22.12.2013 Aufrufe

Grünendick, T.: Thermisches Spritzen in der Luftfahrtindustrie

Grünendick, T.: Thermisches Spritzen in der Luftfahrtindustrie

Grünendick, T.: Thermisches Spritzen in der Luftfahrtindustrie

MEHR ANZEIGEN
WENIGER ANZEIGEN

Sie wollen auch ein ePaper? Erhöhen Sie die Reichweite Ihrer Titel.

YUMPU macht aus Druck-PDFs automatisch weboptimierte ePaper, die Google liebt.

IMW - Institutsmitteilung Nr. 23 (1998) 39<br />

<strong>Thermisches</strong> <strong>Spritzen</strong> <strong>in</strong> <strong>der</strong> Luftfahrt<strong>in</strong>dustrie<br />

Grünendick, T.<br />

Thermische Spritzschichten s<strong>in</strong>d heute bei <strong>der</strong> Gestaltung,<br />

Fertigung und Reparatur von Flugtriebwerken<br />

unverzichtbar. Sie erfüllen die ökologischen<br />

und ökonomischen Anfor<strong>der</strong>ungen bei gleichzeitiger<br />

hoher Zuverlässigkeit. Der Artikel gibt e<strong>in</strong>en<br />

Überblick über die <strong>in</strong> <strong>der</strong> Luftfahrt<strong>in</strong>dustrie angewendeten<br />

thermischen Spritzverfahren.<br />

Thermal-spray coat<strong>in</strong>gs are <strong>in</strong>dispensable <strong>in</strong> the<br />

design, manufacture and repair of numerous components<br />

of aero-eng<strong>in</strong>es. In most cases they meet<br />

the demands regard<strong>in</strong>g economical and ecological<br />

requirements as well as for operational dependability.<br />

This article gives a general prospect of the<br />

most frequently used applications of thermally<br />

sprayed coat<strong>in</strong>gs <strong>in</strong> the aircraft <strong>in</strong>dustry.<br />

Mit <strong>der</strong> E<strong>in</strong>führung <strong>der</strong> Strahltriebwerke <strong>in</strong> den<br />

60iger Jahren und <strong>der</strong> Weiterentwicklung <strong>der</strong><br />

Spritzverfahren wurden thermische Schutzschichten<br />

<strong>in</strong> <strong>der</strong> Luftfahrt <strong>in</strong>dustriell e<strong>in</strong>gesetzt. Der Erfolg<br />

<strong>der</strong> thermischen Spritzschichten war <strong>in</strong> ke<strong>in</strong>er an<strong>der</strong>en<br />

Branche während <strong>der</strong> Markte<strong>in</strong>führung so<br />

groß wie hier.<br />

2 Thermische Spritzverfahren<br />

Das thermische <strong>Spritzen</strong> ist e<strong>in</strong> Beschichtungsverfahren,<br />

bei dem <strong>der</strong> Spritzzusatz (Pulver o<strong>der</strong><br />

Draht; Metall o<strong>der</strong> Keramik) kont<strong>in</strong>uierlich geschmolzen<br />

und mit entsprechen<strong>der</strong> Geschw<strong>in</strong>digkeit<br />

auf die Werkstoffoberfläche geschleu<strong>der</strong>t wird.<br />

1 E<strong>in</strong>führung<br />

Die Grundidee des thermischen <strong>Spritzen</strong>s ist auf<br />

die Beobachtung von M. Schoop um die Jahrhun<strong>der</strong>twende<br />

zurückzuführen. Beim Schießen mit<br />

Bleikugeln prallten mehrere Geschosse gegen e<strong>in</strong>e<br />

Mauer und blieben als plattgedrückte Bleimassen<br />

haften. Teilweise schlugen die Kugeln dicht nebene<strong>in</strong>an<strong>der</strong><br />

auf und bildeten Vere<strong>in</strong>igungen, die e<strong>in</strong>er<br />

Verschweissung glichen.<br />

Auf <strong>der</strong> Grundlage dieser Beobachtungen entwikkelte<br />

<strong>der</strong> Schweizer Ingenieur Schoop e<strong>in</strong>e Metallspritzpistole<br />

(1913), welcher <strong>der</strong> Hauptverdienst<br />

an dem Erreichen des heutigen hohen Standes und<br />

an den Erfolgen des Metallspritzverfahrens zugeschrieben<br />

wird /1/.<br />

Bild 2: Prozesspr<strong>in</strong>zip /3/<br />

Bild 1: Schematische Darstellung e<strong>in</strong>er Vorrichtung<br />

zum Aufschleu<strong>der</strong>n geschmolzenen Metalls<br />

durch e<strong>in</strong>e am Umfang mit Nadeln besetzte<br />

rotierende Scheibe /2/<br />

Die dabei entstehende Spritzschicht wird durch nebene<strong>in</strong>an<strong>der</strong><br />

und aufe<strong>in</strong>an<strong>der</strong>liegende Lagen gebildet,<br />

die aus e<strong>in</strong>er Anhäufung von abgeflachten und<br />

lamellenförmigen Tröpfchen bestehen (Bild 2). Die<br />

Spritzschichten s<strong>in</strong>d daher meistens härter, sprö<strong>der</strong><br />

und poröser als <strong>der</strong> Ausgangswerkstoff.


