DE102007010049A1

DE102007010049A1 - Verfahren zum Herstellen eines einlauffähigen Spritzbelags

Info

Publication number: DE102007010049A1
Application number: DE102007010049A
Authority: DE
Inventors: Manuel Dr. Hertter; Andreas Jakimov; Andreas KÄHNY
Original assignee: MTU Aero Engines GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines AG
Priority date: 2007-03-01
Filing date: 2007-03-01
Publication date: 2008-09-04
Anticipated expiration: 2027-03-02
Also published as: EP2115180A2; US20100062172A1; EP2115180B1; DE102007010049B4; CA2679651C; WO2008104162A2; CA2679651A1; WO2008104162A3

Abstract

Verfahren zum Herstellen eines Spritzbelages, insbesondere eines einlauffähigen Spritzbelages für Bauteile eines Turbinentriebwerks mittels thermischen Spritzens, wobei zur Kontrolle und Regelung des thermischen Spritzens ein Online-Prozess-Kontrollsystem, insbesondere eine PFI-Einheit und/oder eine Spektrometereinheit, vorgesehen ist, wobei mindestens ein Prozessparameter nach der Formel pB1Deltax . y)/z + n berechnet wird, wobei pB1 der Prozessparameter des zu beschichtenden Bauteils, pB2 der Prozessparameter einer vorangegangenen Beschichtung, HB1 die Härte der zu beschichtenden Spritzschicht, HB2 die Härte der vorangegangenen Spritzschicht und Deltax eine Prozessgröße des Online-Prozess-Kontrollsystems ist und y, z, n konstante Parameter sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Spritzbelages, insbesondere eines einläuffähigen Spritzbelages für Bauteile eines Turbinentriebwerks, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 12.
Um den Wirkungsgrad von Turbinentriebwerken, insbesondere für die Luftfahrt, zu steigern, zielt die derzeitige Verdichterentwicklung auf eine Steigerung des Druckverhältnisses ab. Ferner führt das Erfordernis einer leichten Konstruktion, die beispielsweise durch eine Reduzierung der Stufenzahl möglich ist, zu einer Erhöhung des Druckverhältnisses zwischen den Verdichterstufen. Ein Nebeneffekt dieser Entwicklung ist die Zunahme an Rückfluss von der Druckseite auf die Saugseite der Verdichterschaufeln.
Daher wird die Bedeutung des Dichtungssystems, welches den oben beschriebenen Rückfluss zwischen den rotierenden Verdichterschaufeln und dem Verdichtergehäuse verhindert, immer wichtiger. Dieses Dichtungssystem ist ein wichtiger Bestandteil des Wirkungsgrads und beeinflusst wesentlich die so genannte Pumplinie und damit den stabilen Betrieb des Triebwerks.
Um eine hohe Rückflussrate zu verhindern, ist es notwendig den Spalt zwischen den rotierenden Verdichterschaufeln und dem Verdichtergehäuse so weit wie möglich zu reduzieren. Wegen der unterschiedlichen Betriebszustände während des Betriebs eines Triebwerks, wie beispielsweise Beschleunigung, Leerlauf, stationärer Betrieb, etc., können die Spitzen der rotierenden Laufschaufeln die Innenwand des Verdichtergehäuses berühren oder soger in diese einlaufen. Ferner kann ein Einlaufen auch durch Exzentrizität des Rotors oder des Gehäuses auftreten, welche beispielsweise durch Flugmanöver verursacht werden kann.
Um beim Einlaufen der rotiernden Laufschaufeln in das Verdichtergehäuse größere Schäden zu verhindern, sind die potentiellen Kontaktflächen des Gehäuses mit abreibbaren Beschichtungen, so genannten Einlaufbelägen, versehen.
