DE102004056158B3 - Verfahren zum Überwachen eines elektrochemischen Behandlungsprozesses und für dieses Verfahren geeignete Elektrodenanordnung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Gegenelektrodenanordnung (14), die z. B. beim Beschichten und Entschichten von Turbinenschaufeln verwendet werden kann, und ein Verfahren zu deren Betrieb. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Gegenelektrodenanordnung eine Referenzelektrodenanordnung aufweist, die elektrisch isolierend über Kontaktstücke (17) mit der Gegenelektrode (15), die beispielsweise gitterförmig ausgebildet sein kann, verbunden ist. Durch Anpassung der Referenzelektrodenanordnung, die Einzelelektroden (18) aufweist, an eine zu behandelnde Oberfläche, wird damit bei dem Behandlungsprozess ein ausgeglichenes Potential über der zu behandelnden Oberfläche erzeugt. In einem Verfahren zum Betrieb der Gegenelektrodenanordnung kann diese in einem ersten Schritt zur Erzeugung eines ausgeglichenen Potentials mit einem Messstrom beaufschlagt werden, wobei die Einzelelektroden (18) der Referenzelektrodenanordnung einzeln kontaktiert werden, um das jeweilige lokale Potential an der Oberfläche des zu behandelnden Bauteils zu bestimmen. Dabei kann die Gegenelektrode so eingestellt werden, dass an den Einzelelektroden ein ausgeglichenes Potential herrscht. In der folgenden Behandlung des Werkstückes werden die Einzelelektroden parallel zusammengeschaltet und als Referenzelektrode zur Einhaltung eines geforderten Behandlungspotentials verwendet. Durch die vorhergehende Ausrichtung ist dieses Potential während des Behandlungsprozesses über der Behandlungsoberfläche des Werkstückes ...

Description

• Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Überwachen eines elektrochemischen Behandlungsprozesses für ein die Arbeitselektrode bildendes Werkstück, bei dem ein vorgegebenes Potential zwischen der Arbeitselektrode und einer Gegenelektrodenanordnung unter Einsatz einer Referenzelektrodenanordnung eingehalten wird.
• Derartige Verfahren sind allgemein bekannt. Beispielsweise ist gemäß der EP 639 769 A2 ein Verfahren offenbart, bei dem ein definiertes Potential zwischen einer Arbeitselektrode und einer Gegenelektrode angelegt werden kann, wobei dieses Potential während des elektrochemischen Behandlungsprozesses mittels einer Referenzelektrode eingehalten wird. Zu diesem Zweck sind die Arbeitselektrode, die Gegenelektrode und die Referenzelektrode an einen Potentiostaten angeschlossen.
• Die Aufgabe der Erfindung liegt darin, ein Verfahren zum Überwachen eines elektrochemischen Behandlungsprozesses anzugeben, mit dessen Hilfe sich dieser Behandlungsprozess bezogen auf das angestrebte Behandlungsergebnis vergleichsweise genau steuern lässt.
• Diese Aufgabe wird mit dem eingangs genannten Verfahren erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Referenzelektrodenanordnung mehrere Einzelelektroden aufweist, die an mehreren Stellen berührungsfrei an die zu behandelnde Oberfläche des Werkstücks herangeführt werden. Durch den Einsatz einer Refe renzelektrodenanordnung mit mehreren Einzelelektroden wird vorteilhaft sichergestellt, dass bezüglich der Einstellung des vorgegebenen Potentials eine bezüglich der Werkstückoberfläche ortsaufgelöste Messung erfolgen kann. Die durch die Einzelelektroden erzeugten Messwerte können dann bei der Einstellung des vorgegebenen Potentials berücksichtigt werden. Dabei können die Messergebnisse der Einzelelektroden getrennt voneinander berücksichtigt werden, oder es ist eine gemeinsame Berücksichtigung möglich. Die mittels der Referenzelektrodenanordnung ermittelten Messwerte können weiterhin dazu benutzt werden, das elektrochemische Zusammenwirken des Werkstückes mit der Gegenelektrodenanordnung zu optimieren. Hierbei können beispielsweise Abstände oder auch die Formgebung der Gegenelektrodenanordnung modifiziert werden, um beispielsweise nicht planaren Werkstückgeometrien hinsichtlich eines einheitlichen elektrochemischen Behandlungsergebnisses gerecht zu werden.