40 IMW - Institutsmitteilung Nr. 23 (1998)<br />

In <strong>der</strong> Luftfahrt<strong>in</strong>dustrie werden überwiegend die<br />

Verfahren Flammspritzen, Hochgeschw<strong>in</strong>digkeitsflammspritzen<br />

und Plasmaspritzen im Vakuum o<strong>der</strong><br />

an <strong>der</strong> Atmosphäre angewendet.<br />

2.1 Flammspritzen<br />

Das Flammspritzen wird zur Oberflächenbeschichtung<br />

metallischer und nichtmetallischer Werkstoffe<br />

verwendet. Das Spritzgut, Draht o<strong>der</strong> Pulver, wird<br />

durch e<strong>in</strong>e Acetylen-Sauerstoff-Flamme auf- bzw.<br />

angeschmolzen und durch die Ausdehnung des<br />

Brenngases <strong>in</strong> Verb<strong>in</strong>dung mit dem Trägergas auf<br />

die Werkstückoberfläche geschleu<strong>der</strong>t (Partikelgeschw<strong>in</strong>digkeit<br />

50m/Sek). Das Spritzgut ist durch<br />

den Drahtvorschub o<strong>der</strong> die Treibgasmenge dosierbar<br />

und wird bestimmt durch die gewünschte<br />

Auftragsleistung sowie den Aufschmelzgrad. Das<br />

Werkstück wird von <strong>der</strong> Flamme nicht erfasst und<br />

bleibt relativ kalt. E<strong>in</strong> typischer Anwendungsfall dieses<br />

Beschichtungsverfahrens stellen die E<strong>in</strong>laufbeläge<br />

im Triebwerksbau dar.<br />

Die hohe k<strong>in</strong>etische Energie und die begrenzte<br />

thermische Belastung des Spritzpulvers ermöglicht<br />

bei diesem Verfahren sehr porenarme Schichten<br />

und verm<strong>in</strong><strong>der</strong>t beispielsweise bei Verschleissschutzschichten<br />

die Umwandlung von Karbiden <strong>in</strong><br />

Mischkarbide (WC/Co und Cr 3<br />

C 2<br />

/NiCr).<br />

2.3 Plasmaspritzen<br />

Das Plasmaspritzen, atmosphärisch o<strong>der</strong> <strong>in</strong> Vakuumkammern,<br />

ist e<strong>in</strong> Beschichtungsverfahren, bei<br />

dem <strong>der</strong> pulverförmige Spritzzusatz <strong>in</strong> o<strong>der</strong> außerhalb<br />

<strong>der</strong> Spritzpistole durch die Plasmaflamme aufbzw.<br />

angeschmolzen und auf die Werkstoffoberfläche<br />

geschleu<strong>der</strong>t wird (Partikelgeschw<strong>in</strong>digkeit<br />

450m/Sek). Das Plasma wird durch e<strong>in</strong>en Lichtbogen<br />

erzeugt, <strong>der</strong> zwischen e<strong>in</strong>er stabförmigen,<br />

2.2 Hochgeschw<strong>in</strong>digkeitsflammspritzen<br />

Die Verbrennung beim Hochgeschw<strong>in</strong>digkeitsflammspritzen<br />

erfolgt kont<strong>in</strong>uierlich <strong>in</strong> e<strong>in</strong>er Brennkammer<br />

(Acetylen, Propan, aber auch flüssige<br />

Bild 4: Schematische Darstellung e<strong>in</strong>es Plasmabrenners<br />

/5/<br />

Bild 3: Hochgeschw<strong>in</strong>digkeitsflammspritzen /1/<br />

Brennstoffe wie Diesel o<strong>der</strong> Keros<strong>in</strong>). Die <strong>in</strong> <strong>der</strong><br />

Brennkammer erzeugten Brenngasdrücke von 3-7<br />

bar <strong>in</strong> Verb<strong>in</strong>dung mit e<strong>in</strong>er nachgeordneten Expansionsdüse<br />

bewirken e<strong>in</strong>e beson<strong>der</strong>s hohe<br />

Strömungsgeschw<strong>in</strong>digkeit im Gasstrahl (Bild 3).<br />

Der pulverförmige Spritzzusatz wird <strong>in</strong> den<br />

Gasstrahl mittig e<strong>in</strong>geführt, beschleunigt und mit<br />

sehr hoher Geschw<strong>in</strong>digkeit auf das Bauteil geschleu<strong>der</strong>t<br />

