Parameterermittlung für Beschichtungsverfahren

Abstract

 Durch die kombinierte Messung der Partikelgeschwindigkeit, -temperatur, -intensität, Brennerspannung und deren Regelung in einem Toleranzbereich ist es möglich, die Schichtstruktur, die Schichtdicke und das Schichtgewicht trotz verschleißbedingter Schwankungen im Beschichtungsprozess konstant zu halten.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft einen Prozess der thermischen Beschichtung und deren Parameterentwicklung.
Thermische Spritzprozesse werden zur Herstellung von metallischen und keramischen Schichten eingesetzt, bei denen ein Material ganz oder zumindest teilweise aufschmilzt.

[0002] Das Material wird in eine Düse beispielsweise eines Plasmabrenners oder extern injiziert. Durch sehr hohe Plasmatemperaturen und den Pulvermaterialeinfluss verschleißt zumindest die Düse. Dies führt zu verschleißbedingten Schwankungen im Beschichtungsprozess, welche hauptsächlich durch einen Spannungsabfall am Brenner verursacht werden.

[0003] Bisher wurden diese Schwankungen durch Nachjustieren des Pulvermassenstroms ausgeglichen, um das gewünschte Schichtgewicht der Schaufel im Toleranzband zu halten.

[0004] Dies ist jedoch nicht optimal, da lediglich der spannungsabfallinduzierte Leistungsabfall am Brenner durch eine Erhöhung des Pulvermassenstroms kompensiert wird.

[0005] Es ist daher Aufgabe der Erfindung oben genanntes Problem zu lösen.

[0006] Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1.

[0007] In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Maßnahmen aufgelistet, die beliebig miteinander kombiniert werden können, um weitere Vorteile zu erzielen.

[0008] Es zeigen:

Figuren 1 - 3

Parameterverläufe aus dem Stand der Technik,

Figuren 4 - 9

erfindungsgemäße Parameterverläufe,

Figur 11

eine Düse,

Figuren 10 - 12

eine Temperaturverteilung,

Figur 13

eine Turbinenschaufel.

[0009] Die Beschreibung und die Figuren stellen nur Ausführungsbeispiele der Erfindung dar.

[0010] Beschichtungen werden durch thermische Beschichtungsprozesse wie SPPS, HVOF, APS, LPPS, VPS, ... aufgebracht. Dabei wird in einer Düse ein Plasma oder eine Flamme erzeugt, wobei durch die Düse oder am Ende der Düse ein Material einströmt.

[0011] Durch den Verschleiß an der Düse oder an der Beschichtungsvorrichtung verändern sich die Materialstromeigenschaften und damit auch der Aufschmelzgrad des Materials, insbesondere vom Pulver.

[0012] Figur 1 zeigt einen beispielhaften Verlauf der Spannung U_B zwischen der Düse 30 und einer Elektrode 36 (Fig. 11) nach dem Stand der Technik.
Die Spannung U_B zwischen der Düse 30 und der Elektrode fällt mit der Zeit t ab und geht dann in eine Sättigung über. Bei anderen Düsentypen ist auch ein kontinuierlicher Abfall der Spannung U_B über die Zeit t oder andere Verläufe möglich.

[0013] Dementsprechend ist der Verlauf der durchschnittlichen Temperaturen T und der durchschnittlichen Materialstromgeschwindigkeit v_p (nicht dargestellt) über die Zeit.

[0014] Als Auswirkung davon nimmt das Schichtgewicht m_c mit der Zeit ab (Figur 2) und/oder die Porosität p (Figur 3) nimmt zu.

[0015] Es werden daher erfindungsgemäß die Eigenschaften der Flamme oder des Plasmas und/oder des aufgeschmolzenen Materials, die bei der thermischen Beschichtung aus der Düse, insbesondere bei der Plasma-Beschichtung oder HVOF-Beschichtung austreten, ermittelt.

