DE102014220180A1 - Überwachung und Steuerung eines Beschichtungsvorgangs anhand einer Wärmeverteilung auf dem Werkstück - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Beschichten eines Werkstücks unter Verwendung einer Sprühvorrichtung. Dabei werden das Beschichten des Werkstücks gemäß wenigstens einem Beschichtungsparameter vorgenommen und während des Beschichtens wenigstens folgende Schritte ausgeführt: – Erfassen einer örtlichen Wärmeverteilung in einem Arbeitsbereich einer Oberfläche des Werkstücks; und – Anpassen des wenigstens einen Beschichtungsparameters in Abhängigkeit von der erfassten Wärmeverteilung. Die Erfindung betrifft außerdem eine Vorrichtung zum Beschichten eines Werkstücks.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Beschichten eines Werkstücks unter Verwendung einer Sprühvorrichtung und eine Vorrichtung zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens. Das zu beschichtende Werkstück kann insbesondere eine Turbinenschaufel oder ein sonstiges in einem Heißgaspfad einer Gasturbine gelegenes Bauteil sein.
  • Thermisch und mechanisch hochbelastete Bauteile wie beispielsweise Turbinenbauteile und hierbei insbesondere Turbinenschaufeln, werden in der Regel mit einem Beschichtungsmaterial beschichtet, um die Temperaturbeständigkeit und/oder die Abrasionsfestigkeit des Werkstücks zu erhöhen. Typische Beschichtungen, die zum Beschichten von Turbinenschaufeln zum Einsatz kommen, sind sogenannte MCrAlX-Beschichtungen, wobei M für ein Metall, beispielsweise Eisen (Fe), Kobalt (Co) oder Nickel (Ni), Cr für Chrom, Al für Aluminium und X für Yttrium (Y) und/oder Silizium (Si), Scandium (Sc) und/oder zumindest ein Element der seltenen Erden oder Hafnium stehen. Weiterhin kommen insbesondere bei Turbinenschaufeln keramische Wärmedämmschichten (TBC, Thermal Barrier Coating) zum Einsatz wie beispielsweise Zirkoniumoxid, dessen Struktur zumindest teilweise durch Yttriumoxid stabilisiert ist. Die beschriebenen Beschichtungen werden mittels Spritzverfahren auf die zu beschichtenden Bauteile aufgebracht. Beispiele für solche Spritzverfahren sind Hochgeschwindigkeitsflammspritzen und Plasmaspritzen.
  • Beispielsweise bei der Beschichtung von Turbinenbauteilen, insbesondere von Turbinenschaufeln, mit Haftvermittlungs-, Wärmedämm- und/oder oxidations- und korrosionshemmenden Schichten mittels Spritzverfahren kann es während der Beschichtung zu stochastischen Prozessabweichungen kommen. Hierzu zählen u. a. Änderungen der Form und der Größe des Spritzfleckens aufgrund des Verschleißes der Elektrode in der Spritzvorrichtung, Schwankungen in der Pulverzufuhr, Anlagenausfälle, etc. Letztendlich führen signifikante Änderungen zu einem Prozessabbruch bzw. zu einer Fehlleistung, d. h. das beschichtete Bauteil erfüllt nicht die gestellten Anforderungen und muss entschichtet und anschließend wieder neu beschichtet werden, oder es ist als Ausschuss anzusehen.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein vorteilhaftes Verfahren und eine vorteilhafte Vorrichtung zum Beschichten eines Werkstücks unter Verwendung einer Sprühvorrichtung zur Verfügung zu stellen, die ein rasches Reagieren auf Abweichungen der erstellten Beschichtung von den gewünschten Beschichtungseigenschaften ermöglichen.
  • Die Erfindung führt daher ein verbessertes Verfahren zum Beschichten eines Werkstücks unter Verwendung einer Sprühvorrichtung ein. Dabei werden das Beschichten des Werkstücks gemäß wenigstens einem Beschichtungsparameter vorgenommen und während des Beschichtens wenigstens folgende Schritte ausgeführt:
    • – Erfassen einer örtlichen Wärmeverteilung in einem Arbeitsbereich einer Oberfläche des Werkstücks; und
    • – Anpassen des wenigstens einen Beschichtungsparameters in Abhängigkeit von der erfassten Wärmeverteilung.