(550 m/Sek) /4/.<br />

zentrisch angeordneten Wolframkathode, e<strong>in</strong>er<br />

r<strong>in</strong>gförmigen, wassergekühlten Kupferanode und<br />

von den Plasmagasen (Ar, He, H o<strong>der</strong> N), gewöhnlich<br />

Argon mit e<strong>in</strong>em Zusatz Wasserstoff, umströmt<br />

wird (Bild 4). Dieser Lichtbogen gibt e<strong>in</strong>en Großteil<br />

se<strong>in</strong>er Wärmeenergie an das Plasmagas ab, das<br />

dadurch ionisiert und <strong>in</strong> den Plasmazustand überführt<br />

wird. Bei <strong>der</strong> Rekomb<strong>in</strong>ation wird die aufgenommene<br />

Wärmeenergie wie<strong>der</strong> abgegeben, e<strong>in</strong><br />

elektrisch neutraler Plasmastrahl verlässt die<br />

Brenndüse mit hoher Temperatur (bis 20 000 K).<br />

Das durch e<strong>in</strong> Treibgas angesaugte Pulver wird<br />

meist verfahrensbed<strong>in</strong>gt <strong>in</strong> o<strong>der</strong> außerhalb <strong>der</strong><br />

Spritzpistole <strong>der</strong> Plasmaflamme zugeführt und je<br />

nach Verweildauer <strong>in</strong> <strong>der</strong> Flamme an- o<strong>der</strong>/und<br />

aufgeschmolzen. Das Werkstück wird von <strong>der</strong>


IMW - Institutsmitteilung Nr. 23 (1998) 41<br />

Flamme nicht direkt erfasst und zusätzlich <strong>in</strong>tensiv<br />

gekühlt, /6/. Die Bauteiltemperatur liegt zwischen<br />

100 und 350°C. Plasmaschichten zeichnen sich<br />

durch e<strong>in</strong>e hohe Haft-Zugfestigkeit (20-70 MPa)<br />

und durch e<strong>in</strong>e gezielt e<strong>in</strong>stellbare Porosität von 1-<br />

20% aus.<br />

E<strong>in</strong> typischer Anwendungsfall dieses Beschichtungsverfahrens<br />

stellen die Wärmedämmschichten,<br />

Haftschichten, Heißgaskorrosionsschutzschichten<br />

und Verschleissschutzschichten im Triebwerksbau<br />

dar.<br />

werden sollen. Auch beim Vorbereiten <strong>der</strong> Bauteiloberfläche<br />

durch Strahlen mit Al 2<br />

O 3<br />

benutzt man<br />

Abdeckungen, die aus Klebebän<strong>der</strong>n o<strong>der</strong> metallischen<br />

Abdeckungen bestehen.<br />

Für das thermische <strong>Spritzen</strong> kommen Auflagemasken<br />

zur Anwendung, die aus Klebebän<strong>der</strong>n, Silikonmassen<br />

und Silikonr<strong>in</strong>gen bestehen o<strong>der</strong> metallische<br />

Schattenmasken, die konturgerecht dem<br />

Bauteil angepasst s<strong>in</strong>d und durch Abstandszonen<br />

e<strong>in</strong> Anhaften <strong>der</strong> Schicht mit <strong>der</strong> Maskierung verh<strong>in</strong><strong>der</strong>n<br />

sowie die nicht zu beschichtenden Bereiche<br />

schützen (Bild 5).<br />

Beim thermischen <strong>Spritzen</strong> ist das Vorbehandeln<br />

<strong>der</strong> Oberfläche <strong>der</strong> wichtigste Arbeitsgang. Durch<br />

e<strong>in</strong>e gute Präparation <strong>der</strong> Oberfläche lässt sich die<br />

Haft-Zugfestigkeit und die Güte <strong>der</strong> Schicht deutlich<br />

steigern. Zu e<strong>in</strong>er guten Vorbehandlung zählen<br />

fettfreie und metallisch saubere Oberflächen, aber<br />

auch solche, die mit scharfkantigem, sauberem<br />

Bild 5: Maskiertes Bauteil während des Plasmaspritzvorganges<br />

/7/<br />

Das Plasmaspritzen wird an <strong>der</strong> Atmosphäre o<strong>der</strong><br />

<strong>in</strong> Vakuumkammern durchgeführt, hierbei hat sich<br />

<strong>der</strong> Betrieb im Vakuum für sehr reaktive Materialien<br />

bestens bewährt. E<strong>in</strong>e weitere Variante des Plasmaspritzens<br />

ist es, den Spritzprozess <strong>in</strong> Kammern<br />

mit e<strong>in</strong>er <strong>in</strong>erten o<strong>der</strong> druckkontrollierten Atmosphäre<br />

ablaufen zu lassen. Ke<strong>in</strong>e o<strong>der</strong> wenige Oxide<br />

