DE102006053793A1

DE102006053793A1 - Verfahren zum Ermitteln des Anteils an Polyester in einem Multikomponentenpulver bei einem thermischen Spritzen, Verfahren zum Beschichten oder Ausbessern eines Gegenstands mittels thermischen Spritzens und Vorrichtung zum thermischen Spritzen

Info

Publication number: DE102006053793A1
Application number: DE102006053793A
Authority: DE
Inventors: Manuel Dr. Hertter; Andreas Jakimov; Andreas KÄHNY
Original assignee: MTU Aero Engines GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines AG
Priority date: 2006-11-15
Filing date: 2006-11-15
Publication date: 2008-05-21
Also published as: EP2089558A2; CA2669227A1; US20100166944A1; WO2008058503A3; WO2008058503A2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln eines Anteils an Polyester in einem Multikomponentenpulver bei einem thermischen Spritzen, bei dem das Multikomponentenpulver erhitzt wird und mithilfe eines Trägers zu einem Gegenstand geführt wird, auf dem es eine Schicht bildet, bei dem zumindest ein Messwert (10, 12) zur Intensität des von der Gesamtheit von Träger und Multikomponentenpulvermaterial auf dem Weg zu dem Gegenstand emittierten Lichts zumindest im Bereich einer charakteristischen Emissionswellenlänge von Polyester erfasst wird, aus der Gesamtheit der Messwerte eine Kenngröße abgeleitet wird und aufgrund einer zuvor festgelegten Beziehung zwischen der Kenngröße und dem Polyesteranteil der zu ermittelnde Anteil an Polyester bestimmt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln des Anteils an Polyester in einem Multikomponentenpulver bei einem thermischen Spritzen, bei dem das Multikomponentenpulver als Ausgangsmaterial verwendet wird, das bei einer Beschichtung eines Gegenstands das Material für die aufzubringende Schicht darstellt. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Beschichten oder Ausbessern eines Gegenstands mittels thermischen Spritzen sowie eine Vorrichtung zum thermischen Spritzen.
Unter dem Begriff des thermischen Spritzens sind völlig unterschiedliche Spritzverfahren zusammengefasst, wie beispielsweise Plasmaspritzen, Lichtbogenspitzen, Laserspritzen und Flammspritzen. Details zu unterschiedlichen Spritzverfahren können der DIN 32530 sowie der Homepage der Gemeinschaft Thermisches Spritzen (GTS) entnommen werden, welche am 25. Oktober 2006 unter www.gts-ev.de aufgerufen werden konnte.
Den unterschiedlichen Spritzverfahren, die unter den Begriff des thermischen Spritzens fallen, ist gemeinsam, dass ein auf einen Gegenstand aufzubringendes Material einer Vorrichtung zum thermischen Spritzen zugeführt wird, und dass ihm dort thermische und kinetische Energie zugeführt wird. Mithilfe eines Trägers wird es dorthin geführt, wo es sich als Schicht ablagern soll. Der Träger ist üblicherweise ein Gas, das auch ionisiert sein kann, nämlich beim Plasmaspritzen.
Thermisches Spritzen kann bei einer Vielzahl von als Schicht aufzubringenden Materialien verwendet werden. Bei der Beschichtung oder auch der Ausbesserung von Turbinen- und Triebwerksteilen, die in einem Flugtriebwerk verwendet wird, hat es sich bewährt, ein Multikomponentenpulver zu verwenden, das aus dem eigentlichen Beschichtungspulver und einem Bindemittel besteht, und dem Polyester zugegeben ist. Das Polyester sorgt nach seinem Ausbrennen für eine gewünschte Porosität der aufgebrachten Schicht. Es kann auch die abrasiven Eigenschaften der Schicht – bei der es sich insbesondere um einen Einlaufbelag handelt – in wünschenswerter Art und Weise beeinflussen.
