DE102007016243A1

DE102007016243A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Ermitteln des Anteils zumindest eines Zuschlagstoffes eines Multikomponentenpulvers zum thermischen Spritzen

Info

Publication number: DE102007016243A1
Application number: DE200710016243
Authority: DE
Inventors: Manuel Dr. Hertter; Andreas Jakimov; Stefan Kick; Wolfgang Dr. Wachter
Original assignee: MTU Aero Engines GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines AG
Priority date: 2007-04-04
Filing date: 2007-04-04
Publication date: 2008-10-30
Also published as: EP2006409A3; EP2006409A2; EP2006409B1

Abstract

Ein Verfahren zum Ermitteln des Anteils zumindest eines Zuschlagstoffes eines Multikomponentenpulvers zum thermischen Spritzen weist folgende Schritte auf: Beleuchten des Pulverinjektionsstrahls vor dem Eintritt in den Heißgasstrahl; Erfassen der Fluoreszenz des/der Zuschlagstoffe(s); Auswerten der Fluoreszenzerfassung mittels Emissionsspektroskopie. Ferner wird eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens angegeben. Hierdurch werden die Nachteile des Standes der Technik vermieden und eine verbesserte prozesssichere Lösung zur Online-Prozesskontrolle beim thermischen Spritzen zur Verfügung gestellt, mit der eine selektive Detektierung und die quantitative Bestimmung von fluoreszierenden Zuschlagstoffen sichergestellt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Ermitteln des Anteils zumindest eines Zuschlagstoffes eines Multikomponentenpulvers zum thermischen Spritzen.
Aus dem Stand der Technik sind zahlreiche Verfahren zur Beschichtung von Werkstücken bekannt. Beim sogenannten thermischen Spritzen handelt es sich um ein Beschichtungsverfahren, bei welchem ein thermisch aktiver Beschichtungswerkstoff auf eine zu beschichtende Oberfläche eines Werkstücks gespritzt bzw. gesprüht wird. Da nahezu alle schmelzbaren Beschichtungswerkstoffe verwendet werden können, lassen sich durch thermisches Spritzen Beschichtungen mit unterschiedlichen Eigenschaften bzw. Funktionen wie zum Beispiel Wärmedämmung, Korrosionsschutz oder Verschleißschutz realisieren. Beim thermischen Spritzen gibt es nahezu unbegrenzte Kombinationsmöglichkeiten zwischen dem Werkstoff des zu beschichtenden Gegenstands bzw. Werkstücks und dem für die Beschichtung zu verwendenden, thermisch aktiven Beschichtungswerkstoff.
Abhängig von der verwendeten Wärmequelle unterscheidet man verschiedene thermischen Spritzverfahren, nämlich zum Beispiel das Plasmaspritzen, Lichtbogenspritzen, Flammspritzen oder auch Hochgeschwindigkeitsflammspritzen. Auch das Kalt Kinetische Kompaktieren ist ein thermisches Spritzverfahren. Die Auswahl des entsprechenden thermischen Spritzverfahrens hängt zum Beispiel vom Beschichtungswerkstoff, den gewünschten Eigenschaften der Beschichtung und von den jeweiligen Kosten ab.
Zur Bereitstellung von zum Beispiel einer porösen Beschichtung auf dem zu beschichtenden Werkstück ist es bereits bekannt, zusätzlich zu dem eigentlichen Beschichtungswerkstoff einen Zuschlagwerkstoff durch thermisches Spritzen auf das zu beschichtende Werkstück aufzutragen, wobei der Zuschlagwerkstoff nach dem thermischen Spritzvorgang zersetzt bzw. aufgelöst wird, um so die poröse Beschichtung bereitzustellen. So hinterlässt der sich zersetzende Zuschlagwerkstoff in der Beschichtung Poren. Das Zersetzen des Zuschlagwerkstoffs erfolgt dabei insbesondere durch eine Wärmebehandlung des beschichteten Werkstücks. Sollte keine Porosität gewünscht sein, kann der Zuschlagswerkstoff – soweit er sich nicht schädlich auswirkt – auch in der Schicht verbleiben und die Eigenschaften der Schicht beeinflussen.
Bei der Beschichtung von Werkstücken mit einem thermischen Spritzverfahren kommt der Qualitätskontrolle der sich einstellenden Beschichtung eine wichtige Rolle zu. Nur dann, wenn die Beschichtung vorgegebene Qualitätskriterien erfüllt, kann das beschichtete Werkstück die Qualitätskontrolle passieren und gegebenenfalls weiterverarbeitet werden. Da die Zuschlagstoffe, die zur Bereitstellung von zum Beispiel einer porösen Beschichtung zusammen mit dem Beschichtungswerkstoff auf das Werkstück aufgetragen werden, im Wege einer Online-Qualitätskontrolle nicht erfasst bzw. detektiert werden können, werden nach dem Stand der Technik zur Qualitätskontrolle zerstörende Prüfmethoden stichprobenartig eingesetzt. Eine das Werkstück zerstörende Qualitätskontrolle ist zum einen kosten- und zeitintensiv, zum anderen können nur stichprobenartige Kontrollen durchgeführt werden.
Aus der DE 10 2004 059 549 A1 ist ein Verfahren zum thermischen Spritzen bekannt, bei dem ein Zusatzwerkstoff mit fluoreszierendem Markerwerkstoff auf ein Werkstück gespritzt wird. Der Spritzvorgang wird online überwacht. Dabei werden zumindest die in dem Heißgasstrahl enthaltenen Partikel des fluoreszierenden Markerwerkstoffs erfasst und online ausgewertet.
Die Erfassung von fluoreszierenden Zuschlagstoffen ist aber häufig schwierig wenn nicht sogar unmöglich, da die schwache Fluoreszenz der so markierten Partikel von der hohen Intensität des Heißgasstrahls, beispielsweise beim Plasmaspritzen, „überstrahlt" wird. Eine zuverlässige und prozesssichere Online-Prozesskontrolle kann auf diese Weise nicht sichergestellt werden.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Nachteile der bekannten Lösungen des Standes der Technik zu vermeiden und eine verbesserte prozesssichere Lösung zur Online-Prozesskontrolle beim thermischen Spritzen zur Verfügung zu stellen, mit der eine selektive Detektierung von fluoreszierenden Zuschlagstoffen sichergestellt wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 8 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Ermitteln des Anteils zumindest eines Zuschlagstoffes eines Multikomponentenpulvers zum thermischen Spritzen, weist dabei folgende Schritte auf:

– Beleuchten des Pulverinjektionsstrahls vor dem Eintritt in den Heißgasstrahl;
– Erfassen der Fluoreszens des/der Zuschlagsstoffe(s);
– Auswerten der Fluoreszenserfassung mittels Emissionsspektroskopie.

Dabei ist darauf zu achten, dass im Falle mehrerer unterschiedlicher fluoreszierender Zuschlagstoffe die charakteristischen Emissionsfrequenzen weit genug auseinander liegen. Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt darin, dass keine Überstrahlung der meist schwachen Fluoreszenz auftritt, wie dies bei der Messung im Heißgas- oder Plasmastrahl gemäß dem Stand der Technik der Fall ist. Die Detektierung der Eigenfluoreszenz von Werkstoffen bzw. der Fluoreszenzmarker auf oder in Werkstoffen kann somit problemlos im Pulverinjektionsstrahl mittels optischer Emisionsspektroskopie erfolgen. Der Pulverinjektionsstrahl ist dabei definiert als der Pulverstrahl unmittelbar nach Austritt aus dem Pulverförderrohr der Spritzvorrichtung aber vor Eintritt in den Heißgasstrahl des Brenners.
Hierdurch werden die Nachteile des Standes der Technik vermieden und eine verbesserte prozesssichere Lösung zur Online-Prozesskontrolle beim thermischen Spritzen zur Verfügung gestellt, mit der eine selektive Detektierung und die quantitative Bestimmung von fluoreszierenden Zuschlagstoffen sichergestellt wird.
Eine vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens sieht dabei vor, dass die Beleuchtung mittels einer kohärenten Lichtquelle, vorzugsweise einer Laserlichtquelle erfolgt. Hierdurch werden die Fluoreszenzmarker, die im Pulverinjektionsstrahl noch keine externe Energiezufuhr erfahren, zur Lichtemission angeregt.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens sieht dabei vor, dass der Zuschlagstoff Eigenfluoreszens aufweist. Dies hängt von der Art des Zuschlagstoffes ab.
Eine alternative Ausführungsform des Verfahrens sieht vor, dass der Zuschlagstoff vorab mit Fluoreszenzmarkern versehen wird. Hierzu sind unterschiedliche Verfahren, wie beispielsweise das Eindiffundieren von Rhodamin 6G in Polyesterpulver, möglich.
Noch eine vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens sieht vor, dass die Erfassung der Fluoreszenz des Zuschlagstoffes mit einer Erfassungsoptik erfolgt. Dabei kann beispielsweise eine herkömmliche Linsenoptik mit Analog-/Digitalwandler vorgesehen sein. Es kann aber auch eine als Lichtleiterkabel ausgebildet Erfassungsoptik vorgesehen sein, die besonders kostengünstig und robust ist.
Eine Weiterbildung des Verfahrens sieht dabei vor, dass der Zuschlagstoff Polyester ist. Andere Zuschlagstoffe können je nach gewünschtem Effekt desselben beispielsweise Bornitrid oder Bentonid sein.
Ferner ist ein Verfahren zur Online-Prozesskontrolle beim thermischen Spritzen vorgesehen, wobei ein Verfahren zum Ermitteln des Anteils zumindest eines Zuschlagstoffes eines Multikomponentenpulvers verwendet wird. Die Online Prozesskontrolle umfasst dabei die Erfassung verschiedener Parameter und den Vergleich der Ist- und Soll-Werte. Dabei ist unter „Online-Prozesskontrolle" eine Echtzeitauswertung und ggf. Gegensteuerung gegen Abweichungen von den Soll-Werten zu verstehen. Das Verfahren zum Ermitteln des Anteils zumindest eines Zuschlagstoffes eines Multikomponentenpulvers dient dabei als Rückkopplung eines geschlossenen Regelkreises.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum selektiven Detektieren eines Zuschlagstoffes beim thermischen Spritzen ist dadurch gekennzeichnet, dass zwischen einem Pulverrohr der Spritzvorrichtung und einem Heißgasstrahl eines Brenners der Spritzvorrichtung eine Detektionseinrichtung zum Erfassen der Fluoreszenz des Zuschlagstoffes vorgesehen ist. Dabei ist es ausreichend, wenn die Beleuchtungsquelle und die Erfassungsoptik in unmittelbarer Nähe des Pulverinjektionsstrahles angeordnet sind, während das Spektrometer weiter entfernt angeordnet sein kann.
