DE102005016189A1

DE102005016189A1 - Anordnung zur Überwachung thermischer Spritzprozesse

Info

Publication number: DE102005016189A1
Application number: DE102005016189A
Authority: DE
Inventors: Manuel Dr. Hertter; Stefan Schneiderbanger; Jörg Dr. Höschele; Jürgen Dr. Steinwandel
Original assignee: MTU Aero Engines GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines AG
Priority date: 2005-04-08
Filing date: 2005-04-08
Publication date: 2006-10-12
Also published as: WO2006105762A2; US7688441B2; EP1867219B1; EP1867219A2; US20090051915A1; WO2006105762A3; DE502006001690D1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Messung charakteristischer Eigenschaften eines Plasmastrahls in einem thermischen Spritzprozess, umfassend Mittel zur Zuführung von Spritzmaterialien in das Plasma, ein ein- oder zweidimensionales Array aus ersten Lichtleitfasern (2a) zur Aufnahme der vom Plasma (1) ausgesandten Lichtstrahlung und weiteren Lichtleitfasern (2b, 2c) zur Verteilung der vom Plasma (1) ausgesandten Lichtstrahlung. Gemäß der Erfindung sind Mittel (W) vorhanden zur Aufteilung des in den ersten Lichtleitfasern (2a) geführten Lichts in die weiteren Lichtleitfasern (2b, 2c), wobei die eine Lichtleitfaser (2c) mit der Eingangsblende einer Particle-Flux-Anordnung (7) und die anderen Lichtleitfasern (2b) mit der Eingangsblende eines Spektrometers (3) verbunden sind und wobei Mittel (5, 7) zur Ermittlung des momentanen Zustandes des Spritzprozesses vorhanden sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Überwachung thermischer Spritzprozesse gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Aus EP 0 542 542 B1 ist eine Anordnung zur zeitnahen (on-line) Erfassung von Pulverspritz-Partikeln in einem Plasmastrahl bekannt. Die von dem Plasmastrahl ausgesandte Lichtstrahlung wird auf ein Ende eines Lichtleiters fokussiert. An dem anderen Ende des Lichtleiters wird die Lichtstrahlung mittels einer dichroitischen Linse in zwei Lichtstrahlen aufgeteilt, welche jeweils einem Photodetektor zugeführt werden. In den Photodetektoren wird für jeden Lichtstrahl die zeitliche Intensitätsverteilung bestimmt. Mittels eines Filters das den Photodetektoren vorgeschaltet ist, können geeignete Wellenlängenbereiche aus der Lichtstrahlung gefiltert und deren zeitlicher Intensitätsverlauf bestimmt werden.

In EP 0 542 542 B1 wird auch die Möglichkeit beschrieben, ein Lichtleiterbündel zu verwenden und die empfangene Strahlung einer CCD-Kamera zuzuführen.

Eine weitere Anordnung bei dem mittels Photodetektoren die zeitliche Intensitätsverteilung der von einem Plasma ausgesandten Lichtstrahlung bestimmt wird, ist aus US 5,986,277 bekannt.

In dieser Anorndung kann somit ausschließlich die Intensitätsverteilung der Lichtstrahlung im Plasma und die Geschwindigkeit und Temperatur der Partikel bestimmt werden.

Eine Überwachung der für den Spritzprozeß relevanter Prozeßgrößen wird in DE 101 40 299 A1 beschrieben. In dieser Anordnung wird die Lichtstrahlung spektrometrisch untersucht und ausgewertet. Dabei werden neben Geschwindigkeit und Temperatur der Partikel auch die Plasmazusammensetzung, die Zusammensetzung der Spritzmaterialien sowie der Gas- und Materialfluß bestimmt.

Mit der beschriebenen Anordnung ist allerdings keine Überwachung des Partikelstrahls und der Schichtbildung möglich.

Ein bekanntes Verfahren zur Überwachung des Beschichtungsprozesses ist das Particle-Flux-Imaging-Verfahren (PFI-Verfahren). Die PFI-Diagnostik ist ein bildgebendes Verfahren und wurde für den industriellen Einsatz entwickelt. Dabei nimmt eine optische CCD-Kamera den leuchtenden Bereich des Spritzstrahls zwischen der Quelle des Spritzstrahls und der Beschichtungsfläche auf, wobei die Trennung von Heißbereichen und kälteren Zonen durch transmissionsangepasste Graufilter realisiert werden. Das Verfahren dient zum Monitoring sowohl des Partikelstrahls als auch des Plasma- bzw. Hochgeschwindigkeits-Flammspritz-Strahls. Mit minimalem apparativem Aufwand werden die Helligkeitsverläufe der Strahlen erfasst und durch einfache Ellipsen-Geometrien nachgebildet. Deren Kenngrößen reagieren empfindlich auf Änderungen der Prozeßparameter. In dieser Weise erlaubt das PFI-Verfahren die Überwachung und Qualitätskontrolle des gesamten Spritzprozesses bis hin zur Schichtbildung.

