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1. (WO2014114597) GEREGELTE THERMISCHE BESCHICHTUNG
Anmerkung: Text basiert auf automatischer optischer Zeichenerkennung (OCR). Verwenden Sie bitte aus rechtlichen Gründen die PDF-Version.

Geregelte thermische Beschicht

Die Erfindung betrifft einen Prozess der thermischen Be-schichtung .

Thermische Spritzprozesse werden zur Herstellung von metallischen und keramischen Schichten eingesetzt, bei denen ein Material ganz oder zumindest teilweise aufschmilzt.

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.

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

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

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

Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1.

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

Es zeigen:

Figuren 1 Parameterverläufe aus dem Stand der Technik, Figuren 4
erfindungsgemäße Parameterverläufe,

Figur 10 eine Düse,

Figuren 11, 12 eine Temperaturverteilung,

Figur 13 eine Turbinenschaufel.

Die Beschreibung und die Figuren stellen nur Ausführungsbei-spiele der Erfindung dar.

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.

Durch den Verschleiß an der Düse oder an der Beschichtungs-vorrichtung verändern sich die Materialstromeigenschaften und damit auch der Aufschmelzgrad des Materials, insbesondere vom Pulver .

Figur 1 zeigt einen beispielhaften Verlauf der Spannung UB zwischen der Düse 30 und einer Elektrode 36 (Fig. 10) nach dem Stand der Technik.

Die Spannung UB 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 UB über die Zeit t oder andere Verläufe möglich.

Dementsprechend ist der Verlauf der durchschnittlichen Temperaturen T und der durchschnittlichen Materialstromgeschwindigkeit vp (nicht dargestellt) über die Zeit.

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

Es werden daher erfindungsgemäß die Eigenschaften der Flamme oder des Plasmas und/oder des aufgeschmolzenen Materials, die bei der thermischen Beschichtung aus der Düse 30, insbesondere bei der Plasma-Beschichtung oder HVOF-Beschichtung austreten, ermittelt.

Dabei werden Zielwerte ZI, Z2, Z3, wie insbesondere von Spannung UB zwischen der Düse 30 und der Elektrode 36 oder der Leistung P an der Düse 30, Materialstromgeschwindigkeit vp, die Temperatur Tp des Materialstroms 42 und/oder eine Hellig-keitsverteilung H (x,y) oder Temperaturverteilung T(x,y) mit H = Lichtstärke oder Strahlungsleistung der Partikel Mxy im Materialstrom 42 ermittelt.

Dies erfolgt durch Messgeräte, die über Pyrometrie oder CCD-Kameras quantitative Daten ermitteln.

Werden bei der Messung also Abweichungen festgestellt, so ist auf einen Verschleiß zu schließen und Parameter Rl, R2, R3 zur Veränderung der Zielgrößen ZI, Z2, Z3 werden entsprechend eingestellt, so dass wieder die gewünschten Zielwerte von ZI, Z2, Z3 erreicht werden.

Die Regelung der Zielwerte (ZI, Z2, Z3) erfolgt über die Anpassung der Regelgrößen (Rl, R2, R3) , hier von Stromstärke IB der Düse 30, der Flussraten der Primär- und/oder Sekundärgase in H2, in Ar an der Düse 30, durch welche sich die Zielparameter ZI, Z2, Z3 gezielt einstellen lassen.

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

Es können ein, zwei oder drei Regelgrößen verwendet werden ausgehend von einem optimalen Sollzustand für ZI, Z2, Z3, für die hier verwendeten drei Regelgrößen Rl, R2, R3.

Ausgehend von den Regelgrößen Rl, R2, R3, bei denen die Zielgrößen ZI, Z2, Z3 eingehalten werden, werden vorab Parametersätze Kl, K2, ... ermittelt, bei denen die Regelgrößen Rl, R2, R3 gleichzeitig oder teilweise erhöht (> 1,0) oder erniedrigt (< 1,0) werden oder konstant (1,0) bleiben.

1,0 stellt dabei für Rl, R2, R3, ... einen nominierten Wert dar, nämlich der eingestellte Wert geteilt durch den Ausgangszustand von Rl, R2, ....

Die Werte 1,1; 0,9 stellen dementsprechend eine entsprechende Erhöhung oder Erniedrigung von Rl, R2, ... dar.

Aufgrund dieser Erhöhungen und/oder Änderungen der Regelgrößen Rl, R2, R3 werden dann die veränderten Werte der hier vorzugsweise drei verwendeten Zielgrößen Zi, Z2, Z3 ermittelt

Die Werte 1,1; 0,9; 1,0 stellen dementsprechend eine entspre- chende Erhöhung, Erniedrigung oder keine Veränderung der normierten Werte von ZI, Z2, ... dar.

Die Veränderungen der Zielgrößen ZI, Z2, Z3, hier Partikeltemperatur TP, Spannung UB, Leistung P, Partikelgeschwindig- keit, hängen von der jeweiligen Düse 30 ab.

Ebenso ist es möglich, nur mit höheren (†) und niedrigeren ( I ) Werten für Rl, R2, ... eine Datentabelle zu erfassen, d.h. keine gleichbleibende Werte (-) für die Regelgrößen.

