise nicht für die Beschichtung verwendete Hartstoffpartikel auffängt, so dass diese für einen nächsten Beschichtungsvorgang wieder verwendet werden können. Zudem kann das Anbringen der Aufnahmevorrichtung über und um den zu beschichtenden Bereich des Bauteils einfach und schnell erfolgen, so dass der Prozessablauf insgesamt sehr vereinfacht wird.

In vorteilhaften Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die öffnung der Aufnahmevorrichtung von einer flexiblen Dichtung umgeben. Insbesondere ist die Dichtung in den Rand der öffnung einlaminiert. Durch die Ausgestaltung einer flexiblen Dich- tung am Rand der öffnung der Aufnahmevorrichtung kann diese ohne Weiteres an dem zu beschichtenden Bauteil, zum Beispiel einer Schaufelspitze eines Rotors sicher befestigt werden. Durch die Ausbildung einer Dichtung ist zudem gewährleistet, dass die Hartstoffpartikel nur in den tatsächlich zu beschichtenden Bereichen des Bauteils aufgebracht werden.

In weiteren vorteilhaften Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die Aufnahmevorrichtung im Bereich ihrer öffnung mit einer Aufsatzgrundplatte verbunden, derart, dass die öffnung mit einer öffnung in der Aufsatzgrundplatte korrespondiert und die Aufsatzgrundplatte an einer Abdeckung lösbar befestigt ist. Dabei weist die Abdeckung 5 mindestens eine Formöffnung zur Aufnahme der zu beschichtenden Bereiche des Bauteils auf, wobei die öffnung der Aufsatzgrundplatte mit der öffnung der Aufhahmevorrichtung über diesen Bereichen positioniert ist. Eine derartige Ausgestaltung der Vorrichtung gewährleistet eine sichere und definierte Aufnahme der zu beschichtenden Bereiche des Bauteils in der Abdeckung und eine entsprechende Positionierung der die Hartstoffpartikel ent-0 haltenden Aufnahmevorrichtung über und um die zu beschichtenden Bereiche des Bauteils. Durch die Verwendung einer derartigen Aufhahmevorrichtung vereinfacht sich der Prozessablauf, da die Hartstoffpartikel enthaltende Aufnahmevorrichtung ohne Weiteres und sicher positioniert werden kann. Des Weiteren kann die öffnung der Aufsatzgrundplatte von mindestens einer Dichtung umgeben sein. Auch dies gewährleistet, dass die Hartstoff-5 partikel tatsächlich nur in den Bereichen des Bauteils, die zu beschichten sind, bereitgestellt werden. Zudem kann an der der Aufhahmevorrichtung gegenüberliegenden Seite der Aufsatzgrundplatte mindestens ein Fixierungsstift zur Einführung in eine entsprechende Fixieröffnung der Abdeckung ausgebildet sein. Dadurch wird eine exakte, einfache und sichere Positionierung der Aufhahmevorrichtung an der Abdeckung gewährleistet. In einer o - weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist die Abdeckung mindestens eine Fixiervorrichtung zur lösbaren Befestigung der Abdeckung an dem Bauteil auf. Auch hierdurch ist eine sichere Positionierung der Abdeckung an den gewünschten Bauteilflächen möglich. Des Weiteren ist es möglich, dass zwischen der Aufsatzgrundplatte und der Formöffnung eine die öffnung formschlüssig umgebende Dichtung ausgebildet ist. 5 Dadurch ist gewährleistet, dass die Hartstoffpartikel nur in den tatsächlich zu beschichtenden Bereichen des Bauteils mit Hilfe der galvanisch aufgetragenen metallischen Matrixschicht eingebettet werden. Die Hartstoffpartikel können dabei aus (kubischen) Bohrnitrid, Keramik, Titankarbid, Wolframkarbid, Chromkarbid, Aluminiumoxid oder Zirkonoxid o- der einer Mischung davon bestehen. Die Partikelgröße beträgt üblicherweise zwischen 30 o bis 200 μm, andere Partikelgrößen können jedoch auch verwendet werden. Die Abdeckung kann starr oder flexibel ausgebildet sein.

Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur galvanischen Herstellung einer Hartstoffpartikel aufweisenden Schutzschicht auf einem Bauteil einer Strömungsmaschine, insbesondere einer Schaufelspitzenpanzerung einer Schaufelspitze einer Rotorschaufel umfasst folgende Schritte:

a) Anbringen einer öffnung einer mit Hartstoffpartikeln gefüllten, beutel-, tüten- oder sackartigen Aufnahmevorrichtung einer Vorrichtung über und um einen zu beschichtenden Bereich des Bauteils, wobei die Aufnahmevorrichtung aus einem netz-, sieb- oder vliesar- tigen, für eine elektrochemische Beschichtungslösung durchlässigen Material mit einer Maschenweite die kleiner ist als der Durchmesser der Hartstoffpartikel besteht; b) Einbringen von zumindest den zu beschichtenden Bereichen des Bauteils in ein Tauchbad mit der elektrochemischen Beschichtungslösung und Anlegen einer Spannung zur Bildung einer metallischen Matrixschicht zumindest an dem zu beschichtenden Bereich des Bauteils unter Einbettung der Hartstoffpartikel; und c) Galvanisches Ausbilden einer Füllschicht zwischen den eingebetteten Hartstoffpartikeln.

Das erfindungsgemäße Verfahren gewährleistet einen vereinfachten und kostengünstigen Prozessablauf. Insbesondere wird eine genügend hohe Konzentration an Hartstoffpartikeln für die Beschichtung bereitgestellt ohne dass diese in der elektrochemischen Beschichtungslösung frei und unkontrolliert verteilt sind. Zudem ist das Anbringen der Aufhahme- vorrichtung über und um den zu beschichtenden Bereich des Bauteils verfahrenstechnisch einfach durchzuführen. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren verbleiben nicht benötigte Hartstoffpartikel in der Aufnahmevorrichtung. Diese kann dann ohne weiteres für einen nächsten Beschichtungsschritt verwendet werden, sofern die Konzentration an Hartstoffpartikeln noch ausreichend ist. Dadurch dass die Aufnahmevorrichtung aus einem für die elektrochemische Beschichtungslösung durchlässigen Material besteht, wird der galvanische Vorgang, d. h. die Bildung einer metallischen Matrixschicht, insbesondere einer ni- ckelhaltigen Schicht an dem zu beschichtenden Bereich des Bauteils unter Einbettung der Hartstoffpartikel nicht behindert. Das galvanische Ausbilden der Füllschicht zwischen den

eingebetteten Hartstofφartikeln gemäß dem Verfahrensschritt c) kann zum Beispiel nach einer Entfernung der Aufnahmevorrichtung durchgeführt werden.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt im 5 Verfahrensschritt c) ein Rotieren des Bauteils, wobei die Rotationsachse des Bauteils horizontal verläuft. Durch die Rotationsbewegung des Bauteils wird eine gleichmäßige Verteilung der Hartstoffpartikel auf der zu beschichtenden Bauteilfläche gewährleistet. Schwerkraftbedingt werden die Hartstoffpartikel in einer oberen Position des rotierenden Bauteils gegen die zu beschichtende Bauteiloberfläche gedrückt. Das Bauteil ist dabei komplett in0 das Tauchbad mit der elektrochemischen Beschichtungslösung eingebracht. Es ist aber auch möglich, dass das Bauteil nur teilweise bzw. abschnittsweise in das galvanische Tauchbad eintaucht. Insbesondere bei integral beschaufelten Rotorscheiben oder Rotorringen (BLISK oder BLING) ergibt sich durch die Rotation der BLISK oder BLING bei horizontal ausgerichteter Drehachse die gewünschte gleichmäßige Verteilung der Hartstoffpar-5 tikel auf den Schaufelspitzen.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird im Verfahrensschritt a) die Aufnahmevorrichtung mit der öffnung formschlüssig über den zu beschichtenden Bereich des Bauteils gestülpt, wobei die öffnung von einer flexiblen Dich- o tung umgeben ist. Die flexible Dichtung kann dabei in den Rand der öffnung einlaminiert sein. Durch das formschlüssige Stülpen der Aufnahmevorrichtung über den zu beschichtenden Bauteilbereich ist gewährleistet, dass nur diese Bereiche, d. h. die gewünschten Bauteilbereiche beschichtet werden. Zudem kann der genannte Stülpvorgang einfach und schnell durchgeführt werden. 5