Damit sich die Schaufelblätter in die entsprechenden Stellen am Verdichtergehäuse einarbeiten können, muss das Beschichtungsmaterial relativ leicht abreibbar sein, ohne die Schaufelspitzen zu schädigen. Ferner muss die Beschichtung auch einen guten Widerstand gegen Partikelerosion und andere Degradation bei erhöhten Temperaturen aufweisen.
Für eine derartige Beschichtung wird in der US 5,434,210 ein thermisches Spritzpulver und eine Verbundbeschichtung aus diesem Pulver, welche eine Matrixkomponente, eine Trockenschmiermittel-Komponente und eine Kunststoffkomponente aufweist, vorgeschlagen. Ein entsprechendes Pulver zum thermischen Spritzen ist unter der Bezeichnung SM2042 bei der Firma Sulzer Metco erhältlich.
Unter thermischem Spritzen wird ein Verfahren zur Erzeugung einer Spritzschicht auf der Oberfläche eines Substrates bezeichnet, wobei Zusatzwerkstoffe unter Einsatz eines Gases auf die zu beschichtende Oberfläche eines Substrates geleitet werden. Ein derartiges Verfahren und ein Überwachungssystem zur Qualitätssicherung der gespritzten Schichten ist in der DE 102004041671 A1 beschrieben. Dabei handelt es sich um ein so genanntes PFI (Particle-Flux-Imaging) Verfahren.
Bei dem in der DE 102004041671 A1 beschriebenen PFI System wird ein Schwarm von die Qualität der Spritzschicht beeinflussenden Partikeln mit einer digitalen Kamera aufgenommen. Dieses Bild wird dann dargestellt oder durch rechnerische Auswertung weiter verarbeitet. Hierdurch wird die Diagnostik eines thermischen Spritzvorgangs ermöglicht.
Ferner beschreibt die EP 1 332 799 A1 eine Vorrichtung und ein Verfahren zum thermischen Spritzen, bei dem ein an- oder aufgeschmolzener Zusatzwerkstoff unter Einsatz eines Gases oder Gasgemischs auf eine zu beschichtende Oberfläche eines Sustrats geleitet wird. Dabei wird mittels einer optischen Spektroskopieanordnung zumindest ein die Qualität der Spritzschicht beeinflussendes Merkmal des thermischen Spritzprozesses, welches für die Ausbildung der Schicht und ihre Eigenschaften verantwortlich ist, erfasst, ausgewertet, bewertet, und geregelt. Dadurch wird eine Möglichkeit zur Online-Regelung und Optimierung eines oder mehrerer Parameter, welche für die Ausbildung der Spritzbeschichtung verantwortlich sind, zur Verfügung gestellt.
Trotz der oben beschriebenen Verfahren zur Qualitätssicherung bei thermischen Spritzprozessen, ist es bisher nicht möglich, einen einlauffähigen Spritzbelag, insbesondere aus dem Pulver SM2042, aber auch aus anderen Materialien für Bauteile in einer niedrigen Härte reproduzierbar herzustellen. Dies liegt vor allem am sehr instabilen Spritzprozess. Insbesondere ist es derzeit nicht möglich, bei Prozessabweichungen einen spezifikationsgerechten Belag herzustellen. Derzeit kann die Härte des Belags nur im ausgebranntem Zustand gemessen werden, wodurch etwa ein Tag verloren geht, bevor der Spritzprozess fortgesetzt werden kann. Dabei können sich die Spritzbedingungen in der Wartezeit verändern. Ohne dieses Vorgehen kommt es jedoch zu sehr hohen Nacharbeitsraten bei den beschichteten Bauteilen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die oben genannten technischen Probleme des Standes der Technik zu vermeiden und ein verbessertes Verfahren zum Herstellen eines einlauffähigen Spritzbelags zur Verfügung zu stellen, welches eine Überwachung des Spritzprozesses mittels festgelegter Parameter ermöglicht. Ferner soll eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur Verfügung gestellt werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruch 12 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Durch die Erfindung werden die technischen Probleme des Standes der Technik vermieden und ein verbessertes Verfahren und eine verbesserte Vorrichtung zum prozesssicheren Herstellen eines einlauffähigen Spritzbelags zur Verfügung gestellt.