Das Polyester wird dadurch zu einer wesentlichen Komponente des Multikomponentenpulvers. Leider ist es bisher nicht möglich, während des Vorgangs des thermischen Spritzens den Anteil des Polyesters in dem aufgebrachten Material, das eingangs als Multikomponentenpulver bereitgestellt wird, zu ermitteln. Das Ermitteln des Anteils an Polyester in einem Multikomponentenpulver ist insbesondere deswegen wünschenswert, damit eine Steuerung oder Regelung ermöglicht wird.
Es ist somit Aufgabe der Erfindung, erstmals ein Verfahren zum Ermitteln des Anteils an Polyester in einem Multikomponentenpulver bei einem thermischen Spritzen bereitzustellen und somit einen Weg aufzuzeigen, wie eine Regelung bzw. Steuerung ermöglicht wird.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 1, ein Verfahren gemäß Patentanspruch 6 und eine Vorrichtung gemäß Patentanspruch 11 gelöst.
Dabei umfasst das Multikomponentenpulver neben dem Polyester auch noch das Beschichtungsmaterial. Bevorzugt umfasst das Multikomponentenpulver auch Binder und evtl. weitere Zusätze.
Erfindungsgemäß wird bei dem Verfahren zum Ermitteln des Anteils an Polyester in einem Multikomponentenpulver bei einem thermischen Spritzen zumindest ein Messwert zur Intensität des von der Gesamtheit von Träger und Multikomponentenpulvermaterial auf dem Weg zu dem Gegenstand emittierten Lichts zumindest im Bereich einer charakteristischen Emissionswellenlänge von Polyester erfasst. Eine charakteristische Emissionswellenlänge ist bekanntlich eine Wellenlänge, bei der bevorzugt Energie emittiert wird, und die im Emissionsspektrum durch klare Intensitätserhöhung gegenüber dem Untergrund erkennbar ist. Aus der Gesamtheit der Messwerte wird nun eine Kenngröße abgeleitet. Aufgrund einer zuvor (zum Beispiel empirisch) festgelegten Beziehung zwischen der Kenngröße und dem Polyesteranteil kann dann aus der Kenngröße der Anteil an Polyester wie gewünscht ermittelt werden.
Die Erfindung macht sich die Tatsache zunutze, dass das Emissionsspektrum im Bereich einer charakteristischen Emissionswellenlänge von Polyester empfindlich von dem Polyesteranteil in dem Ausgangsmaterial (also dem Multikomponentenpulver) abhängig ist.
Zur Steigerung hiervon kann auch das von dem Polyester verschiedene Material berücksichtigt werden. Es werden dann zusätzlich zu dem bereits genannten ersten vorbestimmten Wellenlängenbereich um eine charakteristische Emissionswellenlänge von Polyester auch in zumindest einem sich mit diesem Wellenbereich nicht überschneidenden weiteren vorbestimmten Wellenbereich um eine charakteristische Emissionswellenlänge eines von Polyester verschiedenen Materials des Multikomponentenpulvers Messwerte zur Intensität aufgenommen. Anhand dieser Messwerte kann die Kenngröße dann als Relativgröße gebildet werden. Die Relativgröße kann beispielsweise eine Relativgröße zwischen einem ersten sich über den ersten Wellenlängenbereich erstreckenden Integral und einem zweiten sich über alle weiteren Wellenlängenbereiche erstreckenden Integral gebildet werden.
Es hat sich ergeben, dass sich als erster vorbestimmter Wellenlängenbereich ein Bereich zwischen 370 nm und 392 nm eignet. Bevorzugt wird dieser weiter auf den Bereich von 376 nm bis 390 nm eingeschränkt.
Das Multikomponentenpulver umfasst neben dem Polyester das eigentliche Beschichtungsmaterial, also das Material oder die Materialien (einzeln oder vorlegiert), aus dem/denen die Schicht letztendlich besteht. Zusätzlich können auch ein Binder oder weitere Materialien enthalten sein. Bei einem typischerweise verwendeten Bindemittel zeigen sich zwei herausragende Emissionspeaks im Bereich von 392 nm bis 400 nm, der als weiterer vorbestimmter Wellenlängenbereich definiert werden kann und bevorzugt auf das Intervall von 393 nm bis 398,5 nm eingeschränkt wird. Es können auch gleich zwei weitere vorbestimmte Wellenlängenbereiche definiert werden, jeweils um einen der Peaks herum, zum Beispiel von 393,3 nm bis 395,3 nm und von 396,1 nm bis 398,5 nm.