  • Die Erfindung beruht auf der Einsicht und schließt diese mit ein, dass sich der Verlauf des Beschichtungsverfahrens anhand einer Erfassung des Wärmeeintrags auf das beziehungsweise in das Werkstück aufgrund des Sprühstrahls der Sprühvorrichtung überwachen und steuern lässt, um das Erreichen der gewünschten Beschichtungseigenschaften der fertigen Beschichtung zu gewährleisten. Der Sprühstrahl beziehungsweise das in ihm transportierte Beschichtungsmaterial wird in üblichen Beschichtungsverfahren wie dem Hochgeschwindigkeitsflammspritzen oder dem Plasmaspritzen während des Sprüh- oder Spritzvorgangs stark erhitzt, so dass sich die örtliche Verteilung und die Masse oder Dichte des auf der Oberfläche des Werkstücks anhaftenden Beschichtungsmaterials anhand eines Wärmebildes beurteilen und zwischen verschiedenen Beschichtungsvorgängen an Werkstücken desselben Typs vergleichen lassen. In Ausnahmefällen kann es vorkommen, dass das Werkstück eine höhere Temperatur besitzt als das aufgesprühte Beschichtungsmaterial. Auch hier kann das erfindungsgemäße Verfahren vorteilhaft verwendet werden, wobei sich anstelle eines Wärmeeintrags eine entsprechende lokale Abkühlung ergibt. Dennoch wird im folgenden von einem Wärmeeintrag und einer Wärmeverteilung gesprochen, obgleich die erwähnten Ausnahmefälle nicht ausgeschlossen sein sollen.
  • Allgemein ist es bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorteilhaft, die Temperatur des Werkstücks auf einen bestimmten Wert zu bringen, um für unterschiedliche Beschichtungsvorgänge von Exemplaren desselben Werkstücktyps reproduzierbare Verhältnisse zu schaffen. Besonders bevorzugt kann das zu beschichtende Werkstück auf der gewählten Temperatur gehalten werden, indem die Temperatur bestimmt und das Werkstück entsprechend geheizt oder gekühlt wird.
  • Während des Beschichtungsvorgangs wird der Sprühstrahl der Sprühvorrichtung und damit der Arbeitsbereich üblicherweise entlang einer vorgegebenen Bahn über die Oberfläche des Werkstücks geführt (selbstverständlich kann grundsätzlich auch das Werkstück entlang der Sprühvorrichtung geführt werden). Der Arbeitsbereich bezeichnet dabei denjenigen Bereich der Oberfläche des Werkstücks, in dem gerade das Beschichtungsmaterial aufgesprüht wird. In einem vollautomatisierten Verfahren bleibt diese Bahn für jedes Werkstück desselben Typs gleich, weshalb auch der Wärmeeintrag in das Werkstück durch den Sprühstrahl gleichartig sein sollte, wenn die vorgegebenen Beschichtungsparameter eingehalten werden. Wird eine Abweichung der erfassten Wärmeverteilung von der erwarteten Wärmeverteilung festgestellt, kann der wenigstens eine Beschichtungsparameter angepasst werden, um den Beschichtungsvorgang möglichst nah den Vorgaben folgend durchzuführen.