<strong>in</strong> <strong>der</strong> Spritzschicht sowie sehr re<strong>in</strong>e Spritzschichten<br />

s<strong>in</strong>d hier zu erwarten /4/.<br />

3 Der Spritzablauf<br />

Bevor die zu beschichtenden Bereiche den thermischen<br />

Spritzprozess durchlaufen, müssen die betroffenen<br />

Stellen von möglichen Verunre<strong>in</strong>igungen<br />

gesäubert, maskiert und entsprechend oberflächenbehandelt<br />

werden. Die Maskierung von Bauteilzonen<br />

dient zur Abgrenzung von Schichtflächen<br />

und Bereichen, die vom Spritzstrahl nicht erfasst<br />

Bild 6: Haftmechanismus /8/<br />

Strahlgut gestrahlt e<strong>in</strong>e optimale Rauhigkeit sowie<br />

große Haftungsoberflächen gewährleisten.<br />

Um die Haft-Zugfestigkeit durch Oxidation o<strong>der</strong> an<strong>der</strong>e<br />

Umwelte<strong>in</strong>flüsse nicht zu verm<strong>in</strong><strong>der</strong>n, muss<br />

das frisch gestrahlte Bauteil verzugslos mit e<strong>in</strong>em<br />

thermischen Spritzverfahren beschichtet werden.<br />

Die hochaktive Kraterlandschaft, die e<strong>in</strong>e frisch gestrahlte<br />

Oberfläche aufweist, begünstigt Diffusionsvorgänge,<br />

Mikroschweißungen und mechanische<br />

Verklammerungen (Bild 6).


42 IMW - Institutsmitteilung Nr. 23 (1998)<br />

Bild 7: Roboter mit Handl<strong>in</strong>gsystem beim Plasmaspritzen<br />

e<strong>in</strong>er Triebwerksbrennkammer /5/<br />

Hat das zu beschichtende Bauteil die gewünschte,<br />

mit e<strong>in</strong>er Rauhigkeitsmessung überprüfte Oberflächenbeschaffenheit,<br />

wird das Werkstück maskiert,<br />

gegebenenfalls vorgewärmt (max. 150°C), <strong>in</strong> <strong>der</strong><br />

Spritzkab<strong>in</strong>e auf dem Handhabungssystem befestigt<br />

und dem Spritzprozess zugeführt. Das Handhabungssystem<br />

ermöglicht das Abfahren <strong>der</strong> Bauteilkontur<br />

unter E<strong>in</strong>haltung des vorgegebenen<br />

Spritzabstandes. Dieses Handl<strong>in</strong>gsystem ist meist<br />

e<strong>in</strong> <strong>in</strong>tegriertes System, bei dem <strong>der</strong> Roboter mit<br />

externen Achsen und e<strong>in</strong>er Verfahre<strong>in</strong>heit mit <strong>der</strong><br />

Spritzanlagensteuerung komplett verknüpft ist. Damit<br />

wird es möglich, über die Spritzanlagensteuerung<br />

e<strong>in</strong>en vollautomatischen Spritzprozess, nebst<br />

Zündung <strong>der</strong> Brenner, durchzuführen. Die speziellen<br />

Werkstückaufnahmen för<strong>der</strong>n die Reproduzierbarkeit<br />

und unterstützen die Automatisierung.<br />

Die Spritzanlage sollte <strong>in</strong> e<strong>in</strong>er Schallschutzkab<strong>in</strong>e<br />

untergebracht se<strong>in</strong>, die gleichzeitig über die Filtere<strong>in</strong>heit<br />

e<strong>in</strong>e wirksame Entsorgung <strong>der</strong> Spritzstäube<br />

-gemäß den gesetzlichen Bestimmungengewährleistet.<br />

Nach <strong>der</strong> Bestückung <strong>der</strong> Spritzkab<strong>in</strong>e erfolgt <strong>der</strong><br />

festgelegte Arbeitsablauf vollautomatisch gemäß<br />

den Vorgabedaten: Spritzverfahren, Spritzwerkstoff,<br />

Spritzpistole, Anlagenparameter (Gase, Abstände,<br />

Durchsatz), Bewegungsabläufe und Anzahl <strong>der</strong><br />

Spritzlagen.<br />

Die Eigenschaften von Spritzschichten ergeben<br />

sich aus dem Spritzverfahren, dem Spritzzusatz<br />

und den Spritzbed<strong>in</strong>gungen. Ebenso ist es die große<br />

Anzahl von Faktoren, die auf die flüssigen<br />

Spritzteilchen e<strong>in</strong>wirken und die Art und Weise, wie<br />

sich die Spritzschicht lagenweise aufbaut, die den<br />

Charakter und die Eigenschaften <strong>der</strong> Schicht bestimmen.<br />

Allen Spritzverfahren ist geme<strong>in</strong>sam, dass<br />

schmelzflüssige Metallteilchen im hocherhitzten<br />

Zustand e<strong>in</strong>en Weg zurücklegen, auf<br />

dem sie verschiedenen Gasen und <strong>der</strong> sie<br />

umgebenden Atmosphäre ausgesetzt s<strong>in</strong>d.<br />

Den größten E<strong>in</strong>fluss auf die schmelzflüssigen<br />

Teilchen hat dabei <strong>der</strong> Sauerstoff, zu<br />

dem die meisten Metalle e<strong>in</strong>e hohe Aff<strong>in</strong>ität<br />

besitzen. Deshalb s<strong>in</strong>d die Spritzteilchen fast<br />

ausnahmslos mit e<strong>in</strong>em Oxidfilm umgeben.<br />

Dieser noch weiche o<strong>der</strong> flüssige Oxidfilm ist<br />

e<strong>in</strong>erseits e<strong>in</strong>e Komponente des komplizierten<br />