Für eine grobe Bestimmung einer Relativgröße genügen die Messwerte zur Intensität der von der Gesamtheit von Träger und Multikomponentenpulvermaterial ermittelten Messwerte. Möchte man die Definition der Kenngröße verfeinern, dann sollte man nur den Anteil des Multikomponentenpulvers am Emissionsspektrum berücksichtigen. Um dies zu können, können im Rahmen einer Vorabmessung zu allen Wellenlängen, zu denen Messwerte erfasst werden, welche für die Bildung der Kenngröße verwendet werden sollen, auch Messwerte zur Intensität des von dem Träger allein bei Abwesenheit von Multikomponentenpulvermaterial emittierten Lichts aufgenommen werden. Es wird dann die Differenz der Intensitäten aus den beiden Messserien (Messkurven) gebildet, also mit und ohne Multikomponentenpulvermaterial, und diese Differenz kann zur Bildung der Kenngröße verwendet werden. Im Falle der oben genannten ersten und weiteren Wellenlängenbereiche kann die Kenngröße als Relativgröße zwischen zwei Integralen über die Differenzkurve ermittelt werden.
Im Falle, dass das thermische Spritzen ein Plasmaspritzen ist, wird einmal eine Messkurve aufgenommen, bei der das Plasma erzeugt wird, diesem aber kein Multikomponentenpulver zugeführt wird, und ein andermal eine Messkurve im üblichen Betrieb aufgenommen.
Die Tatsache, dass durch die Erfindung erstmals die Möglichkeit bereitgestellt wird, während des thermischen Spritzens den Polyesteranteil in dem Multikomponentenpulvermaterial zu ermitteln, ermöglicht auch ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Beschichten oder Ausbessern eines Gegenstands mittels thermischen Spritzens. Es wird als Ausgangsmaterial ein Multikomponentenpulver mit Polyester verwendet. Während des thermischen Spritzens wird der Polyesteranteil des Multikomponentenpulvermaterials mehrfach oder ständig im Plasma- und/oder Partikelstrahl ermittelt, und dieser Anteil wird auf einen vorbestimmten Wert geregelt oder zumindest so geregelt, dass er in einen vorbestimmten Wertebereich fällt.
Es ist durch das erfindungsgemäße Verfahren möglich, insbesondere diejenigen Eigenschaften der erzeugten Beschichtung genau festzulegen, welche durch das Polyester bestimmt werden, nämlich die Porosität oder die abrasiven Eigenschaften der Schicht.
Die Steuerung bzw. Regelung kann hierbei unterschiedlich gestaltet werden. Es kann das Multikomponentenpulver in seiner Zusammensetzung geändert werden, bevor es einer Vorrichtung zum thermischen Spritzen zugeführt wird. Es ist auch möglich eine feste Pulverzusammensetzung zu wählen und den Polyesteranteil über die Spritzparameter, wie z.B. Spritzabstand, Gasflüsse, usw. zu regeln. Hierbei wird vorab das Multikomponentenpulver hergestellt und lediglich in der Vorrichtung zum thermischen Spritzen die Zusammensetzung des auf den zu beschichtenden Gegenstand gelangenden Materials über diese so genannten indirekten Parameter noch geändert.