  • Insbesondere kann die erfasste Wärmeverteilung mit gespeicherten Referenzwärmeverteilungen verglichen werden. Aus den gespeicherten Referenzwärmeverteilungen wird dann eine der erfassten Wärmeverteilung am stärksten ähnelnde Referenzwärmeverteilung ausgewählt. Der wenigstens eine Beschichtungsparameter wird schließlich in Abhängigkeit von einem der ausgewählten Referenzwärmeverteilung zugeordneten Beschichtungsparameterdatensatz angepasst. Bei solchen Ausführungsformen der Erfindung wird also eine Abweichung des oder der tatsächlichen Beschichtungsparameter von den vorgegebenen Werten festgestellt, indem eine Abweichung der erfassten Wärmeverteilung von einer Erwartung betrachtet wird. Dabei wird angenommen, dass die tatsächlichen Beschichtungsparameter in derselben Art und Weise von der Vorgabe abweichen, wie dies für die den jeweiligen Referenzwärmeverteilungen zugeordneten Beschichtungsparameterdatensätze der Fall ist. Weicht also die erfasste Wärmeverteilung von der den aktuellen Beschichtungsparametern zugeordneten Referenzwärmeverteilung ab und ähnelt dabei beispielsweise einer Referenzwärmeverteilung bei erhöhter Zuführrate des Beschichtungsmaterials, kann aus dem dieser Referenzwärmeverteilung zugeordneten Beschichtungsparameterdatensatz geschlossen werden, dass gegenwärtig das Beschichtungsparameter schneller zugeführt wird als gewünscht und vorgegeben. Dementsprechend kann dann die Vorgabe für die Zuführrate abgesenkt werden.
  • Dabei wird bevorzugt eine Differenz zwischen dem Beschichtungsparameterdatensatz der der erfassten Wärmeverteilung am stärksten ähnelnden Referenzwärmeverteilung und dem aktuellen für das Beschichten verwendeten wenigstens einen Beschichtungsparameter bestimmt. Der aktuelle wenigstens eine Beschichtungsparameter kann dann in Abhängigkeit von dieser Differenz angepasst werden. Beispielsweise kann das Maß der Anpassung des wenigstens einen Beschichtungsparameters proportional zu der Differenz sein. Dadurch können auch gröbere Abweichungen von der Vorgabe schnell ausgeglichen werden.
  • Die Referenzwärmeverteilungen und die den Referenzwärmeverteilungen jeweils zugeordneten Beschichtungsparameterdatensätze werden vorzugsweise anhand einer Durchführung von Beschichtungsvorgängen unter Verwendung der zugeordneten Beschichtungsparameterdatensätze gewonnen. Dafür können Exemplare des zu beschichtenden Werkstücktyps oder in einer kostengünstigeren Ausführungsform Materialproben, beispielsweise kachelförmige Materialproben, mit unterschiedlichen Beschichtungsparametern beschichtet und die Eigenschaften der so erhaltenen Beschichtungen beurteilt werden.
  • Die gespeicherten Referenzwärmeverteilungen können in eine Mehrzahl von Gruppen unterteilt sein, wobei jede der Gruppen einer jeweiligen Oberflächenregion des Werkstücks zugeordnet ist. Beim Vergleichen der erfassten Wärmeverteilung mit den gespeicherten Referenzwärmeverteilungen kann die erfasste Wärmeverteilung mit derjenigen Gruppe von gespeicherten Referenzwärmeverteilungen verglichen werden, die derjenigen Oberflächenregion des Werkstücks zugeordnet ist, in der sich der Arbeitsbereich, für den die erfasste Wärmeverteilung erfasst wurde, befindet. Dadurch können Besonderheiten wie beispielsweise die örtliche Geometrie oder andere Eigenschaften des Werkstücks, die veränderliche Beschichtungseigenschaften bedingen und daher besondere Beschichtungsparameter erfordern, bei der Beschichtung des Werkstücks berücksichtigt werden.
  • Bevorzugt ist jeder gespeicherten Referenzwärmeverteilung eine Bewertung zugeordnet, die eine Aussage über wenigstens eine Beschichtungseigenschaft, insbesondere über eine Beschichtungsporosität, eine Beschichtungsrauheit oder eine Beschichtungsdicke, enthält. Anhand der zugeordneten Bewertungen können die anhand der erfassten Wärmeverteilung erkannten Abweichungen des Beschichtungsvorgangs von der Vorgabe anhand ihrer zu erwartenden Auswirkungen auf die resultierenden Beschichtungseigenschaften beurteilt werden. Dies erlaubt es, eine Vorhersage über die Qualität des beschichteten Werkstücks zu treffen und kann bei der Steuerung des Beschichtungsvorgangs, beispielsweise bei der Anpassung des wenigstens einen Beschichtungsparameters, berücksichtigt werden.