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen eines Spritzbelags, insbesondere eines einlauffähigen Spritzbelags für Bauteile eines Turbinentriebwerks mittels thermischen Spritzens, wobei zur Kontrolle und Regelung des thermischen Spritzens ein Online-Prozess-Kontrollsystem, insbesondere eine PFI-Einheit und/oder eine Spektrometereinheit vorgesehen ist, ist dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Prozessparameter nach der Formel pB1 = pB2 + HB1 – HB2 – (Δx·y)/z + nberechnet wird, wobei p_B1 der Prozessparameter der aktuell aufzubringenden Beschichtung, p_B2 der entsprechende Prozessparameter einer vorangegangenen Beschichtung, d. h. eines der vorhergehenden Bauteile oder einer der vorhergehenden Proben, H_B1 die Härte der aktuell aufzubringenden Spritzschicht, H_B2 die Härte der vorangegangenen aufgebrachten Spritzschicht, Δx eine Prozessgröße des Online-Kontrollsystems ist und y, z, n konstante Parameter sind. Hierdurch kann auf Basis von vorher beschichteten Bauteilen und der Eigenschaften dieser Schichten ein prozesssicheres Spritzen von Einlaufbelägen ohne größere Verzögerung und damit verbundenen Änderungen der Randbedingungen erfolgen.
Eine vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens sieht vor, dass die Beschichtung mit SM2042-Pulver erfolgt. Dieses Pulver ist besonders für Anwendungen bei axialen Turbomaschinen geeignet.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens sieht vor, dass die Berechnung nach Einstellung des gewünschten Parameters online oder alternativ hierzu vor und nach jeder Beschichtung erfolgt. Hierdurch kann der oder die Prozessparameter dann beispielsweise mittels Aktuatoren automatisch oder manuell unter ständiger Kontrolle eingestellt werden.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens sieht vor, dass der Spritzbelag auf Verdichtergehäuse aufgebracht wird. Durch das Verfahren kann ein Einlaufbelag nun reproduzierbar in einer niedrigen Härte hergestellt werden.
Die für den jeweiligen Prozessparameter einer Beschichtung relevanten konstanten Parameter y und z geben die Korrelation zwischen der Prozessgröße des Online-Prozess-Kontrollsystems und des jeweiligen Prozessparameters wider. Vorteilhafterweise liegen diese zwischen 0 und 15, wobei die Intervallgrenzen eingeschlossen sind. Bevorzugt liegt y zwischen 2 und 5, insbesondere bevorzugt bei 3, während z bevorzugt zwischen 8 und 12 und insbesondere bevorzugt bei 10 liegt.
Der für jeden Prozessparameter bei der jeweiligen Beschichtung konstante Parameter n berücksichtigt einen Bauteilwechsel, d. h. ein Transfer von einer Spritzschicht von einem Bauteil auf ein anderes Bauteil und liegt insbesondere zwischen –10 und +10, insbesondere zwischen –5 und +5, wobei jeweils die Intervallgrenzen eingeschlossen sein sollen.
Als zu überwachende Prozessparameter kommen insbesondere der Primärgasfluss, der Sekundärgasfluss aber auch der Abstand zwischen dem Bauteil und dem Brenner in Betracht. Zusätzlich sind aber auch weitere hier nicht genannte Prozessparameter durchaus mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens zu regulieren und zwar derart, dass sich ein reproduzierbares Ergebnis der Spritzschicht ergibt.
Bei der gemessenen Prozessgröße des Online-Prozesskontrollsystems Δx ist es möglich, eine aktuell gemessene Prozessgröße in den Beschichtungsprozess einfließen zu lassen. Bevorzugt wird aber eine Änderung der Prozessgröße verwendet, die derart ausgestaltet ist, dass die entsprechende Prozessgröße der aktuellen Beschichtung mit der jeweiligen Prozessgröße der vorhergehenden Beschichtung des letzten Bauteils in Relation gezogen wird.