Im ersten Fall wird das Multikomponentenpulver getrennt von einer Vorrichtung zum thermischen Spritzen in einer Mischvorrichtung vor einer Zufuhr zur Vorrichtung zum thermischen Spritzen aus zumindest den Bestandteilen Polyester und Beschichtungsmaterial, eventuell noch Binder oder weitere Zusätze gemischt. In der Mischvorrichtung wird die Erzeugung des Multikomponentenpulvers dabei geregelt. Mechanisch stellt dies eine ein fache Lösung dar, weil die Vorrichtung zum thermischen Spritzen nicht geändert werden muss, die Lösung ist aber aufwändig, da das Multikomponentenpulver nicht vorab gemischt werden kann.
Bei der zweiten Alternative wird eine Vorrichtung zum thermischen Spritzen verwendet, der aus einem zuvor gefüllten Behälter aus Beschichtungsmaterial, Polyester und eventuell Binder und weiteren Zusätzen bestehenden Multikomponentenpulver ebensolches zugeführt wird. Das Verhältnis zwischen Polyester und den restlichen Bestandteilen des Multikomponentenpulvers ist dabei vor dem Verspritzen fix. Durch die Änderung der Spritzparameter wird geregelt, wieviel des Polyesters auf der zu beschichtenden Oberfläche auftritt.
Ein typischer Gegenstand, der mithilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens beschichtet werden kann, ist ein Turbinen- oder Triebwerksteil, auf das insbesondere ein Einlaufbelag aufgebracht wird. Wie bereits erwähnt, ist besonders das Plasmaspritzen geeignet. Zum Beispiel ist die Emission des Plasmas allein vorab besonders gut messbar, so dass später gemessene Intensitätswerte auf die vorab gemessene Kurve bezogen werden können.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum thermischen Spritzen ermöglicht das Verfahren gemäß der oben genannten ersten Alternative. Sie umfasst eine erste Zufuhreinrichtung für einen ersten Bestandteil des Multikomponentenpulvers und eine zweite Zufuhreinrichtung für einen weiteren Bestandteil des Multikomponentenpulvers. Das aus den beiden Zufuhreinrichtungen zugeführte Material wird an einer Stelle gemischt, die so gewählt ist, dass sich beim Betrieb der Vorrichtung die Materialien aus den beiden Zufuhreinrichtungen mischen, bevor sie auf einen mithilfe des thermischen Spritzens zu beschichtenden Gegenstand auftreffen. Beispielsweise werden die beiden Zufuhreinrichtungen so ausgelegt, dass das Material jeweils dort zusammengeführt wird, wo es erhitzt wird. So wird beim thermischen Spritzen bisher bereits eine Düse verwendet, die das Pulver zum Beispiel in einen heißen Gasstrom lenkt, wo es schmilzt, und es kann als zweite Zufuhreinrichtung dann einfach eine zweite Düse bereitgestellt werden, welche dann Pulver, das nur einen Bestandteil des Multikomponentenpulvers umfasst, insbesondere Polyesterpulver, ebenfalls in den erhitzten Gasstrom leiten kann.
Die Regelung erfolgt, wie bereits erwähnt, bevorzugt mithilfe des Verfahrens nach Patentanspruch 1. Somit wird zumindest eine der Zufuhreinrichtungen (und zwar bevorzugt natürlich die zweite Zufuhreinrichtung) von einer Regeleinrichtung gesteuert, die Signale eines optischen Spektrome ters auswertet (das auf den aus der Vorrichtung zum thermischen Spritzen austretenden und lichtemittierenden Strahl gerichtet ist).
Nachfolgend wird nun eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung unter Bezug auf die Zeichnung beschrieben, welche einen Ausschnitt aus zwei überlagert dargestellten Emissionsspektren zeigt, die im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens aufgenommen und ausgewertet werden.
Beim Plasmaspritzen werde als Ausgangsmaterial ein Multikomponentenpulver verwendet, das das eigentliche Beschichtungspulver, ein Bindemittel und als Zusatz Polyesterpulver umfasst. Beim Plasmaspritzen wird ein Strom ionisierten Gases (ein Plasma) erzeugt, das als Träger für ein Beschichtungsmaterial dient, vorliegend also für das Multikomponentenpulvermaterial. In das strömende Plasma wird das Multikomponentenpulver eingespritzt, schmilzt dort, und das geschmolzene Multikomponentenpulver wird durch den Gasstrom zu dem zu beschichtenden Gegenstand getragen.