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Aufnahmevorrichtung im Bereich ihrer öffnung mit einer Aufsatzgrundplatte verbunden, derart, das die öffnung der Aufnahmevorrichtung mit einer öffnung in der Aufsatzgrundplatte korrespondiert und die Aufsatzgrundplatte an einer Abdeckung lösbar befestigbar ist. o Die Abdeckung weist dabei mindestens eine Formöffnung zur Aufnahme der zu beschichtenden Bereiche des Bauteils auf, wobei im Verfahrensschritt a) die öffnung der Absatz-

grundplatte mit der öffnung der Aufnahmevorrichtung über diesen Bereichen positioniert wird. Auch dieser Verfahrensschritt gewährleistet, dass nur vorbestimmte Bereiche des Bauteils mit der Hartstoffpartikel aufweisenden Schutzschicht beschichtet werden. Zudem können die zu beschichtenden Bauteile bzw. Bauteilbereiche schnell und einfach mittels 5 der genannten Formöffnungen in der Abdeckung formschlüssig positioniert werden.

In weiteren vorteilhaften Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Abdeckung vor dem Verfahrensschritt a) an dem Bauteil lösbar befestigt. Dabei kann die Abdeckung derart ausgestaltet sein, dass sie einen oder mehrere zu beschichtende Bauteilbe-0 reiche in entsprechenden Formöffnungen aufnehmen kann. Zudem kann die Abdeckung flexibel oder starr ausgebildet sein.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens enthält die im Verfahrensschritt b) und/oder dem Verfahrensschritt c) verwendete elektrochemi-5 sehe Beschichtungslösung Nickel. Insbesondere kann es sich dabei um eine Nickelsulfa- matlösung handeln. Es ist aber auch möglich, dass für die in das galvanische Tauchbad ragende Anode eine massive Nickelanode verwendet wird. Auch andere metallische Be- schichtungsmaterialien sind denkbar und richten sich insbesondere nach der metallischen Zusammensetzung des zu beschichtenden Bauteils. Die verwendeten Hartstoffpartikel be- o stehen üblicherweise aus (kubischen) Bohrnitrid, Keramik, Titankarbid, Wolframkarbid,

Chromkarbid, Aluminiumoxid oder Zirkonoxid oder einer Mischung davon. Typische Korngrößen der verwendeten Hartstoffpartikel liegen zwischen 30 μm und 200 μm. Auch andere Korngrößen sind verwendbar. 5 In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens füllt die im Verfahrensschritt c) gebildete Füllschicht den Zwischenraum zwischen den Hartstoffpartikel aus, wobei die Hartstoffpartikel geometrisch in einem Bereich zwischen 65 bis 90 % in die Füllschicht eingebunden sind. Dadurch ergibt sich vorteilhafterweise eine sichere Fixierung der Hartstoffpartikel in der metallischen Matrix, wobei zusätzlich gewähr- o leistet ist, dass ein genügend großer Bereich der Hartstoffpartikel noch aus der sie umgebenden Matrix herausragt.

In weiteren vorteilhaften Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt vor dem Verfahrensschritt a) eine Reinigung und/oder eine Abdeckung der Bauteile mit einer anschließenden Entfernung der Abdeckung in den zu beschichtenden Bereichen und/oder 5 eine chemische Vorbehandlung zumindest der zu beschichtenden Bereiche des Bauteils. Diese Maßnahmen dienen dazu, dass sich die metallische Matrix der aufzutragenden Schutzschicht ohne weiteres mit der metallischen Bauteiloberfläche verbindet. Die Art der Vorbehandlung hängt dabei insbesondere von der Zusammensetzung des zu beschichtenden Bauteils ab. So kann die Vorbehandlung von Titanbauteilen zum Beispiel folgende0 Schritte umfassen:

1. ätzen des Bauteils in einer sauren sowie fluoridhaltigen, Salpetersäure enthaltenden Lösung;

2. Aktivbeizen des geätzten Bauteils in einer zumindest Natriumnitrat 5 oder Tetrafluorborsäure enthaltenden Lösung und

3. Aktivierung des aktiv gebeizten Bauteils in einem säurehaltigen Bad oder einem sauren nickelhaltigen Bad. Nach einer derartigen Vorbehandlung kann die Hartstoffpartikel enthaltende Schicht direkt aufgebracht werden.

o Ein erfindungsgemäßes Bauteil ist hergestellt nach einem im Vorhergehenden beschriebenen Verfahren, wobei das Bauteil insbesondere eine Schaufelspitze einer Laufschaufel eines Verdichters eines Flugtriebwerks, insbesondere einer BLISK oder BLING ist. Diese beschaufelten Scheiben oder Ringe bestehen dabei insbesondere aus Titan- oder Nickellegierungen. Es ist aber auch möglich, dass diese Bauteile aus Metallmatrix- Verbund-5 Werkstoffen auf Titanbasis hergestellt sind. Des Weiteren besteht die Möglichkeit, dass diese Bauteile aus so genannten intermetallischen Werkstoffen vom Typ TiAl oder Ti ₃ Al bestehen.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfol- o genden Beschreibung eines zeichnerisch dargestellten Ausführungsbeispiels. Es zeigen

Figur 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung; und

Figur 2 eine schematische Darstellung einer Aufnahmevorrichtung der erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß Figur 1.

Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung 10 zur Verwendung in einem Verfahren zur galvanischen Herstellung einer Hartstoffpartikel aufweisenden Schutzschicht auf einem Bauteil 38 einer Strömungsmaschine. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel handelt es sich dabei um eine Schaufelspitzenpanzerung einer Schaufelspitze 34 einer Rotorschaufel 42. Man erkennt, dass die Vorrichtung 10 eine tütenartige Aufhahme- vorrichtung 12 zur Aufnahme der Hartstoffpartikel 14 (vgl. Figur 2) aufweist, wobei die Aufnahmevorrichtung 12 aus einem netz-, sieb- oder vliesartigen, für eine elektrochemische Beschichtungslösung durchlässigem Material mit einer Maschenweite die kleiner ist als der Durchmesser der Hartstoffpartikel 14 besteht. Zudem ist die Aufhahmevorrichtung 10 derart gestaltet, dass sie mit einer öffnung 16 (vgl. Figur 2) über und um den zu beschichtenden Bereich 40 des Bauteils 38 lösbar anbringbar ist. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Aufhahmevorrichtung 12 im Bereich ihrer öffnung 16 mit einer Aufsatzgrundplatte 18 verbunden, wobei die öffnung 16 mit einer öffnung 20 in der Aufsatzgrundplatte 18 korrespondiert. Die Aufsatzgrundplatte 18 ist dabei an einer Abdeckung 24 lösbar befestigt. Die Befestigung erfolgt in dem dargestellten Ausführungsbeispiel durch Fixierungsstifte 28, die an der der Aufhahmevorrichtung 12 gegenüberliegenden Seite der Aufsatzgrundplatte 18 angeordnet sind und in entsprechende Fixieröffnungen 30 der Abdeckung 24 einführbar sind (vgl. Fig. 2).

Des Weiteren erkennt man, dass die Abdeckung 24 mehrere Formöffnungen 26 zur Aufnahme der Schaufelspitzen 34 bzw. der zu beschichtenden Bereiche 40 des Bauteils 38 aufweist. Für den Beschichtungsvorgang wird die öffnung 20 der Aufsatzgrundplatte 18 mit der öffnung 16 der Aufnahmevorrichtung 12 über den Schaufelspitzen 34 bzw. den zu beschichtenden Bereichen 40 positioniert. Man erkennt, dass die einzelnen Formöffnungen 26 von jeweils einer Dichtung 36 formschlüssig umgeben sind. Die Dichtung 36 kommt

dabei zwischen der Aufsatzgrundplatte 18 und der Abdeckung 24 zu liegen. Die Dichtung 36 besteht überlicherweise aus Wachs oder Gummi.

Des Weiteren erkennt man, dass an der Abdeckung 24 Fixiervorrichtungen 32 zu lösbaren Befestigung der Abdeckung 24 an dem Bauteil 38 ausgebildet sind. Die im dargestellten Ausführungsbeispiel zu beschichtende Schaufelspitze 34 der Rotorschaufel 42 besteht aus einer Titanlegierung.

Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung der Aufnahmevorrichtung 12. Man erkennt, dass in der tüten- und vliesartig ausgebildeten Aufnahmevorrichtung 12 die Hartstoffpartikel 14 konzentriert sind. üblicherweise bestehen die Hartstoffpartikel 14 aus kubischem Bohrnitrid. Des Weiteren erkennt man, dass die öffnung 16 der Aufnahmevorrichtung 12 mit der Aufsatzgrundplatte 18 verbunden ist, derart, dass die öffnung 16 mit der öffnung 20 in der Aufsatzgrundplatte 18 korrespondiert. Zudem wird deutlich, dass die öffnung 20 in der Aufsatzgrundplatte von einer Dichtung 22 umgeben ist. Zudem sind an der Aufsatzgrundplatte 18 die beiden Fixierungsstifte 28 angeordnet.