  • Die Wärmeverteilung in dem Arbeitsbereich der Oberfläche des Werkstücks kann mit einem Pyrometer oder einer Infrarotkamera erfasst werden. Alternativ ist es bei ausreichend dünnen Werkstücken auch möglich, die Wärmeverteilung anhand von auf der Rückseite des Werkstücks angeordneten Temperaturmesselementen zu erfassen.
  • Besonders bevorzugt kommt im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens ein Plasmaspritzverfahren zum Einsatz. In einem solchen Fall kann der wenigstens eine Beschichtungsparameter wenigstens einen aus der Gruppe Plasmaspannung, Pulverzuführrate des Beschichtungsmaterials oder Zusammensetzung eines Plasmagases ausgewählten Beschichtungsparameter umfassen.
  • Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Beschichten eines Werkstücks. Die Vorrichtung ist mit einer Sprühvorrichtung, einer Wärmemessvorrichtung und einer mit der Sprühvorrichtung und der Wärmemessvorrichtung verbundenen Steuereinheit ausgestattet. Die Steuereinheit ist dabei dazu ausgebildet, das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen.
  • Kurzbeschreibung der Abbildungen
  • Weitere Merkmale, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren. Es zeigen:
  • 1 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens in Form eines Flussdiagramms;
  • 2 beispielhaft eine Gasturbine in einem Längsteilschnitt;
  • 3 in perspektivischer Ansicht eine Laufschaufel oder Leitschaufel einer Strömungsmaschine; und
  • 4 eine Brennkammer 110 einer Gasturbine.
  • 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens in Form eines Flussdiagramms. Das Verfahren beginnt in einem Startschritt S1. In dem darauffolgenden Schritt S2 wird ein zu beschichtendes Werkstück bereitgestellt und eine Bahn bestimmt, entlang welcher die Sprühvorrichtung über die Oberfläche des Werkstücks geführt wird. Außerdem werden der oder die maßgeblichen Beschichtungsparameter gemäß der aufzubringenden Beschichtung und ihrer gewünschten Eigenschaften ausgewählt und voreingestellt. Diese Beschichtungsparameter können bei Verwendung eines plasmabasierten Beschichtungsvorgang insbesondere eine Zuführrate des Beschichtungsmaterials, eine Plasmaspannung oder eine Zusammensetzung des Plasmagases umfassen.
  • In Schritt S3 wird der Beschichtungsvorgang gemäß dem oder den vorgegebenen Beschichtungsparameter(n) begonnen beziehungsweise durchgeführt. Der Beschichtungsvorgang kann kontinuierlich ausgeführt oder regelmäßig für die Durchführung der weiteren Verfahrensschritte S4 bis S10 unterbrochen werden. Wegen der kürzeren Verfahrensdauer wird jedoch ein kontinuierliches Beschichten bevorzugt.
  • In Schritt S4 wird eine Wärmeverteilung des Arbeitsbereichs auf der Oberfläche des Werkstücks erfasst. Dies wird vorzugsweise mit einem bildgebenden Verfahren durchgeführt, das für die einzelnen Orte der Oberfläche des Werkstücks eine jeweilige Temperatur bestimmt. Je höher die Auflösung des bildgebenden Verfahrens, desto genauer kann die Wärmeverteilung beurteilt werden.