Ein Nachteil einer Anordnung, welche nach PFI-Verfahren arbeitet ist allerdings, dass das PFI-Verfahren nur vor und nach Beendigung eines Spritzprozesses kontrollierend eingesetzt werden kann. Außerdem ist mit dem PFI-Verfahren keine hoch aufgelöste Prozesskontrolle möglich, da die gesamte PFI-Anordnung systembedingt nicht beweglich ist und so ausgelegt, dass gesamte Bereich zwischen Quelle und Beschichtungsfläche überwacht wird. Eine Überwachung einzelner Teilbereiche des Spritzstrahls ist nicht möglich.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Anordnung zu schaffen, mit welcher eine umfassende hoch aufgelöste online- Prozesskontrolle von Teilbereichen des Spritzstrahls bis hin zum gesamten Beschichtungsraum von der Plasmaquelle zu bei gleichzeitiger Überwachung der Schichtbildung möglich ist.

Diese Aufgabe wird mit der Anordnung gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführung der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.

Gemäß der Erfindung sind Mittel vorhanden zur Aufteilung des in den ersten Lichtleitfasern geführten Lichts in die weiteren Lichtleitfasern, wobei die eine Lichtleitfasern mit der Eingangsblende einer Particle-Flux-Anordnung und die anderen Lichtleitfasern mit der Eingangsblende eines Spektrometers verbunden sind und wobei Mittel zur Ermittlung des momentanen Zustandes des Spritzprozesses vorhanden sind. Die Auswertung erfolgt hierbei jeweils nach dem einem Fachmann bekannten Verfahren.

Vorteilhaft ist die Zuführung der Lichtstrahlen zu der Particle-Flux-Image-Anordnung und zu den Spektrometern zeitlich synchronisiert. Damit wird eine zusätzliche spektrale Information an ausgewählte PFI-Ellipsenpunkten und damit eine umfassende Prozesskontrolle möglich.

Die erfindungsgemäße Anordnung erlaubt eine umfassende online Prozesskontrolle des thermischen Spritzprozesses unter Kombination der Vorteile der PFI-Technologie mit der optischen Spektroskopie. Die Anordnung ist insbesondere uneingeschränkt online fähig und aufgrund seiner Konzeption auch geeignet, eine Prozessregelung durchzuführen.

Im Gegensatz zum Stand der Technik kann mit der erfindungsgemäßen Anordnung für jede Lichtleitfaser sowohl der zeitliche Verlauf eines gesamten Spektrums als auch die Leuchtdichte an einer definierten Position bestimmt werden. Mittels des Spektrometers wird eine spektrale Auflösung von individuellen Bildpunkten (gebildet durch die einzelnen Lichtleitfasern) entlang des Plasmastrahls erreicht. Gleichzeitig wird mit dem PFI-Verfahren durch individuelle Bildpunkte (gebildet durch die einzelnen Lichtleitfasern) eine räumlich hoch aufgelöste Auswertung der Leuchtdichte des Plasmastrahls erreicht.

Außerdem ist es möglich, aus den gemessenen Spektren anhand charakteristischer Spektrallinien Pulverspritzmaterialien sowie Gas- und Flüssigprecursoren zu identifizieren und deren zeitlichen Verlauf zu bestimmen. Eine Identifizierung der entsprechenden Spektrallinien ist für jede Lichtleitfaser unabhängig möglich. Es ist also insbesondere möglich, in der erfindungsgemäßen Anordnung den Plasmastrahl räumlich und zeitlich hinsichtlich seines momentanen Prozeßzustands zu untersuchen.

Ein weiterer Vorteil ist, dass es z.B. möglich ist, gleichzeitig die Geschwindigkeiten mehrerer verschiedener im Plasmastrahl enthaltener Partikel zu bestimmen. Außerdem können gleichzeitig mehrere verschiedene Gas- und Materialflüsse im Plasmastrahl bestimmt werden. Dies ist besonders dann von großem Vorteil, wenn als Spritzmaterial nicht nur ein Pulvermaterial, sondern z.B. eine Pulvermischung verwendet wird.

In einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung ist es möglich, die Lichtstrahlung der einzelnen Lichtleitfasern des erfindungsgemäßen Arrays sequentiell einem einzigen Spektrometer zuzuführen. Das Array kann hierbei insbesondere ein Linienarray oder ein quadratisches oder rechteckiges Array, z.B. mit einer 4x4- oder 5x5- Matrix sein.

Hierbei wird jede Lichtleitfaser im Array sequentiell abgefragt und somit die Lichtstrahlung sequentiell dem Spektrometer zugegeführt. Der Vorteil hierbei ist eine erhebliche Raum- und Kosteneinsparung der für das Verfahren benötigten Komponenten. Mittels den einem Fachmann bekannten Schaltungen ist ein Umschalten der einzelnen Lichtleitfasern auf das Spektrometer ohne großen Zeitverlust möglich.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführung der Erfindung ist es möglich, mittels dem aus den Spektren ermittelten Prozeßzustand die Prozeßparameter des Spritzprozesses zu regeln. Dabei ist es z.B. möglich die Gas- und Materialflüsse des Plasmastrahls und des in das Plasma eingespeisten Spritzmaterials zu regeln.

Die Erfindung wird im folgenden beispielhaft anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1: eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung,
2: eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung.
1 zeigt eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung. Hierbei sind die Lichtleitfasern 2a in einem beispielhaften eindimensionalen Array 6 angeordnet. Selbstverständlich ist auch ein zweidimensionales Array möglich. Das von dem Plasma 1 abgestrahlte Licht wird auf die Lichtleitfasern 2a abgebildet. Die Lichtleitfasern 2a sind jeweils mit einer Lichtweiche W verbunden. Das von den Lichtleitfasern 2a kommende Licht wird zu jeweils gleichen Anteilen auf die Lichtleitfasern 2b und 2c aufgeteilt. Die Lichtleitfasern 2b sind jeweils mit einem Spektrometer 3 verbunden. Die Lichtleitfasern 2c sind mit der CCD-Kamera einer PFI-Anordnung verbunden. Die Lichtleitfaser 2c bilden somit den Ausschnitt des Sprizstrahls auf die Eingangsblende (nicht dargestellt) der CCD-Kamera ab.
Im Spektrometer 3 wird das Licht des Plasmas 1 in seine Spektralanteile zerlegt. Die in den einzelnen Spektrometern 3 erzeugten Frequenzspektren werden in einem Prozessor 5, z.B. einem Computer weiterverarbeitet.
In 2 ist eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung dargestellt. Dabei entspricht der Aufbau in 2 im wesentlichen dem in 1 beschrieben Aufbau. Allerdings werden in der in 2 dargestellten Ausführungsform die einzelnen Lichtleitfasern 2 einer Verteilerschaltung 4 zugeführt. Diese Verteilerschaltung 4 leitet nun die Informationen der einzelnen Lichtleitfasern 2 sequentiell zu dem Spektrometer 3. Die Verteilerschaltung 4 kann dabei selbstverständlich von einer nicht dargestellten Steuerschaltung gesteuert werden.

Claims

Anordnung zur Messung charakteristischer Eigenschaften eines Plasmastrahls in einem thermischen Spritzprozess, umfassend Mittel zur Zuführung von Spritzmaterialien in das Plasma, einem ein- oder zweidimensionales Array aus ersten Lichtleitfasern (2a) zur Aufnahme der vom Plasma (1) ausgesandte Lichtstrahlung und weiteren Lichtleitfasern (2b, 2c) zur Verteilung der vom Plasma (1) ausgesandte Lichtstrahlung, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel (W) vorhanden sind zur Aufteilung des in den ersten Lichtleitfasern (2a) geführten Lichts in die weiteren Lichtleitfasern (2b, 2c), wobei die einen Lichtleitfasern (2c) mit der Eingangsblende einer Particle-Flux-Anordnung (7) und die anderen Lichtleitfasern (2b) mit der Eingangsblende eines Spektrometers (3) verbunden sind und wobei Mittel (5, 7) zur Ermittlung des momentanen Zustandes des Spritzprozesses vorhanden sind.
Anordnung nach Anspruch 1, wobei die Zuführung der Lichtstrahlen zu der Particle-Flux-Image-Anordnung und zu den Spektrometern zeitlich synchronisiert ist.
Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei Mittel (4) vorhanden sind zur sequentiellen Zuführung der Lichtstrahlen der einzelnen Lichtleitfasern (2b) zu dem Spektrometer (3).