Haftmechanismus und an<strong>der</strong>erseits e<strong>in</strong><br />

Härtebildner, <strong>der</strong> für die stets größere Mikrohärte<br />

<strong>der</strong> Spritzschichten von Bedeutung<br />

ist.<br />

Beim thermischen <strong>Spritzen</strong> ist das <strong>in</strong>tensive<br />

Anschmelzen nur dann gewährleistet, wenn<br />

Wärmeenergie, Korngröße und die Aufenthaltszeit<br />

<strong>der</strong> Pulverkörner <strong>in</strong> <strong>der</strong> Flamme<br />

aufe<strong>in</strong>an<strong>der</strong> abgestimmt s<strong>in</strong>d. Enge Korngrößenbereiche,<br />

gleichmäßige För<strong>der</strong>leistung und<br />

genau def<strong>in</strong>ierte Pulverkornformen sowie Gasmengen<br />

(im gasförmigen Zustand) s<strong>in</strong>d daher wichtige<br />

Voraussetzungen.<br />

Neben den aufgeführten E<strong>in</strong>flussgrößen für den<br />

Aufbau <strong>der</strong> Spritzschicht ist die Geschw<strong>in</strong>digkeit,<br />

mit <strong>der</strong> die Spritzteilchen aufschlagen, von Bedeutung.<br />

Je höher diese k<strong>in</strong>etische Energie ist, desto<br />

stärker werden die Tropfen <strong>in</strong> <strong>der</strong> Kraterlandschaft<br />

<strong>der</strong> vorbereiteten Oberfläche und <strong>in</strong> die bereits aufgebaute<br />

Schicht h<strong>in</strong>e<strong>in</strong>geschossen. Die Tropfen<br />

Bild 8: Bearbeitung e<strong>in</strong>er Spritzschicht /9/<br />

verflachen und gehen mit an<strong>der</strong>en Teilchen Verb<strong>in</strong>dungen<br />

e<strong>in</strong>, die mit Diffundieren, lokalem Verschweißen,<br />

Verkrallen, Zerspratzen und Vers<strong>in</strong>tern<br />

erklärt werden (Bild 6).


IMW - Institutsmitteilung Nr. 23 (1998) 43<br />

In den meisten Anwendungsfällen werden die<br />

Spritzschichten mit e<strong>in</strong>er Zugabe gespritzt, die<br />

durch mechanische Nachbehandlung auf Maß gebracht<br />

werden muss. Spritzschichten können durch<br />

Drehen, Hobeln, Fräsen und Schleifen bearbeitet<br />

werden. Um e<strong>in</strong> Zerstören <strong>der</strong> Schicht zu vermeiden,<br />

muss die Belastung beim mechanischen Bearbeiten<br />

m<strong>in</strong>imiert werden. Schnittgeschw<strong>in</strong>digkeit,<br />

Schnittiefe und vor allem die Vorschübe s<strong>in</strong>d ger<strong>in</strong>g<br />

zu halten. Zusätzlich muss <strong>der</strong> Drehmeißel, <strong>der</strong><br />

durch Oxide<strong>in</strong>schlüsse und teilweise Aufhärtung<br />

<strong>der</strong> Spritzteilchen stärker beansprucht wird, entsprechend<br />

angepasst werden (Bild 8). Beim<br />

Schleifen wird die Spritzschicht <strong>in</strong>sgesamt weniger<br />

belastet /9/.<br />

Die Prozessqualität wird durch Proben, die überwiegend<br />

bauteilrepräsentativ s<strong>in</strong>d, sichergestellt. Es<br />

werden je nach Schichttyp metallographische Prüfungen<br />

(Gefüge, Schichtdicke, Verunre<strong>in</strong>igung) und<br />

/o<strong>der</strong> mechanische Prüfungen (Härte, Haft-<br />

Zugfestigkeit, Biegeprüfung) durchgeführt /10/.<br />

4 Anwendungen aus <strong>der</strong> Triebwerkstechnik<br />

Durch den gezielten E<strong>in</strong>satz hochwertiger Metallund<br />

Keramikbeschichtungen mittels thermischer<br />

Spritzverfahren werden hochbeanspruchte Funktionsflächen<br />

von Triebwerkskomponenten geschützt<br />

und die Wie<strong>der</strong>verwendbarkeit abgenutzter Triebwerksteile<br />

ermöglicht sowie <strong>der</strong>en Standzeit wesentlich<br />

erhöht.<br />

Die Eigenschaften dieser Spritzschichten werden<br />

jedoch nicht nur durch die Werkstoffzusammensetzung<br />

bestimmt, son<strong>der</strong>n hängen ganz wesentlich<br />

von <strong>der</strong> Schichtstruktur ab, die durch unterschiedliche<br />

Spritzparameter erheblich variiert werden kann.<br />

So wird zum Beispiel e<strong>in</strong>e Ni5Al-Schicht plasmagespritzt<br />

als Maßkorrekturschicht verwendet und<br />

flammgespritzt als E<strong>in</strong>laufbelag e<strong>in</strong>gesetzt.<br />