  • In Schritt S5 wird die erfasste Wärmeverteilung mit einer Mehrzahl von Referenzwärmeverteilungen verglichen. Dabei kann eine Gruppe von Referenzwärmeverteilungen aus der Gesamtmenge an Referenzwärmeverteilungen für den Vergleich ausgewählt werden, die für die aktuell beschichtete Teiloberfläche des Werkstücks als repräsentativ angesehen wird. Durch den Vergleich wird bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel diejenige Referenzwärmeverteilung ermittelt, die der erfassten Wärmeverteilung am stärksten ähnelt. Daraufhin wird in Schritt S6 der der ermittelten Referenzwärmeverteilung zugeordnete Beschichtungsparameterdatensatz mit dem oder den aktuell vorgegebenen Beschichtungsparametern verglichen. Der Beschichtungsparameterdatensatz gibt diejenigen Beschichtungsparameter wieder, die bei einer Probedurchführung des Beschichtungsvorgangs zu der zugeordneten Referenzwärmeverteilung geführt haben. Da die sich jeweils ergebende Wärmeverteilung von den tatsächlichen Beschichtungsparametern abhängt, wird also über die Betrachtung der der ermittelten Referenzwärmeverteilung zugeordneten Beschichtungsparameter auf die Ist-Werte der Beschichtungsparameter des aktuellen Beschichtungsvorgangs zurückgeschlossen. In Schritt S7 wird eine Abweichung zwischen dem zugeordneten Beschichtungsparameterdatensatz und dem oder den vorgegebenen Beschichtungsparameter(n) ermittelt. Hierbei wird angenommen, dass der vorgegebene wenigstens eine Beschichtungsparameter durch die Sprühvorrichtung nicht eingehalten wird, wenn es zu einer von der Erwartung abweichenden erfassten Wärmeverteilung gekommen ist. Anschließend wird in Schritt S8 in Abhängigkeit von der zuvor bestimmten Abweichung ein Korrekturwert oder ein Satz von Korrekturwerten berechnet, um die in Schritt S9 der wenigstens eine Beschichtungsparameter angepasst wird. Durch die Anpassung des wenigstens einen Beschichtungsparameters soll erreicht werden, dass der Beschichtungsvorgang genauer gemäß den Vorgaben durchgeführt wird.
  • In Schritt S10 wird schließlich geprüft, ob das Ende der Bahn, entlang welcher das Werkstück beschichtet wird, erreicht ist. Ist dies nicht der Fall, wird der Beschichtungsvorgang und das erfindungsgemäße Verfahren durch Zurückverzweigen zu Schritt S3 fortgesetzt; andernfalls wird das Verfahren in Schritt S11 beendet. Anschließend kann eine Untersuchung der Eigenschaften der Beschichtung und gegebenenfalls Anpassungen an den den Referenzwärmeverteilungen zugeordneten Beschichtungsparameterdatensätzen vorgenommen werden. Ebenfalls ist denkbar, aus den während der Durchführung des Verfahrens erfassten Wärmeverteilungen eine oder mehrere auszuwählen und für weitere Verfahrensdurchläufe als Referenzwärmeverteilungen zur Verfügung zu stellen. Hierfür können die erfassten Wärmeverteilungen und der oder die zugehörigen jeweiligen Beschichtungsparameter während einer Verfahrensdurchführung gespeichert werden. Insbesondere ist auch denkbar, die Aussagekraft der einzelnen (Referenz-)Wärmeverteilungen zu beurteilen und über eine Vielzahl von Verfahrensdurchgängen eine verbesserte Reproduzierbarkeit des Beschichtungsvorgangs zu erreichen.
  • Die 2 zeigt beispielhaft eine Gasturbine 100 in einem Längsteilschnitt. Das erfindungsgemäße Verfahren ist insbesondere für die Beschichtung von Bauteilen einer solchen Gasturbine 100 geeignet.
  • Die Gasturbine 100 weist im Inneren einen um eine Rotationsachse 102 drehgelagerten Rotor 103 mit einer Welle 101 auf, der auch als Turbinenläufer bezeichnet wird.
  • Entlang des Rotors 103 folgen aufeinander ein Ansauggehäuse 104, ein Verdichter 105, eine beispielsweise torusartige Brennkammer 110, insbesondere Ringbrennkammer, mit mehreren koaxial angeordneten Brennern 107, eine Turbine 108 und das Abgasgehäuse 109.
  • Die Ringbrennkammer 110 kommuniziert mit einem beispielsweise ringförmigen Heißgaskanal 111. Dort bilden beispielsweise vier hintereinander geschaltete Turbinenstufen 112 die Turbine 108.