[0016] Dabei werden die Zielwerte Z1, Z2, Z3, wie insbesondere von Spannung U_B zwischen der Düse 30 und der Elektrode 36 oder der Leistung P an der Düse 30, Materialstromgeschwindigkeit v_p, die Temperatur T_p des Materialstroms 42, die Temperaturverteilung T(x,y) des Materialstroms 42 oder die Helligkeit H oder Helligkeitsverteilung H(x,y) der Partikel im Materialstrom 42 ermittelt.
Dies erfolgt durch Messgeräte, die über Pyrometrie oder CCD-Kameras quantitative Daten ermitteln.

[0017] Werden bei der Messung also Abweichungen festgestellt, so ist auf einen Verschleiß zu schließen und Regelgrößen R1, R2, R3 zur Veränderung der Zielgrößen Z1, Z2, Z3 werden entsprechend eingestellt, so dass wieder die gewünschten Zielwerte Z1, Z2, Z3 erreicht werden.

[0018] Die Regelung der Zielwerte erfolgt über die Anpassung von Regelgrößen (R1, R2, R3), hier vorzugsweise von Stromstärke I_B der Düse 30, der Flussraten der Primär- und/oder Sekundärgase an der Düse 30, durch welche sich die Zielparameter Z1, Z2, Z3 gezielt einstellen lassen.

[0019] Primärgase sind Argon (Ar) und/oder Helium (He), Sekundärgas ist z.B. Wasserstoff (H₂), die durch die Düse 30 strömen.

[0020] Es können ein, zwei oder drei Regelgrößen verwendet werden ausgehend von einem optimalen Sollzustand für Z1, Z2, Z3, für die hier verwendeten drei Regelgrößen R1, R2, R3.

[0021] Ausgehend von den optimalen Regelgrößen R1, R2, R3, bei denen die optimalen Zielgrößen Z1, Z2, Z3 eingehalten werden, werden vorab Parametersätze K1, K2, ... ermittelt, bei denen die Regelgrößen R1, R2, R3 gleichzeitig oder teilweise erhöht (> 1,0) oder erniedrigt (< 1,0) werden oder konstant (1,0) bleiben.

[0022] 1,0 stellt dabei für R1, R2, R3, ... einen nominierten Wert dar, nämlich der eingestellte Wert geteilt durch den optimalen Ausgangszustand von R1, R2, ...

[0023] Die Werte 1,1; 0,9 stellen dementsprechend eine entsprechende Erhöhung oder Erniedrigung von R1, R2, ... dar.

	R1	R2	R3
K1	1, 1	1, 1	1, 1
K2	1, 1	1,0	1,0
K3	1, 1	1,0	1, 1
K4	1, 1	1,0	0, 9
K5	0, 9	0,9	0, 9
K6	0, 9	1,1	1, 0
K7	...	...	...

[0024] Aufgrund dieser Erhöhungen und/oder Änderungen der Regelgrößen R1, R2, R3 werden dann die veränderten Werte der hier vorzugsweise drei verwendeten Zielgrößen Z₁, Z₂, Z₃ ermittelt:

	R1	R2	R3	Z1	Z2	Z3
K1	1, 1	1, 1	1, 1	1,2	0, 8	0, 8
K2	1, 1	1, 0	1, 0	1,2	1,2	1,2
K3	1, 1	1, 0	1, 1	1,2	1,2	1,2
K4	1, 1	1, 0	0, 9	1,2	1,2	1,2
K5	...	...	...	...	...	...

[0025] Die Werte 1,1; 0,9; 1,0 stellen dementsprechend eine entsprechende Erhöhung, Erniedrigung oder keine Veränderung der normierten optimalen Werte von Z1, Z2, ... dar.

[0026] Die Veränderungen der Zielgrößen Z1, Z2, Z3 hängen von der jeweiligen Düse 30 ab.