Es kommen folgende Schichttypen zur Anwendung:<br />

Anstreifschichten (E<strong>in</strong>lauf- und Anlaufschichten)<br />

Verschleissschutzschichten<br />

Heißgaskorrosionsschutzschichten<br />

Wärmedämmschichten<br />

Maßkorrekturschichten<br />

4.1 Anstreifschichten (E<strong>in</strong>lauf- und Anlaufschichten)<br />

Um bei Flugtriebwerken e<strong>in</strong>en möglichst hohen<br />

Wirkungsgrad zu erzielen, müssen die Spaltverluste<br />

(Gasleckage) zwischen den stehenden (Statoren)<br />

und den rotierenden (Rotoren) Triebwerksbauteilen<br />

sehr kle<strong>in</strong> gehalten werden. Der Spalt ist<br />

dann am ger<strong>in</strong>gsten, wenn er durch E<strong>in</strong>schleifen<br />

<strong>der</strong> Komponenten erst im Betrieb entsteht und dabei<br />

möglichst nur das statische Teil abgetragen<br />

wird (Bild 10).<br />

Frett<strong>in</strong>gschutz<br />

E<strong>in</strong>laufbeläge<br />

Dichtlippenpanzerung<br />

Hochtemperaturverschleissschutz<br />

Hammerschlagverschleiss<br />

Wärmedämmschichten<br />

Bild 9: Funktionsteile mit thermisch gespritzten Schichten


44 IMW - Institutsmitteilung Nr. 23 (1998)<br />

laufbeläge werden mit harten plasmagespritzen Keramikschichten<br />

(Al 2<br />

O 3<br />

, 3TiO 2<br />

) unter Verwendung e<strong>in</strong>er<br />

geeigneten metallischen Haftschicht (NiAl,<br />

NiCr) beschichtet.<br />

Verschleissart<br />

Schichtwerkstoff<br />

Verfahren<br />

Bemerkungen<br />

Hammerschlag-<br />

WC/Co,<br />

HGFS<br />

Schw<strong>in</strong>gungsbed<strong>in</strong>gtes<br />

verschleiss<br />

Cr 3<br />

C 2<br />

/NiCr<br />

Anstoßen von Schaufeln<br />

gegene<strong>in</strong>an<strong>der</strong><br />

Frett<strong>in</strong>g CuNiIn APS Verschleiss <strong>der</strong> Schaufelfüsse<br />

durch Eigenschw<strong>in</strong>gung<br />

<strong>der</strong> Schaufel<br />

Erosion<br />

WC/Co,<br />

HGFS<br />

Furchen<strong>der</strong> Verschleiss<br />

Cr 3<br />

C 2<br />

/NiCr<br />

durch streifende Partikel<br />

im Gasstrom<br />

Materialabtrag bei<br />

WC/Co,<br />

APS<br />

Materialabtrag bei Pas-<br />

Bild 10: Verkle<strong>in</strong>erung des Spaltes durch E<strong>in</strong>laufbeläge<br />

am Stator-Gehäuse /11/<br />

form- und kraftschlüssigen<br />

Verb<strong>in</strong>dungen<br />

Cr 3<br />

C 2<br />

/NiCr<br />

sungen, Flanschen und<br />

Lagersitzen<br />

Tabelle 1: Thermisch gespritzte Verschleissschutzschichten.<br />

4.2 Verschleissschutzschichten<br />

Für die Herstellung von Verschleiss-<br />

Schutzschichten wird meist e<strong>in</strong>e hohe Haftfestigkeit<br />

gefor<strong>der</strong>t, die mit den Verfahren Hochgeschw<strong>in</strong>digkeitsflammspritzen<br />