• Als elektrochemische Behandlungsprozesse im Sinne der Erfindung sind alle elektrochemischen Verfahren zu verstehen. Dabei kann es sich beispielsweise um die elektrochemische Abscheidung von Schichten, um die elektrochemische Auflösung von Schichten (Entschichten oder Strippen), um das elektrochemische Polieren (Oberflächenbearbeitung) oder auch um eine elektrochemische Formgebung (z. B. Bohren) handeln.
• Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass vor der elektrochemischen Behandlung an das Werkstück und an die Gegenelektrodenanordnung eine Spannung angelegt wird, die einen im Vergleich zum Behandlungsprozessstrom geringen Messstrom erzeugt, und an den einzelnen oder in mehreren Gruppen zusammengefassten Einzelelektroden der Referenzelektrodenanordnung jeweils Vergleichspotentiale ermittelt werden. Das erzeugte Messergebnis lässt sich damit in der oben angegebenen Weise hinsichtlich des Ortes an der Oberfläche des zu behandelnden Bauteils auflösen. Da nur ein geringer Messstrom verwendet wird, wird das Messergebnis durch die normalerweise bei der elektrochemischen Behandlung ablaufenden Prozesse nur wenig beeinflusst. Daher kann das erzeugte Messergebnis beispielsweise für eine exakte Positionierung der Gegenelektrode bei komplexen Werkstückgeometrien genutzt werden. Weiterhin können Regionen des Werkstückes erkannt werden, die für die Durchführung des elektrochemischen Behandlungsprozesses evtl. problematisch sind. Diese können beispielsweise durch eine Anpassung der Geometrie der Gegenelektrodenanordnung berücksichtigt werden (z. B. Maßnahmen zur Veränderung des lokalen prozessbedingten Stromdichte Prozessstromes an diesen Stellen). In unproblematischen Bereichen des Werkstückes können die Einzelelektroden der Referenzelektrodenanordnung auch zu einer Gruppe elektrisch zusammengefasst werden, so dass diese einen gemeinsamen Messwert erzeugen.
• Um insbesondere eine gleichmäßige elektrochemische Behandlung der Werkstückoberfläche zu erzielen, kann die Referenzelektrodenanordnung dazu genutzt werden, dass die Gegenelektrodenanordnung derart zum Werkstück angeordnet wird, dass die Vergleichpotentiale der jeweiligen Einzelelektroden möglichst ausgeglichen sind. Wird anschließend der elektrochemische Behandlungsprozess gestartet, so wird bei einer derart ausgerichteten Gegenelektrodenanordnung über der Oberfläche des Werkstückes eine vergleichsweise ausgeglichene Stromdichte erreicht, wodurch vorteilhaft ein gleichmäßiges Behandlungsergebnis erzielt werden kann.
• Weiterhin kann das erfindungsgemäße Verfahren dazu genutzt werden, dass an das Werkstück und an die Gegenelektrodenan ordnung das für den Behandlungsprozess vorgegebene Potential angelegt wird, wobei zur Überwachung des Potentials die Referenzelektroden elektrisch parallel geschaltet werden. Die Referenzelektrodenanordnung dient dabei in bekannter Weise zur Einhaltung der für den Behandlungsprozess geforderten Potentialverhältnisse und kann zu diesem Zwecke z. B. an einen Potentiostaten angeschlossen werden. Die parallel geschalteten Einzelelektroden der Referenzelektrodenanordnung verhalten sich wie parallel geschaltete Widerstände, so dass an ihnen jeweils das gleiche Potential anliegt.
• Weiterhin betrifft die Erfindung eine Gegenelektrodenanordnung für die elektrochemische Behandlung von Werkstücken, bei denen die Werkstücke die Arbeitselektrode bilden.
• Eine derartige Gegenelektrodenanordnung ist beispielsweise aus der EP 1 094 134 A1 bekannt. Diese Gegenelektrodenanordnung besteht aus zwei Elektrodenplatten, die von beiden Seiten an eine zu entschichtende Turbinenschaufel herangeführt werden können. Die Elektrodenplatten können dabei entsprechend des Profils der Turbinenschaufel gestaltete Oberflächen aufweisen. Dadurch lässt sich ein konstanter Abstand der Elektrodenplatten von der zu entschichtenden Oberfläche der Turbinenschaufel einhalten.