[0027] Ebenso ist es möglich, nur mit höheren (↑) und niedrigeren (↓) Werten für R1, R2, ... eine Datentabelle zu erfassen, d.h. keine gleichbleibende Werte (-) für die Regelgrößen.

	R1	R2	R3	Z1	Z2	Z3
K1	1, 1	1, 1	1, 1	1,2	0, 8	0, 8
K7	1, 1	1, 1	0, 8	1,2	1,2	1,3
K8	1, 1	0, 9	1, 1	1,2	1, 1	1, 1
K9	0, 9	1, 1	0, 9	1,2	1,2	1,2
K10	•	•	•	•	•	•

[0028] Ebenso ist es möglich, die höheren (1,0) oder niedrigeren (0.9) Werte von R1, R2, R3 unterschiedlich groß auszugestalten und die Auswirkung auf die Zielgrößen Z1, Z2, Z3 zu bestimmen:

K1: R2 hat prozentual größere Änderungen als R1, R3; K2: R1 hat prozentual größere Änderungen als R2, R3; K4: R3 kleiner als R1, R2.

	R1	R2	R3	Z1	Z2	Z3
K11	1, 1	1,2	1, 1	1, 1	0, 9	0, 9
K12	1,2	1, 1	1, 1	1, 1	1, 4	1,2
K13	1, 1	1, 1	1, 1	1, 1	1, 1	1, 1
K14	1, 1	1, 0	0, 8	1, 1	1, 1	1, 1
K15	-	-	-	-	-	-

[0029] Diese vorab ermittelten Parametersätze K1, ... werden dann später zur Regelung verwendet, wenn eine Abweichung bei Z1, Z2, Z3 auftritt.

[0030] Es wird bei einer Abweichung des Wertes von Z1, Z2, ... während der Beschichtung ermittelt, welche Kombination K1, K2, ... von Z1, Z2, Z3 der Abweichung am nächsten kommt, ggf. eine Bestfist-Anpassung durchgeführt und die Regelwerte R1, R2, R3 dieser so gefundenen Kombination K1, K2, ... werden dann für den weiteren Betrieb der Düse 30 und Elektrode 36 verwendet, um die Abweichungen zu kompensieren.

[0031] Durch diese Regelung bleiben die Schichtstruktur, die Schichtdicke und das Schichtgewicht m_c (Fig. 6) der Schaufel sowie Porosität p (Fig. 7) über die Zeit t konstant.

[0032] Durch die Regelung der Stromstärke I_B (Fig. 4) wird die die Leistung P relativ konstant gehalten (Fig. 5). Dies ist dann auch erkennbar an den konstanten Werten der Partikeltemperaturen und der Partikelgeschwindigkeiten V_p (nicht dargestellt).

[0033] Ebenso können die Flussraten ṁ_G von Argon ṁA_r (Fig. 8) sowie die von Wasserstoff ṁ_H2 (Fig. 9) an der Düse geregelt werden, um die gewünschten Ergebnisse zu erzielen, insbesondere für die Spannung U_B.

[0034] In Figur 12 ist eine Verteilung 36 der Temperatur T(x,y) oder der Helligkeitsverteilung H(x,y) dargestellt.
Hier ist die Helligkeitsverteilung H(x,y) oder Temperaturverteilung T(x,y) in Ausströmrichtung z (FIG 11) des Materialstroms 42 gezeigt.
Dabei gibt es den heißesten inneren Kern 39' und weiter außen gelegene Bereiche 39", 39"', die weniger heiß sind. Die Darstellung von mehreren Bereichen ist hier nur schematisch eines kontinuierlichen Abfalls oder Veränderung.