(HGFS), Nie<strong>der</strong>druck- (NDPS)<br />

und atmospharisches Plasmaspritzen (APS) gewährleistet<br />

wird. Typische Verschleissschutzschichten<br />

werden zum Schutz gegen Hammerschlagverschleiss,<br />

Frett<strong>in</strong>g, Erosion und Materialabtrag<br />

bei form- und kraftschlüssigen Verb<strong>in</strong>dungen<br />

aufgetragen /11/. Tabelle 1 zeigt die üblicherweise<br />

verwendeten Werkstoffe und Verfahren.<br />

Bild 11: Pr<strong>in</strong>zip e<strong>in</strong>er e<strong>in</strong>fachen Labyr<strong>in</strong>thdichtung<br />

zwischen Scheibe und Dichtungsträger<br />

/11/<br />

Auf dem Stator wird daher e<strong>in</strong>e leicht abreibbare<br />

Schicht aufgespritzt, <strong>der</strong> sog. E<strong>in</strong>laufbelag. Hier<br />

werden neben den flammgespritzten Nikkel/Graphit-Schichten,<br />

die e<strong>in</strong>e hohe Porosität und<br />

gute Trockenschmierstoffeigenschaften aufweisen,<br />

auch plasmagespritzte Alum<strong>in</strong>ium/Polyester-<br />

Schichten e<strong>in</strong>gesetzt. Alum<strong>in</strong>ium/Polyester-<br />

Schichten zeichnen sich durch e<strong>in</strong>e sehr gute Erosionsbeständigkeit<br />

aus (Bild 11).<br />

Die Kontaktfläche des rotierenden Bauteils wird mit<br />

e<strong>in</strong>er verschleissbeständigen, abrasiv wirkenden<br />

Anlaufschicht gepanzert, da ansonsten durch den<br />

Materialabtrag e<strong>in</strong>e erhebliche Unwucht des Bauteils<br />

entstehen würde. Die Gegenpartner <strong>der</strong> E<strong>in</strong>-<br />

Bild 12: Verschleissschutzschicht aus Chromkarbid-Nickelalum<strong>in</strong>ium<br />

an e<strong>in</strong>er Turb<strong>in</strong>enleitschaufel<br />

/7/


IMW - Institutsmitteilung Nr. 23 (1998) 45<br />

4.3 Heißgaskorrosionsschutzschichten<br />

Zur Reduzierung des Gewichtes und Erhöhung <strong>der</strong><br />

Betriebstemperaturen werden mo<strong>der</strong>ne Superlegierungen<br />

im Heißbereich e<strong>in</strong>es Triebwerkes e<strong>in</strong>gesetzt.<br />

Diese Werkstoffe s<strong>in</strong>d dennoch nicht <strong>in</strong> <strong>der</strong><br />

Lage, gleichzeitig die beschleunigte Korrosions-<br />

/Oxidationsneigung und die Abnahme <strong>der</strong> Festigkeit<br />

Bild 15: Mit Zirkoniumoxid beschichtete Brennkammer<br />

/5/<br />

Bild 13: Heißgaskorrosions - Oxidationsschutzschicht,<br />

McrAlY-Schicht /7/<br />

4.4 Wärmedämmschichten<br />

Durch das zusätzliche Auftragen von wärmedämmenden<br />

Keramikschichten auf korrosionsbeständigen<br />

Haftschichten kann, allerd<strong>in</strong>gs nur <strong>in</strong> Verb<strong>in</strong>dung<br />

mit Kühlung von <strong>in</strong>nen, die Bauteilwerkstofftemperatur<br />

erniedrigt und damit die Festigkeit erhalten<br />

werden. Als keramischer Werkstoff wird<br />

meist ZrO 2<br />

mit verschiedenen Stabilisatoren (Y 2<br />

O 3<br />

,<br />

früher CaO, MgO) verwendet. /12/<br />

Erwünscht s<strong>in</strong>d bei den Wärmedämmschichten<br />

vertikale Risse (Bild 14), die sich jedoch beim E<strong>in</strong>satz<br />

unter höchsten Temperaturen als negativ herausstellen.<br />

Flüssige Phasen (Sand aus Verdichterluft),<br />

die sich auf <strong>der</strong> Oberfläche ablagern, setzen<br />

die Risse zu und verh<strong>in</strong><strong>der</strong>n ihr Schließen bei Abkühlung.<br />

Bild 15 zeigt e<strong>in</strong>e typische Anwendung<br />

e<strong>in</strong>er Wärmedämmschicht.<br />

Bild 14: Segmentierte Wärmedämmschicht /12/<br />

bei hoher Temperatur zu verh<strong>in</strong><strong>der</strong>n. Durch Aufbr<strong>in</strong>gen<br />

von speziellen oxidationsbeständigen Legierungen<br />

vom Typ MCrAlY (M = Co, Ni) mittels<br />

NDPS o<strong>der</strong> Plasmaspritzen <strong>in</strong> kontrollierter Atmosphäre<br />

können diese Funktionsflächen geschützt<br />

werden (Bild 13). Oft dient diese Schicht als oxidationsbeständige<br />

Grundschicht, auf <strong>der</strong> anschließend<br />

e<strong>in</strong>e thermisch isolierende keramische Deckschicht<br />

aufgespritzt wird (Bild 14).<br />

4.5 Maßkorrekturschichten<br />

Maßliche Abweichungen von teuren Triebwerksbauteilen,<br />

bed<strong>in</strong>gt durch Konstruktionsän<strong>der</strong>ungen<br />

o<strong>der</strong> Fertigungsfehler, können mittels Rekonditionierung<br />

korrigiert werden (Bild 16). Die Spritzschichten<br />

müssen dabei vergleichbare mechanische,<br />

thermische und fertigungstechnische Eigenschaften<br />

wie das Substrat (Werkstück) aufweisen.<br />

Zur Anwendung kommen die Werkstoffe NiAl, NiCr<br />

und Tribaloy.