Eine vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Detektionseinrichtung eine vorzugsweise kohärente Beleuchtungsquelle und eine mit einem Spektrometer verbundene Erfassungsoptik aufweist. Dabei kann die Erfassungsoptik als Lichtleiterkabel ausgebildet sein. Dies ist besonders robust und kostengünstig.
Weitere die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigen:
1 eine schematische Ansicht einer Spritzvorrichtung zum thermischen Spritzen mit einer Detektionseinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung;
2 ein schematischer Detailansicht einer Detektionseinrichtung aus 1.
Eine Spritzvorrichtung 1 zum thermischen Spritzen weist einen Brenner 2 auf, der im Betrieb einen Heißgasstrahl 7 erzeugt. Dem Heißgasstrahl 7 werden aus einem Pulverrohr 3 mittels einem Pulverinjektionsstrahl 6 Spritz- und Zuschlagstoffe zugeführt. Dabei werden die Beschichtungswerkstoffe und die Zuschlagstoffe, wie in diesem Falle Polyester, mithilfe eines Trägergases in den Heißgasstrahl 7 injiziert.
Die in der Zeichnungsebene von oben nach unten verlaufende Pulverinjektionsstrahl 6 wird vom Heißgasstrahl 7 in eine im wesentlichen waagrecht verlaufenden Spritzstrahl umgelenkt.
Die Beschichtungs- und Zuschlagstoffe werden durch den Heißgasstrahl 7 auf eine hohe Geschwindigkeit beschleunigt und so auf einem zu bearbeitenden Substrat 4 aufgetragen bzw. aufgespritzt. Die Beschichtungs- und Zuschlagstoffe prallen mit hoher thermischer und kinetischer Energie auf dem Substrat 4 auf und bilden dort eine Beschichtung. Abhängig von den Spritzparametern bilden sich die gewünschten Eigenschaften der Beschichtung aus.
Zur Online-Prozesskontrolle, d. h. zur Steuerung der Spritzparameter durch vermehrte oder verringerte Zugabe von Zuschlagstoffen, ist die Erfassung der Zuschlagstoffe sehr wichtig, da nur so eine Veränderung der Beschichtungsqualität rechtzeitig erkannt und ggf. gegengesteuert werden kann.
Hierzu ist eine Detektionseinrichtung 5 vorgesehen, die in Höhe des Pulverinjektionsstrahls 6, d. h. vor dem Eintritt des Partikelstrahls in den Heißgasstrahl 7 angeordnet ist. Die Detektionseinrichtung 5 weist dabei, wie aus 2 hervorgeht, eine als Laserlichtquelle 9 ausgebildete Beleuchtungsquelle auf, welche die fluoreszierenden Partikel im Pulverinjektionsstrahl 6 zum Strahlen anregt. Ferner ist in der Detektionseinrichtung 5 ein Lichtleiterkabel 10 als optisches Erfassungsmittel zur Erfassung der Fluoreszenzstrahlung auf den Pulverinjektionsstrahl 6 gerichtet. Das Lichtleiterkabel 10 ist mit einem Spektrometer 11 verbunden, welches zur Emissionsspektroskopie geeignet ist.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist Polyester als Zuschlagstoff vorgesehen. Der Zuschlagstoff ist mit Rhodamin 6G als Fluoreszenzmarker markiert und emitiert nach Anregung durch die Laserlichtquelle 9 Licht mit einem Fluoreszenz-Emissionsmaximum von etwa 560 nm. Rhodamin 6G gibt Lichtenergie innerhalb weniger Nanosekunden nahezu vollständig ab und erzeugt ein leicht rotverschobenes Fluoreszenslicht. Zur Unterdrückung der elastischen Rayleigh-Streuung, der unelastische Raman-Streuung und der Autofluoreszenz, beispielsweise von Verunreinigungen, können geeignete Bandpassfilter verwendet werden.
Die Online-Prozesskontrolle erfolgt dann in einer (nicht gezeigten) Rechen- und Steuereinheit, welche die Ist-Daten des Spektrometers auswertet und mit den Soll-Werten vergleicht. Bei der quantitativen Auswertung des Anteils des Zuschlagstoffes am Pulverinjektionsstrahl kann dann in Echtzeit entschieden werden, dass dem Multikomponentenpulver mehr oder weniger Zuschlagstoff zugefügt wird.
Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf das vorstehend angegebene bevorzugte Ausführungsbeispiel. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der in den Patentansprüchen beanspruchten Lösung auch bei anders gearteten Ausführungen Gebrauch macht.