[0035] H(x,y) ist proportional dem Produkt der Anzahl n der Partikel M_xy an der Stelle (x,y) und der Temperatur T der Partikel M_xy in dem Messbereich um den Punkt (x, y) : (H(x,y ~ n M_xy T_Mxy). H(x,y) hängt auch vom Abstand zur Düse 30 (entlang z-Richtung).
Dieses Messergebnis kann zur Regelung verwendet werden. Dabei wird entweder ein bildhafter Vergleich zwischen zwei Bildern angestellt und es werden Abweichungen ermittelt oder es wird ein integraler Wert R einer Fläche ∫H(x,y)dxdy, ST(x,y)dxdy über den Querschnitt gemäß Figur 12 ermittelt und es ergibt sich ein einzelner integraler Helligkeitswert oder Temperaturwert R, der dann zu verschiedenen Zeiten immer wieder ermittelt wird und wenn Abweichungen in diesem Integralwert R festgestellt werden, tritt ebenfalls eine Regelung ein. Dieser integrale, singuläre R Wert stellt dann auch eine Regelgröße Z dar.

[0036] Die Materialflussrate ṁ_M des Materialstroms wird dabei vorzugsweise nicht verändert.

[0037] Figur 11 zeigt eine Düse 30, bei der als Primärgas Argon (Ar), Helium und/oder als Sekundärgas Wasserstoff (H2) an einem Ende 31 eingeleitet werden und am anderen Ende 33 Material (M) hinzugeführt wird.

[0038] Durch das Anlegen der Spannung U_B an die Elektrode 36 wird durch einen hochenergetischen Lichtbogen ein Plasma erzeugt, das die Gase und Plasmaflamme bildet.

[0039] Die Figur 13 zeigt in perspektivischer Ansicht eine Laufschaufel 120 oder Leitschaufel 130 einer Strömungsmaschine, die sich entlang einer Längsachse 121 erstreckt.
Die Strömungsmaschine kann eine Gasturbine eines Flugzeugs oder eines Kraftwerks zur Elektrizitätserzeugung, eine Dampfturbine oder ein Kompressor sein.

[0040] Die Schaufel 120, 130 weist entlang der Längsachse 121 aufeinander folgend einen Befestigungsbereich 400, eine daran angrenzende Schaufelplattform 403 sowie ein Schaufelblatt 406 und eine Schaufelspitze 415 auf.
Als Leitschaufel 130 kann die Schaufel 130 an ihrer Schaufelspitze 415 eine weitere Plattform aufweisen (nicht dargestellt).

[0041] Im Befestigungsbereich 400 ist ein Schaufelfuß 183 gebildet, der zur Befestigung der Laufschaufeln 120, 130 an einer Welle oder einer Scheibe dient (nicht dargestellt).

[0042] Der Schaufelfuß 183 ist beispielsweise als Hammerkopf ausgestaltet. Andere Ausgestaltungen als Tannenbaum- oder Schwalbenschwanzfuß sind möglich.
Die Schaufel 120, 130 weist für ein Medium, das an dem Schaufelblatt 406 vorbeiströmt, eine Anströmkante 409 und eine Abströmkante 412 auf.

[0043] Bei herkömmlichen Schaufeln 120, 130 werden in allen Bereichen 400, 403, 406 der Schaufel 120, 130 beispielsweise massive metallische Werkstoffe, insbesondere Superlegierungen verwendet.
Solche Superlegierungen sind beispielsweise aus der EP 1 204 776 B1, EP 1 306 454, EP 1 319 729 A1, WO 99/67435 oder WO 00/44949 bekannt.
Die Schaufel 120, 130 kann hierbei durch ein Gussverfahren, auch mittels gerichteter Erstarrung, durch ein Schmiedeverfahren, durch ein Fräsverfahren oder Kombinationen daraus gefertigt sein.