  • Jede Turbinenstufe 112 ist beispielsweise aus zwei Schaufelringen gebildet. In Strömungsrichtung eines Arbeitsmediums 113 gesehen folgt im Heißgaskanal 111 einer Leitschaufelreihe 115 eine aus Laufschaufeln 120 gebildete Reihe 125.
  • Die Leitschaufeln 130 sind dabei an einem Innengehäuse 138 eines Stators 143 befestigt, wohingegen die Laufschaufeln 120 einer Reihe 125 beispielsweise mittels einer Turbinenscheibe 133 am Rotor 103 angebracht sind.
  • An dem Rotor 103 angekoppelt ist ein Generator oder eine Arbeitsmaschine (nicht dargestellt).
  • Während des Betriebes der Gasturbine 100 wird vom Verdichter 105 durch das Ansauggehäuse 104 Luft 135 angesaugt und verdichtet. Die am turbinenseitigen Ende des Verdichters 105 bereitgestellte verdichtete Luft wird zu den Brennern 107 geführt und dort mit einem Brennmittel vermischt. Das Gemisch wird dann unter Bildung des Arbeitsmediums 113 in der Brennkammer 110 verbrannt. Von dort aus strömt das Arbeitsmedium 113 entlang des Heißgaskanals 111 vorbei an den Leitschaufeln 130 und den Laufschaufeln 120. An den Laufschaufeln 120 entspannt sich das Arbeitsmedium 113 impulsübertragend, so dass die Laufschaufeln 120 den Rotor 103 antreiben und dieser die an ihn angekoppelte Arbeitsmaschine.
  • Die dem heißen Arbeitsmedium 113 ausgesetzten Bauteile unterliegen während des Betriebes der Gasturbine 100 thermischen Belastungen. Die Leitschaufeln 130 und Laufschaufeln 120 der in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums 113 gesehen ersten Turbinenstufe 112 werden neben den die Ringbrennkammer 110 auskleidenden Hitzeschildelementen am meisten thermisch belastet.
  • Um den dort herrschenden Temperaturen standzuhalten, können diese mittels eines Kühlmittels gekühlt werden.
  • Ebenso können Substrate der Bauteile eine gerichtete Struktur aufweisen, d.h. sie sind einkristallin (SX-Struktur) oder weisen nur längsgerichtete Körner auf (DS-Struktur).
  • Als Material für die Bauteile, insbesondere für die Turbinenschaufel 120, 130 und Bauteile der Brennkammer 110 werden beispielsweise eisen-, nickel- oder kobaltbasierte Superlegierungen verwendet.
  • Solche Superlegierungen sind beispielsweise aus der EP 1 204 776 B1 , EP 1 306 454 , EP 1 319 729 A1 , WO 99/67435 oder WO 00/44949 bekannt.
  • Ebenso können die Schaufeln 120, 130 Beschichtungen gegen Korrosion (MCrAlX; M ist zumindest ein Element der Gruppe Eisen (Fe), Kobalt (Co), Nickel (Ni), X ist ein Aktivelement und steht für Yttrium (Y) und/oder Silizium, Scandium (Sc) und/oder zumindest ein Element der Seltenen Erden bzw. Hafnium). Solche Legierungen sind bekannt aus der EP 0 486 489 B1 , EP 0 786 017 B1 , EP 0 412 397 B1 oder EP 1 306 454 A1 .
  • Auf der MCrAlX kann noch eine Wärmedämmschicht vorhanden sein, und besteht beispielsweise aus ZrO2, Y2O3-ZrO2, d.h. sie ist nicht, teilweise oder vollständig stabilisiert durch Yttriumoxid und/oder Kalziumoxid und/oder Magnesiumoxid.
  • Durch geeignete Beschichtungsverfahren wie z.B. Elektronenstrahlverdampfen (EB-PVD) werden stängelförmige Körner in der Wärmedämmschicht erzeugt.
  • Die Leitschaufel 130 weist einen dem Innengehäuse 138 der Turbine 108 zugewandten Leitschaufelfuß (hier nicht dargestellt) und einen dem Leitschaufelfuß gegenüberliegenden Leitschaufelkopf auf. Der Leitschaufelkopf ist dem Rotor 103 zugewandt und an einem Befestigungsring 140 des Stators 143 festgelegt.