• Aufgabe der Erfindung ist es, eine Gegenelektrodenanordnung für elektrochemische Behandlungsprozesse anzugeben, mit der eine Positionierung der Gegenelektrodenanordnung gegenüber einem zu behandelnden Werkstück auf einfache Weise erfolgen kann.
• Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit der erwähnten Gegenelektrodenanordnung dadurch gelöst, dass mit der Gegenelekt rodenanordnung eine Referenzelektrodenanordnung mechanisch verbunden ist, wobei die Verbindung als elektrische Isolation zwischen der Gegenelektrodenanordnung und der Referenzelektrodenanordnung ausgeführt ist und die Referenzelektrodenanordnung aus mehreren Einzelelektroden ausgebildet ist, mit Elektrodenspitzen, die innerhalb eines für die Werkstücke vorgesehenen Behandlungsbereiches bewegbar sind. Durch die Ausbildung der Referenzelektrodenanordnungen mit mehreren Einzelelektroden, die Elektrodenspitzen aufweisen, kann bei der Ausrichtung der Gegenelektrodenanordnung gegenüber dem zu behandelnden Werkstück vorteilhaft eine einfache Ausrichtung der Gegenelektrodenanordnung erfolgen, da zum Erreichen eines für eine gleichmäßige Behandlung erforderlichen Arbeitspotentials zwischen Gegenelektrodenanordnung und Werkstück ein Vergleichspotential mittels der Referenzelektrodenanordnung mit einer Ortsauflösung über die Oberfläche des Werkstückes ermittelt werden kann. Das hierzu notwendige Verfahren ist bereits erläutert worden. Durch die mechanische Kopplung zwischen Gegenelektrodenanordnung und Referenzelektrodenanordnung sind zwischen den beiden Elektrodenanordnungen vorteilhaft genaue geometrische Verhältnisse definiert, so dass eine Ausrichtung der Referenzelektrodenanordnung automatisch zu einer Ausrichtung der Gegenelektrodenanordnung führt.
• Die Verbindungsstellen zwischen Gegenelektrodenanordnung und Referenzelektrodenanordnung müssen elektrisch isoliert sein, damit die beiden Elektrodensysteme unabhängig voneinander betrieben werden können. Diese elektrisch isolierende Verbindung kann bevorzugt aus elektrisch isolierenden Verbindungsstücken bestehen. Diese können beispielsweise in der Gegenelektrodenanordnung befestigt sein und gleichzeitig eine Führung für die Einzelelektroden der Referenzelektrodenanordnung verwirklichen.
• Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Gegenelektrodenanordnung ist vorgesehen, dass die Gegenelektrode der Gegenelektrodenanordnung flächig ausgebildet ist und innerhalb des Behandlungsbereiches formbar ist. Die Gegenelektrode kann beispielsweise als flexibles Gitter ausgeführt sein. Damit lässt sich die verformbare Gegenelektrodenanordnung optimal an die Geometrie des zu behandelnden Werkstückes anpassen. Dabei lässt die Verformbarkeit eine Anpassung innerhalb eines durch die Grenzen der Verformbarkeit definierten Behandlungsbereiches zu. Damit lassen sich Werkstücke gleichmäßig behandeln, sofern deren zu behandelnde Oberfläche innerhalb des Behandlungsbereiches liegt.
• Die Einzelelektroden der Gegenelektrodenanordnung können vorteilhaft stabförmig ausgebildet sein und in der Gegenelektrode axial fixiert sein. Die Fixierung kann bevorzugt mit den bereits beschriebenen Verbindungsstücken erfolgen. Durch eine axiale Verschiebbarkeit der Einzelelektroden ist es möglich, die Elektrodenspitzen mit einem geringeren Abstand als dem Abstand zwischen der Gegenelektrodenanordnung und der Werkstückoberfläche zur Oberfläche des Werkstückes zu positionieren. Dies ist insbesondere für die Messwertgenerierung bei der Durchführung des elektrochemischen Behandlungsverfahrens von Vorteil.
• Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die Einzelelektroden in einem Elektrodenträger axial verschiebbar gehalten sind. Hierdurch lassen sich die Elektrodenspitzen an die Kontur des zu behandelnden Werkstückes anpassen, so dass ein gleichmäßiger Abstand zwischen den Elektrodenspitzen und der Werkstückoberfläche entsteht. Wenn die verformbare, flächige Gegenelektrode fest an den stabförmigen Einzelelektroden befestigt ist, lässt sich durch Verschieben der Einzelelektroden gleichzeitig die Anpassung der Gegenelektrode an die Kontur des zu behandelnden Werkstückes vornehmen. Dabei kommt den Einzelelektroden vorteilhaft zusätzlich eine Stützfunktion der Gegenelektrodenanordnung zu.
• Weitere Einzelheiten der Erfindung werden im Folgenden anhand der Zeichnung beschrieben. Dabei sind in den Figuren gleiche oder sich entsprechende Elemente mit jeweils den gleichen Bezugszeichen versehen, wobei diese nur insoweit mehrfach erläutert werden, wie sich Unterschiede zwischen den einzelnen Figuren ergeben. Es zeigen
• 1 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Gegenelektrodenanordnung in einem elektrochemischen Behandlungsbad zur Durchführung von Ausführungsbeispielen des erfindungsgemäßen Verfahrens und
• 2 den Aufbau eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Gegenelektrodenanordnung als Ausschnitt.
• In einem Behälter 11 ist ein elektrochemisches Behandlungsbad 12 eingefüllt. Weiterhin sind in dem Behandlungsbad ein Werkstück 13 (beispielsweise die Schaufel einer Gasturbine, nicht dargestellt) und eine Gegenelektrodenanordnung 14 fixiert. Die Gegenelektrodenanordnung besteht aus einer flexiblen, gitterförmigen Gegenelektrode 15 und einer Kontaktierung 16. Weiterhin sind Verbindungsstücke 17 in dem Gitter fixiert, in denen stabförmige Einzelelektroden 18 elektrisch isolierend gehalten sind. Diese bilden eine Referenzelektrodenanordnung 19, wobei die Elektrodenspitzen 20 berührungsfrei zu einer zu behandelnden Oberfläche 21 des Werkstücks 13 weisen, während an den gegenüber liegenden Enden der Einzelelektroden 20 Kontaktierungen 22 vorgesehen sind. Die Einzelelektroden 18 sind weiterhin in ihrer Axialausdehnung senkrecht zur Oberfläche 21 ausgerichtet und durchstoßen auch die Gegenelektrode 15 im rechten Winkel zu ihrer örtlichen Ausrichtung, so dass die Gegenelektrode 15 im Wesentlichen parallel zur Oberfläche 21 verläuft.
• Das Werkstück 13, die Gegenelektrodenanordnung 14 und die Referenzelektrodenanordnung 19 können über elektrische Leitungen 23 an einen Potentiostaten 24 angeschlossen werden. Die Einzelelektroden 18 sind über Einzelleitungen 25 mit einer Schalteinheit 26 verbunden, über die eine elektrische Verbindung zum Potentiostaten 24 hergestellt wird. Die Schalteinheit weist weiterhin eine Steuer- und Auswertungseinheit 27 auf. Mit dieser können die Einzelelektroden 18 mit Hilfe der Schalteinheit 26 einzeln geschaltet in jeweiligen Gruppen parallel geschaltet oder in ihrer Gesamtheit parallel geschaltet werden.
• Die beschriebene Anordnung von Werkstück 13 (Arbeitselektrode), Gegenelektrodenanordnung 14 und Referenzelektrodenanordnung 19 mit Poteniostaten 24, Schalteinheit 26 und Steuer- und Auswertungseinheit 27 lässt mehrere Betriebszustände zu. In einem ersten Betriebszustand kann mittels des Potentiostaten 24 ein Messstrom zwischen dem Werkstück 13 und der Gegenelektrodenanordnung 14 erzeugt werden, der so gering ist, dass er eine Messung mit Hilfe der Referenzelektrodenanordnung 19 nicht stört. Mittels der Einzelelektroden 25 kann dann ein lokales Messpotential gemessen werden, welches zwischen den jeweiligen Elektrodenspitzen und den lokalen, angrenzenden Oberflächenbereichen des Werkstückes 13 vorliegt. Die Geometrie der Gegenelektrode 15 wird solange verändert, bis das Vergleichespotential an den Einzelelektroden 18 zu mindest weitgehend ausgeglichen ist. Die Daten werden dabei von der Steuer- und Auswertungseinheit 27 verarbeitet.