[0044] Werkstücke mit einkristalliner Struktur oder Strukturen werden als Bauteile für Maschinen eingesetzt, die im Betrieb hohen mechanischen, thermischen und/oder chemischen Belastungen ausgesetzt sind.
Die Fertigung von derartigen einkristallinen Werkstücken erfolgt z.B. durch gerichtetes Erstarren aus der Schmelze. Es handelt sich dabei um Gießverfahren, bei denen die flüssige metallische Legierung zur einkristallinen Struktur, d.h. zum einkristallinen Werkstück, oder gerichtet erstarrt.
Dabei werden dendritische Kristalle entlang dem Wärmefluss ausgerichtet und bilden entweder eine stängelkristalline Kornstruktur (kolumnar, d.h. Körner, die über die ganze Länge des Werkstückes verlaufen und hier, dem allgemeinen Sprachgebrauch nach, als gerichtet erstarrt bezeichnet werden) oder eine einkristalline Struktur, d.h. das ganze Werkstück besteht aus einem einzigen Kristall. In diesen Verfahren muss man den Übergang zur globulitischen (polykristallinen) Erstarrung meiden, da sich durch ungerichtetes Wachstum notwendigerweise transversale und longitudinale Korngrenzen ausbilden, welche die guten Eigenschaften des gerichtet erstarrten oder einkristallinen Bauteiles zunichte machen.
Ist allgemein von gerichtet erstarrten Gefügen die Rede, so sind damit sowohl Einkristalle gemeint, die keine Korngrenzen oder höchstens Kleinwinkelkorngrenzen aufweisen, als auch Stängelkristallstrukturen, die wohl in longitudinaler Richtung verlaufende Korngrenzen, aber keine transversalen Korngrenzen aufweisen. Bei diesen zweitgenannten kristallinen Strukturen spricht man auch von gerichtet erstarrten Gefügen (directionally solidified structures).
Solche Verfahren sind aus der US-PS 6,024,792 und der EP 0 892 090 A1 bekannt.

[0045] Ebenso können die Schaufeln 120, 130 Beschichtungen gegen Korrosion oder Oxidation aufweisen, z. B. (MCrAlX; M ist zumindest ein Element der Gruppe Eisen (Fe), Kobalt (Co), Nickel (Ni), X ist ein Aktivelement und steht für Yttrium (Y) und/oder Silizium und/oder zumindest ein Element der Seltenen Erden, bzw. Hafnium (Hf)). Solche Legierungen sind bekannt aus der EP 0 486 489 B1, EP 0 786 017 B1, EP 0 412 397 B1 oder EP 1 306 454 A1.
Die Dichte liegt vorzugsweise bei 95% der theoretischen Dichte.
Auf der MCrAlX-Schicht (als Zwischenschicht oder als äußerste Schicht) bildet sich eine schützende Aluminiumoxidschicht (TGO = thermal grown oxide layer).

[0046] Vorzugsweise weist die Schichtzusammensetzung Co-30Ni-28Cr-8A1-0,6Y-0,7Si oder Co-28Ni-24Cr-10Al-0,6Y auf. Neben diesen kobaltbasierten Schutzbeschichtungen werden auch vorzugsweise nickelbasierte Schutzschichten verwendet wie Ni-10Cr-12Al-0,6Y-3Re oder Ni-12Co-21Cr-11Al-0,4Y-2Re oder Ni-25Co-17Cr-10A1-0,4Y-1,5Re.

[0047] Auf der MCrAlX kann noch eine Wärmedämmschicht vorhanden sein, die vorzugsweise die äußerste Schicht ist, und besteht beispielsweise aus ZrO₂, Y₂O₃-ZrO₂, d.h. sie ist nicht, teilweise oder vollständig stabilisiert durch Yttriumoxid und/oder Kalziumoxid und/oder Magnesiumoxid.
Die Wärmedämmschicht bedeckt die gesamte MCrAlX-Schicht. Durch geeignete Beschichtungsverfahren wie z.B. Elektronenstrahlverdampfen (EB-PVD) werden stängelförmige Körner in der Wärmedämmschicht erzeugt.
Andere Beschichtungsverfahren sind denkbar, z.B. atmosphärisches Plasmaspritzen (APS), LPPS, VPS oder CVD. Die Wärmedämmschicht kann poröse, mikro- oder makrorissbehaftete Körner zur besseren Thermoschockbeständigkeit aufweisen. Die Wärmedämmschicht ist also vorzugsweise poröser als die MCrAlX-Schicht.