Dabei kann die Prozessgröße Δx aus der Leuchtdichteverteilung des Plasma- und/oder Partikelstrahls ermittelt werden, die insbesondere über die PFI-Einheit oder die Spektrometereinheit aufgenommen wird.
Für die Ermittlung der Prozesskenngröße Δx aus der Leuchtdichteverteilung bietet sich insbesondere die Bestimmung der Halbachsen der Ellipsen aus der Messung der PFI-Einheit an.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens weist zur online Prozesskontrolle zum einen ein PFI Kontrollsystem und/oder eine optische Emissionsspektroskopieeinheit auf, deren Prozesskontrollkenngrößen in einer Recheneinheit korrelliert werden, wodurch bei Prozessabweichugen ein reproduzierbarer Spritzbelag herstellbar ist. Ferner können hier noch Aktuatoren zur automatischen Einstellung der Prozessparameter vorgesehen sein.
Weitere die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung näher dargestellt.
Der Einsatz der Prozesskontrolle dient zur Verhinderung von Nacharbeiten sowie der Qualitätsüberwachung und der Dokumentation eines Spritzvorgangs. Bei diesem Verfahren werden die Eigenschaften des Plasmas sowie der Partikel im Plasmastrahl erfasst und mit den Schichteigenschaften korreliert. Weichen die gemessenen Eigenschaften von einem zuvor definierten Referenzzustand ab, ist zur Verhinderung von Nacharbeit eine Abhilfemaßnahme zu treffen.
Zu diesem Zweck ist das Multifunktions-Prozessüberwachungssystem mit einem Online-Particle-Flux-Imaging (PFI) System, einem optischen Spektrometer und einem Strahlungspyrometer ausgestattet. Das PFI-System dient zur Überprüfung des Plasmastrahls vor und nach der Beschichtung des Bauteils. Das Spektrometer ermöglicht zusätzlich noch eine Qualitätsüberwachung während des Spritzvorgangs.
Das PFI erfasst mit Hilfe einer CCD-Kamera die für den Beschichtungsprozess charakteristischen Leuchtdichteverteilungen des Plasma- und Partikelstrahls. Aus den Aufnahmen werden durch einen Algorithmus die Höhenlinien mit gleicher Leuchtintensität berechnet. In diesen Höhenlinien werden je eine Ellipse für den Plasma- und Partikelstrahl eingeschrieben. Die Ellipsen-Kenngrößen, wie die Halbachsen a und b, der Schwerpunkt der Ellipse und der Winkel der Halbachse a gegenüber der Horizontalen dienen zur Beschreibung des aktuellen Spritzzustands.
Die Härte der aufzubringenden Schicht (gemessen in HR 15 Y) kann nun über einen Prozessparameter und eine Prozessgröße geregelt bzw. überwacht werden. Hierzu fließt in die Regelung bzw. Berechnung die Härte der zuvor hergestellten Schicht und die/der Prozessparameter bzw. die Prozessgröße sowie die konstanten Parameter ein. Für die Wahl des Abstands von Bauteil und Brenner als Prozessparameter werden für y = 3 und z = 10 gute Resultate erzielt, insbesondere wenn als Prozessgröße Δx Informationen aus der über die PFI-Einheit vermessenen Werte, insbesondere die Leuchtdichteverteilung des Plasma- und/oder Partikelstrahls aus dem aktuellen und einem vorangegangenen Beschichtungsprozess verwendet werden. Zum Einsatz kommen hier insbesondere die Änderung der Halbachsen der vermessenen Ellipsen aus dem aktuellen und einem vorangegangenen Prozess. Möglich ist aber auch die Verwendung des Schwerpunktes der Ellipsen oder der Winkel der Halbachsen.