Zusätzlich zu einer herkömmlichen Vorrichtung zum Plasmaspritzen wird nun ein optisches Spektrometer bereitgestellt, das auf den aus der Vorrichtung austretenden Strahl gerichtet ist, bevor dieser auf den Gegenstand auftrifft. Mithilfe des optischen Spektrometers wird zunächst ein erstes Spektrum aufgenommen, das das Plasma abgibt, wenn kein Multikomponentenpulver zugeführt wird. Dieses Spektrum ist in der Figur mit 10 bezeichnet. Anschließend wird das Multikomponentenpulver zugeführt und ein zweites Spektrum aufgenommen. Dieses Spektrum ist in der Figur mit 12 bezeichnet.
Es lässt sich nun ein erster Wellenlängenbereich 14 und ein zweiter Wellenlängenbereich 16 definieren, bei denen jeweils die Spektrumskurve über der Spektrumskurve 10 liegt, also Wellenlängenbereiche, in denen die abgestrahlte Intensität mit Multikomponentenpulver höher als ohne Multikomponentenpulver ist. Der erste Wellenlängenbereich 14 erstreckt sich von 376,3 nm bis 389,8 nm. In der Kurve 12 sind im Wellenlängenbereich 14 mehrere Peaks sichtbar, die charakteristischen Emissionswellenlängen von Polyester und Bindemittel entsprechen. Die Erhöhung in der Kurve 12 gegenüber der Kurve 10 ist somit auf das Polyester und das Bindemittel zurückzuführen. Der zweite Wellenlängenbereich 16 erstreckt sich von 393,3 nm bis 398,5 nm. Es kann auch in zwei Wellenlängenbereiche von 393,3 nm bis 395,3 nm einerseits und von 396,1 nm bis 398,5 nm anderseits aufgeteilt sein, wobei das nachfolgend zu Integralen über den zweiten Wellenlängenbereich 16 Gesagte dann für die Summe von Integralen über den aufgeteilten Wellenlängenbereich gelten soll. Im Wellenlängenbereich 16 sind zwei Peaks in der Kurve 12 zu erkennen, die in der Kurve 10 nicht vorhanden sind. Diese beiden Peaks sind auf das Bindemittel zurückzuführen.
Es lässt sich nun aus der Fläche 18 zwischen der Kurve 12 und der Kurve 10 im Wellenlängenbereich 14 einerseits und der Fläche 20 zwischen der Kurve 12 und der Kurve 10 im Wellenlängenbereich 16 andererseits der Anteil an Polyester in dem Multikomponentenpulver ermitteln. Die Flächen 18 und 20 sind als Integrale der Differenz der Intensität aus der Kurve 12 zur Intensität aus der Kurve 10 über den Wellenlängenbereich 14 bzw. 16 berechenbar. Das Verhältnis aus diesen Integralen bildet eine Kenngröße über die sich der Polyesteranteil in dem Multikomponentenpulver ermitteln lässt. Während des laufenden Plasmaspritzens kann dann der aktuelle Polyesteranteil in dem Multikomponentenpulver kurzfristig anhand der Integralbildung in beiden Spektren 10 und 12 ermittelt werden.