[0048] Wiederaufarbeitung (Refurbishment) bedeutet, dass Bauteile 120, 130 nach ihrem Einsatz gegebenenfalls von Schutzschichten befreit werden müssen (z.B. durch Sandstrahlen). Danach erfolgt eine Entfernung der Korrosions- und/oder Oxidationsschichten bzw. -produkte. Gegebenenfalls werden auch noch Risse im Bauteil 120, 130 repariert. Danach erfolgt eine Wiederbeschichtung des Bauteils 120, 130 und ein erneuter Einsatz des Bauteils 120, 130.

[0049] Die Schaufel 120, 130 kann hohl oder massiv ausgeführt sein. Wenn die Schaufel 120, 130 gekühlt werden soll, ist sie hohl und weist ggf. noch Filmkühllöcher 418 (gestrichelt angedeutet) auf.

Ansprüche

1. Verfahren zur thermischen Beschichtung mittels eines Materialstroms (42) mittels einer Düse (30),
insbesondere mittels eines Pulverstroms,
bei dem ein Material (11) des Materialstroms (42) erwärmt, angeschmolzen und/oder aufgeschmolzen wird,
insbesondere mittels eines Plasmas oder einer Flamme,
bei dem zumindest eine Zielgrößen (Z₁, Z₂, Z₃, ...), insbesondere
Materialstromgeschwindigkeit (v_p) des Materialstroms (42) und/oder
Helligkeitsverteilungen (H(x,y); ∫H(x,y)dxdy) des Materialstroms (42)
und/oder
Temperaturverteilung (T(x,y); ∫T(x,y)dxdy)
und/oder
Spannung (U_B) zwischen einer Elektrode (36) und der Düse (30),
aus der (30) das Material (11) austritt oder am Ende der Düse (30) eingespritzt wird,
und/oder
die Leistung (P) der Düse (30)
gemessen und geregelt werden,
und bei dem vor der Beschichtung ausgehend von einem und/oder mehreren optimalen Anfangswerten von Regelgrößen (R1, R2, R3),
bei dem die gewünschten optimalen Zielgrößen (Z1, Z2, Z3) erreicht und/oder eingehalten werden,
Parametersätze (K1, K2, K3, ...) für verschiedene Konstellationen wie höhere, tiefere, konstante Regelgrößen (R1, R2, R3) eingestellt werden und
die Veränderungen der Zielgrößen (Z1, Z2, Z3) ermittelt werden,
die dann später zur Regelung der Zielgrößen (Z1, Z2, Z3) bei der Beschichtung verwendet werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1,
bei dem bei einer Abweichung zumindest einer der Zielgrößen (Z1, Z2, Z3) ein Best-Fit mit den vorab ermittelten Veränderungen von Zielgrößen (Z1, Z2, Z3) der Parametersätze (K1, K2, K3, ...) durchgeführt wird und
die dazu gehörigen Regelgrößen (R1, R2, R3) dann zur Regelung eingesetzt werden.

3. Verfahren nach einem oder beiden der Ansprüche 1 oder 2, bei dem als Regelgröße (R1, R2, R3) die Stromstärke (I_B) und/oder die Leistung (P) erhöht oder gesenkt wird.

4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2 oder 3,
bei dem als Regelgröße (R1, R2, R3) die Gasflussrate (ṁ_Ar, ṁ_H2) der Primärgase (Argon, Helium)
und/oder
der Sekundärgase (Wasserstoff, ...)
der Düse (30) erhöht oder gesenkt werden
um die Materialstromgeschwindigkeit (v_p)

5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4,
bei dem die Materialflussrate (ṁ_m) während der Beschichtung nicht verändert wird.

Zeichnung