Das optische Spektrometer erfasst über einen Messkopf das beim Spritzen vom Plasma und den Partikeln emittierte Licht und leitet dieses über ein Glasfaserkabel an einen hoch empfindlichen Spektrographen. Die zeitliche Verfolgung der gesamten spektralen Emission sowie von mehreren charakteristischen Messlinien des Gesamtspektrums gestattet es, Intensitätsveränderungen zu detektieren und zu speichern.
Ferner dient das Strahlungspyrometer der berührungslosen Temperaturmessung während des Beschichtungsvorgangs. Es gewährleistet die Aufzeichnung und grafische Ausgabe der Messdaten vom gesamten Beschichtungsprozess.
Auf den Messaufbau und die Einstellung des PFI und des optischen Spektrometers soll hier nicht im einzelnen eingegangen werden.
Die vorliegende Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf das vorstehend angegebene, bevorzugte Ausführungsbeispiel.
Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch macht.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- US 5434210 [0007]
- DE 102004041671 A1 [0008, 0009]
- EP 1332799 A1 [0010]

Claims

Verfahren zum Herstellen eines Spritzbelages, insbesondere eines einlauffähigen Spritzbelags für Bauteile eines Turbinentriebwerks mittels thermischen Spritzens, wobei zur Kontrolle und Regelung des thermischen Spritzens ein Online-Prozess-Kontrollsystem, insbesondere eine PFI-Einheit und/oder eine Spektrometereinheit, vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Prozessparameter nach der Formel pB1 = pB2 + HB1 – HB2 – (Δx·y)/z + nberechnet wird, wobei p_B1 der Prozessparameter des zu beschichtenden Bauteils, p_B2 der Prozessparameter einer vorangegangenen Beschichtung, H_B1 die Härte der zu beschichtenden Spritzschicht, H_B2 die Härte der vorangegangenen Spritzschicht und Δx eine Prozessgröße des Online-Prozess-Kontrollsystems ist und y, z, n konstante Parameter sind.
Verfahren zum Herstellen eines Spritzbelages nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung mit SM2042 Pulver erfolgt.
Verfahren zum Herstellen eines Spritzbelages nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Berechnung zur Einstellung des gewünschten Prozessparameters online erfolgt.
Verfahren zum Herstellen eines Spritzbelages nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Berechnung zur Einstellung des Prozessparameters vor und nach der Beschichtung erfolgt.
Verfahren zum Herstellen eines Spritzbelages nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Spritzbelag auf Verdichtergehäuse aufgebracht wird.
Verfahren zum Herstellen eines Spritzbelages nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Parameter y und z zwischen 0 und 15 liegen.
Verfahren zum Herstellen eines Spritzbelages nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Parameter n einen Bauteilwechsel berücksichtigt und zwischen –10 und +10, insbesondere zwischen –5 und +5 liegt.
Verfahren zum Herstellen eines Spritzbelages nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Prozessparameter aus der Gruppe Primärgasfluss, Sekundärgasfluss oder Abstand zwischen Bauteil und Brenner gewählt wird.
Verfahren zum Herstellen eines Spritzbelages nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Prozessgröße Δx aus einer Relation einer vorangegangenen Beschichtung und der Beschichtung des zu beschichtenden Bauteils ermittelt wird.
Verfahren zum Herstellen eines Spritzbelages nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Prozessgröße Δx aus der Leuchtdichteverteilung des Plasma- und/oder Partikelstrahls ermittelt wird.
Verfahren zum Herstellen eines Spritzbelages nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Leuchtdichteverteilung durch Bestimmung der Halbachsen der Ellipsen ermittelt wird.
Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Prozesskontrolle ein PFI Kontrollsystem und/oder eine optische Emissionsspektroskopieeinheit aufweist, deren Prozesskontrollkenngrößen in einer Recheneinheit korrelliert werden, wodurch bei Prozessabweichugen ein reproduzierbarer Spritzbelag herstellbar ist.