1: Spritzvorrichtung
2: Brenner
3: Pulverrohr
4: Substrat
5: Detektionseinrichtung
6: Pulverinjektionsstrahl
7: Heißgasstrahl
8: Laserstrahl
9: Laserlichtquelle
10: Lichtleiterkabel
11: Spektrometer

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 102004059549 A1 [0006]

Claims

Verfahren zum Ermitteln des Anteils zumindest eines Zuschlagstoffes eines Multikomponentenpulvers zum thermischen Spritzen, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: – Beleuchten des Pulverinjektionsstrahls vor dem Eintritt in den Heißgasstrahl; – Erfassen der Fluoreszenz des/der Zuschlagsstoffe(s); – Auswerten der Fluoreszenserfassung mittels Emissionsspektroskopie.
Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtung mittels einer kohärenten Lichtquelle, vorzugsweise einer Laserlichtquelle erfolgt.
Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Zuschlagstoff Eigenfluoreszens aufweist.
Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Zuschlagstoff vorab mit Fluoreszenzmarkern versehen wird.
Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassung der Fluoreszenz des Zuschlagstoffes mit einer Erfassungsoptik erfolgt.
Verfahren nach Patentanspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassungsoptik als Lichtleiterkabel ausgebildet ist.
Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Zuschlagstoff Polyester ist.
Verfahren zur Online-Prozesskontrolle beim thermischen Spritzen, wobei ein Verfahren zum Ermitteln des Anteils zumindest eines Zuschlagstoffes eines Multikomponentenpulvers verwendet wird.
Vorrichtung zum selektiven Detektiern eines Zuschlagstoffes beim thermischen Spritzen, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen einem Pulverrohr der Spritzvorrichtung und einem Heißgasstrahl eines Brenners der Spritzvorrichtung eine Detektionseinrichtung zum Erfassen der Fluoreszenz des Zuschlagstoffes vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Patentanspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektionseinrichtung eine vorzugsweise kohärente Beleuchtungsquelle und eine mit einem Spektrometer verbundene Erfassungsoptik aufweist.
Vorrichtung nach Patentanspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassungsoptik als Lichtleiterkabel ausgebildet ist.