• In einem nächsten Schritt erfolgt der gewünschte elektrochemische Behandlungsprozess. Dieser kann beispielsweise bei verbrauchten Turbinenschaufeln aus einem Abtragen der Beschichtung bestehen und anschließend aus einem erneuten Beschichten, so dass die Turbinenschaufeln wieder verwendet werden können. Hierbei werden die Einzelelektroden in der Steuereinheit elektrisch parallel geschaltet und zur Einhaltung konstanter Behandlungsparameter mit dem Potentiostaten 24 verbunden.
• Bei der Gegenelektrodenanordnung 14 gemäß 2 sind die Einzelelektroden 20 in einem Elektrodenträger 28 axial geführt. Um eine Isolation untereinander zu gewährleisten, sind zu diesem Zweck elektrisch isolierende Führungsbuchsen 29 in den Elektrodenträger 28 eingelassen. Weiterhin sind die Verbindungsstücke 17 zu erkennen, die fest auf den Einzelelektroden befestigt sind und andererseits mit dem Gitter der Gegenelektrode 15 (beispielsweise durch Eingießen) verbunden sind. Werden die Einzelelektroden in den Elektrodenträger 28 axial verschoben, so passt sich daher die Gegenelektrode 15 entsprechend der Axialverschiebung an. Die Kontaktierungen 22 sind als Steckbuchsen für die nicht dargestellten Einzelleitungen 25 ausgeführt.
• Der Elektrodenträger 28 bewirkt weiterhin eine parallele Ausrichtung der Einzelelektroden 18 untereinander. Durch einen konstanten Abstand der Elektrodenspitzen 20 zu einer nicht dargestellten Oberfläche des zu behandelnden Werkstückes wird damit gleichzeitig ein konstanter Abstand der Gegenelektrode zu dieser Oberfläche erzielt.

Claims (8)

1. Verfahren zum Überwachen eines elektrochemischen Prozesses zur Behandlung eines als Arbeitelektrode dienenden Werkstückes (13), bei dem ein vorgegebenes Potential zwischen der Arbeitselektrode und einer Gegenelektrodenanordnung (14) unter Einsatz einer Referenzelektrodenanordnung (19) eingehalten wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Referenzelektrodenanordnung (19) mehrere Einzelelektroden (18) aufweist, die an mehreren Stellen berührungsfrei an die zu behandelnde Oberfläche des Werkstückes (13) herangeführt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass vor der elektrochemischen Behandlung an das Werkstück (13) und an die Gegenelektrodenanordnung (14) eine Spannung angelegt wird, die einen im Vergleich zum Behandlungsprozessstrom geringen Messstrom erzeugt, und an den einzelnen oder in mehreren Gruppen zusammengefassten Einzelelektroden (18) der Referenzelektrodenanordnung (19) jeweils Vergleichspotentiale ermittelt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Gegenelektrodenanordnung (14) derart zum Werkstück angeordnet wird, dass die Vergleichspotentiale möglichst ausgeglichen sind.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an das Werkstück (13) und an die Gegenelektrodenanordnung (14) das für den Behandlungsprozess vorgegebene Potential angelegt wird, wobei zur Überwachung des Potentials die Referenzelektroden elektrisch parallel geschaltet werden.
5. Gegenelektrodenanordnung für die elektrochemische Behandlung von Werkstücken (13), die als Arbeitselektrode dienen, dadurch gekennzeichnet, dass mit der Gegenelektrodenanordnung eine Referenzelektrodenanordnung (19) in mechanischer Verbindung steht, wobei – die Verbindung (17) als elektrische Isolation zwischen der Gegenelektrodenanordnung und der Referenzelektrodenanordnung (19) ausgeführt ist und – die Referenzelektrodenanordnung (19) aus mehreren Einzelelektroden (18) ausgebildet ist, mit Elektrodenspitzen, die innerhalb eines für die Werkstücke (13) vorgesehenen Behandlungsbereiches bewegbar sind.
6. Gegenelektrodenanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Gegenelektrode (15) der Gegenelektrodenanordnung flächig ausgebildet ist und innerhalb des Behandlungsbereiches verformbar ist.
7. Gegenelektrodenanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelelektroden stabförmig ausgebildet sind und in der Gegenelektrode (15) axial fixiert sind.
8. Gegenelektrodenanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelelektroden in einem Elektrodenträger (28) axial verschiebbar gehalten sind.