46 IMW - Institutsmitteilung Nr. 23 (1998)<br />

Bild 16: Maßkorrekturschicht aus Alum<strong>in</strong>imoxid<br />

und Titanoxid an den Dichtstegen e<strong>in</strong>er<br />

Verdichterwelle /7/<br />

Große Schichtdicken, aber nur ger<strong>in</strong>ge Festigkeit<br />

und Haftung, werden mit dem Flammspritzverfahren<br />

realisiert. Werden mittlere Haftfestigkeiten und<br />

nur mit speziellen Spritzwerkstoffen ausreichende<br />

Schichtdicken gefor<strong>der</strong>t, so empfiehlt sich das atmosphärische<br />

Plasmaspritzen. Mit dem Hochgeschw<strong>in</strong>digkeitsspritzen,<br />

das <strong>in</strong> jüngster Zeit zunehmend<br />

zum E<strong>in</strong>satz kommt, lassen sich häufig artgleiche<br />

Spritzwerkstoffe verwenden und große<br />

Schichtdicken wegen guter Haftung, bed<strong>in</strong>gt durch<br />

Druckeigenspannungen, erzielen /11/.<br />

/2/ Schoop, M. U.: Handbuch <strong>der</strong> Metallspritz-<br />

Technik, Rascher & Cie, AG Verlag, Zürich<br />

1935<br />

/3/ Voggenreiter, H.: Haftmechanismen beim<br />

thermischen <strong>Spritzen</strong>, SLV München, München<br />

1996<br />

/4/ <strong>Thermisches</strong> <strong>Spritzen</strong>, DIN EN 657, Juni<br />

1994<br />

/5/ Müller, N.: Grundlagen des Plasmabeschichtens,<br />

SLV München, München 1996<br />

/6/ He<strong>in</strong>rich, P.: <strong>Thermisches</strong> <strong>Spritzen</strong>, Fakten<br />

und Stand <strong>der</strong> Technik, Son<strong>der</strong>druck 10/92,<br />

L<strong>in</strong>de AG, Höllriegelskreuth 1992<br />

/7/ <strong>Thermisches</strong> <strong>Spritzen</strong>, MTU München, München<br />

1983<br />

/8/ Funktionelle Beschichtungen durch Plasmaspritzen,<br />

Plasma Technik AG, Wohlen<br />

1972<br />

/9/ Hibler, A.: Mechanisches Bearbeiten von<br />

thermischen Spritzschichten, DVS Berichte<br />

175, Düsseldorf 1996<br />

/10/ Thermisch gespritzte Bauteile, DIN 65144,<br />

April 1986<br />

/11/ Schweitzer, K.: Oberflächenbeanspruchung<br />

und geeignete Spritzwerkstoffe bei Fluggasturb<strong>in</strong>en,<br />

SLV München, München 1996<br />

/12/ Adam, P.: Wärmedämmschichten <strong>in</strong> Lufttriebwerken,<br />

MTU Focus, München 1989<br />

5 Zusammenfassung<br />

Der Hauptschwerpunkt thermisch gespritzer<br />

Schichten liegt nach wie vor <strong>in</strong> <strong>der</strong> Luftfahrt<strong>in</strong>dustrie<br />

(48%). Aber auch <strong>in</strong> an<strong>der</strong>en Industriezweigen gew<strong>in</strong>nt<br />

dieses Beschichtungsverfahren an Bedeutung,<br />

z.B. Kraftfahrzeug (5%), Chemie (10%) und<br />

Metallverarbeitung (21%). Dies begründet sich <strong>in</strong><br />

den ökonomischen und technischen Vorteilen, die<br />

von thermisch gespritzten Schichten ausgehen. Sie<br />

ermöglichen neben e<strong>in</strong>er hohen Wertschöpfung<br />

auch neue Produkt<strong>in</strong>novationen. Weitere <strong>in</strong>tensive<br />

Forschungen, z.B. thermische Spritzschichten auf<br />

Magnesium, werden <strong>der</strong> Industrie auch <strong>in</strong> <strong>der</strong> Zukunft<br />

neue Anwendungsbereiche eröffnen.<br />

6 Literatur<br />

/1/ Steffens, H.-D., Gramlich M.; Entwicklung<br />

und technische Nutzung thermischer Spritzverfahren,<br />

Jahrbuch Schweißtechnik ´97,<br />

Düsseldorf 1996

Hurra! Ihre Datei wurde hochgeladen und ist bereit für die Veröffentlichung.

Erfolgreich gespeichert!

Leider ist etwas schief gelaufen!