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

Kl: R2 hat prozentual größere Änderungen als Rl, R3; K2 : Rl hat prozentual größere Änderungen als R2, R3; K4 : R3 kleiner als Rl, R2.

Diese vorab ermittelten Parametersätze Kl, ... werden dann zur Regelung verwendet, wenn eine Abweichung bei ZI, Z2, Z3 auftritt .

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

Durch diese Regelung bleiben die Schichtstruktur, die

Schichtdicke und das Schichtgewicht mc (Fig. 6) der Schaufel sowie Porosität p (Fig. 7) über die Zeit t konstant.

Durch die Regelung der Stromstärke IB (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 Vp (nicht dargestellt) .

Figur 10 zeigt eine Düse 30, bei der als Primärgas Argon

(Ar), Helium (He) und/oder als Sekundärgas Wasserstoff (H2) an einem Düsenende 31 eingeleitet werden und am anderen Ende 33 Material (Mx,y) hinzugeführt wird.

Durch das Anlegen der Spannung UB zwischen der Elektrode 36 und der Düse 30 wird durch einen hochenergetischen Lichtbogen ein Plasma erzeugt, das die Plasmaflamme bildet.

Ebenso können die Gas-Flussraten m G von Argon m Ar (Fig. 8) sowie die von Wasserstoff m H2 (Fig. 9) an der Düse 30 geregelt werden, um die gewünschten Ergebnisse zu erzielen, insbesondere für die Spannung UB.

In Figur 11 ist eine Verteilung 36 der Temperatur T(x,y) oder der Helligkeit H(x,y) in Ausströmrichtung z des Materialstroms 42 dargestellt.

Dabei gibt es einen heißesten inneren Kern 39' und weiter außen gelegene Bereiche 39' ' , 39' ' ' , die weniger heiß sind. Das Vorhandensein von mehreren Bereichen 39' , 39' ' , 39' ' ' ist hier nur schematisch bzgl. eines kontinuierlichen Abfalls oder Veränderung der Temperatur oder Helligkeit.

Figur 12 ist eine seitliche Ansicht auf den Materialstrom 42 und dessen Helligkeitsverteilung H(x,y) oder dessen Temperaturverteilung T(x,y).

Bei dieser seitlichen Aufsicht werden die Helligkeitswerte in x-Richtung für eine y Position aufsummiert.

Die Helligkeit H(x,y) wird bestimmt durch alle Partikel Mxy entlang der x-Richtung für eine Stelle y und der Temperatur T der Partikel Mxy, da nicht nur die äußeren Partikeln im Bereich 39' ' ' strahlen, sondern auch die inneren Partikel im Bereich 39' nach außen abstrahlen und erfasst werden.

Die Temperatur T(x,y) wird eher nur durch die äußeren Partikel im Bereich 39''' bestimmt.

Es kann auch ein integraler Wert R einer Fläche |H(x,y) dxdy

über die Aufsicht gemäß Figur 11 oder Figur 12 ermittelt werden und es ergibt sich ein einzelner integraler Helligkeitswert R.

Dieser Wert R kann zur Regelung verwendet werden.

Wenn Abweichungen in diesem Integralwert R festgestellt werden, tritt eine Regelung ein.

Ebenso kann ein integraler Temperaturwert R = | T(x,y) dxdy über

den Querschnitt gemäß Figur 12 oder Figur 11 für die Regelung ermittelt werden.

Dieser integrale, singuläre Wert R stellt dann auch eine Regelgröße Z dar.

Ebenso kann ein bildhafter Vergleich zu verschiedenen Zeiten zwischen zwei Bildern der Figuren 11, 12 für die Temperaturverteilung T(x,y) oder Helligkeitsverteilung H(x,y) angestellt und Abweichungen ermittelt werden.

Wenn Abweichungen festgestellt werden, tritt ebenfalls eine Regelung ein.

Die Materialflussrate m M des Materialstroms wird bei der Regelung dabei vorzugsweise nicht verändert.

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.

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) .

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

Der Schaufelfuß 183 ist beispielsweise als Hammerkopf ausge-staltet. 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.

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 Bl, EP 1 306 454, EP 1 319 729 AI, 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.

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 ausbil-den, 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 AI bekannt.

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 Bl, EP 0 786 017 Bl, EP 0 412 397 Bl oder EP 1 306 454 AI.

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) .

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-llAl-0, 4Y-2Re oder Ni-25Co-17Cr-10A1-0, 4Y-1, 5Re .

Auf der MCrAlX kann noch eine Wärmedämmschicht vorhanden sein, die vorzugsweise die äußerste Schicht ist, und besteht beispielsweise aus Zr02, Y2Ü3-Zr02, d.h. sie ist nicht, teil-weise oder vollständig stabilisiert durch Yttriumoxid

und/oder Kalziumoxid und/oder Magnesiumoxid.

Die Wärmedämmschicht bedeckt die gesamte MCrAlX-Schicht.

Durch geeignete Beschichtungsverfahren wie z.B. Elektronen-strahlverdampfen (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 .

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 Oxidations-schichten 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.

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.