Claims

Verfahren zum Ermitteln des Anteils an Polyester in einem Multikomponentenpulver bei einem thermischen Spritzen, bei dem das Multikomponentenpulver erhitzt wird und mithilfe eines Trägers zu einem Gegenstand geführt wird, auf dem es eine Schicht bildet, bei dem zumindest ein Messwert (10, 12) zur Intensität des von der Gesamtheit von Träger und Multikomponentenpulvermaterial auf dem Weg zu dem Gegenstand emittierten Lichts zumindest im Bereich einer charakteristischen Emissionswellenlänge von Polyester erfasst wird, aus der Gesamtheit der Messwerte eine Kenngröße abgeleitet wird und aufgrund einer zuvor festgelegten Beziehung zwischen der Kenngröße und dem Polyesteranteil der zu ermittelnde Anteil an Polyester bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem sowohl in einem ersten vorbestimmten Wellenlängenbereich (14) um eine charakteristische Emissionswellenlänge von Polyester als auch in zumindest einem sich mit diesem Wellenlängenbereich nicht überschneidenden weiteren vorbestimmten Wellenlängenbereich (16) um eine charakteristische Emissionswellenlänge eines von Polyester verschiedenen Materials des Multikomponentenpulvers Messwerte (10, 12) zur Intensität aufgenommen werden und anhand dieser Messwerte (10, 12) die Kenngröße als Relativgröße gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich der erste vorbestimmte Wellenlängenbereich von 370 nm bis 392 nm und bevorzugt von 376 nm bis 390 nm erstreckt.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Multikomponentenpulver Polyester und ein Bindemittel umfasst und sich der weitere vorbestimmte Wellenlängenbereich von 392 nm bis 400 nm und bevorzugt von 393 nm bis 398,5 nm erstreckt, oder dass bei zwei weiteren vorbestimmten Wellenlängenbereichen Messwerte aufgenommen werden, die sich von 393,3 nm bis 395,3 nm und 396,1 nm bis 398,5 nm erstrecken.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem zu allen Wellenlängen, zu denen Messwerte erfasst werden, welche für die Bildung der Kenngröße verwendet werden soll, auch Messwerte (10) zur Intensität des von dem Träger alleine bei Abwesenheit von Multikomponentenpulvermaterial emittierten Lichts aufgenommen werden, und dass die Differenz der Intensitäten (10, 12), die mit und ohne Multikomponentenpulvermaterial erfasst wurden, zur Bildung der Kenngröße verwendet wird.
Verfahren zum Beschichten oder Ausbessern eines Gegenstands mittels thermischen Spritzens, bei dem als Ausgangsmaterial ein Multikomponentenpulver mit Polyester verwendet wird, bei dem, vorzugsweise mithilfe des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, während des thermischen Spritzens der Polyesteranteil in dem Multikomponentenpulvermaterial mehrfach oder ständig ermittelt wird und auf einen vorbestimmten Wert oder Wertebereich geregelt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, bei dem getrennt von einer Vorrichtung zum thermischen Spritzen in einer Mischvorrichtung das Multikomponentenpulver aus zumindest Polyester und Beschichtungsmaterial unmittelbar vor einer Zufuhr zur Vorrichtung zum thermischen Spritzen gemischt wird und in der Mischvorrichtung eine Zuleitung von Polyester und/oder Beschichtungsmaterial bei der Erzeugung des Multikomponentenpulvers geregelt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vorrichtung zum thermischen Spritzen verwendet wird, der aus einem zuvor mit Multikomponentenpulver gefüllten Behälter Multikomponentenpulver zugeführt wird, wobei der aufgebrachte Anteil an Polyester über die Spritzparameter geregelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, bei dem ein Turbinen← oder Triebwerksteil beschichtet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, bei dem Plasmaspritzen verwendet wird.
Vorrichtung zum thermischen Spritzen, mit einer ersten Zufuhreinrichtung für ein Multikomponentenpulver und mit einer zweiten Zufuhreinrichtung für einen Bestandteil des Multikomponentenpulvers, wobei das aus den beiden Zufuhreinrichtungen zugeführte Material an einer Stelle der Vorrichtung gemischt wird, die so gewählt ist, dass sich beim Betrieb der Vorrichtung die Materialien aus beiden Zufuhreinrichtungen mischen, bevor sie auf einen mit hilfe des thermischen Spritzens zu beschichtenden Gegenstand auftreffen.
Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Zufuhreinrichtungen jeweils Material dort zusammenführen, wo es erhitzt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der Zufuhreinrichtungen von einer Regeleinrichtung gesteuert wird, die Signale eines optischen Spektrometers auswertet.