  • Die 3 zeigt in perspektivischer Ansicht eine Laufschaufel 120 oder Leitschaufel 130 einer Strömungsmaschine, die sich entlang einer Längsachse 121 erstreckt.
  • Die Strömungsmaschine kann eine Gasturbine eines Flugzeugs oder eines Kraftwerks zur Elektrizitätserzeugung, eine Dampfturbine oder ein Kompressor sein.
  • Die Schaufel 120, 130 weist entlang der Längsachse 121 aufeinander folgend einen Befestigungsbereich 400, eine daran angrenzende Schaufelplattform 403 sowie ein Schaufelblatt 406 und eine Schaufelspitze 415 auf.
  • Als Leitschaufel 130 kann die Schaufel 130 an ihrer Schaufelspitze 415 eine weitere Plattform aufweisen (nicht dargestellt).
  • Im Befestigungsbereich 400 ist ein Schaufelfuß 183 gebildet, der zur Befestigung der Laufschaufeln 120, 130 an einer Welle oder einer Scheibe dient (nicht dargestellt).
  • Der Schaufelfuß 183 ist beispielsweise als Hammerkopf ausgestaltet. Andere Ausgestaltungen als Tannenbaum- oder Schwalbenschwanzfuß sind möglich.
  • Die Schaufel 120, 130 weist für ein Medium, das an dem Schaufelblatt 406 vorbeiströmt, eine Anströmkante 409 und eine Abströmkante 412 auf.
  • Bei herkömmlichen Schaufeln 120, 130 werden in allen Bereichen 400, 403, 406 der Schaufel 120, 130 beispielsweise massive metallische Werkstoffe, insbesondere Superlegierungen verwendet.
  • Solche Superlegierungen sind beispielsweise aus der EP 1 204 776 B1 , EP 1 306 454 , EP 1 319 729 A1 , WO 99/67435 oder WO 00/44949 bekannt.
  • Die Schaufel 120, 130 kann hierbei durch ein Gussverfahren, auch mittels gerichteter Erstarrung, durch ein Schmiedeverfahren, durch ein Fräsverfahren oder Kombinationen daraus gefertigt sein.
  • Werkstücke mit einkristalliner Struktur oder Strukturen werden als Bauteile für Maschinen eingesetzt, die im Betrieb hohen mechanischen, thermischen und/oder chemischen Belastungen ausgesetzt sind.
  • Die Fertigung von derartigen einkristallinen Werkstücken erfolgt z.B. durch gerichtetes Erstarren aus der Schmelze. Es handelt sich dabei um Gießverfahren, bei denen die flüssige metallische Legierung zur einkristallinen Struktur, d.h. zum einkristallinen Werkstück, oder gerichtet erstarrt.
  • Dabei werden dendritische Kristalle entlang dem Wärmefluss ausgerichtet und bilden entweder eine stängelkristalline Kornstruktur (kolumnar, d.h. Körner, die über die ganze Länge des Werkstückes verlaufen und hier, dem allgemeinen Sprachgebrauch nach, als gerichtet erstarrt bezeichnet werden) oder eine einkristalline Struktur, d.h. das ganze Werkstück besteht aus einem einzigen Kristall. In diesen Verfahren muss man den Übergang zur globulitischen (polykristallinen) Erstarrung meiden, da sich durch ungerichtetes Wachstum notwendigerweise transversale und longitudinale Korngrenzen ausbilden, welche die guten Eigenschaften des gerichtet erstarrten oder einkristallinen Bauteiles zunichte machen.
  • Ist allgemein von gerichtet erstarrten Gefügen die Rede, so sind damit sowohl Einkristalle gemeint, die keine Korngrenzen oder höchstens Kleinwinkelkorngrenzen aufweisen, als auch Stängelkristallstrukturen, die wohl in longitudinaler Richtung verlaufende Korngrenzen, aber keine transversalen Korngrenzen aufweisen. Bei diesen zweitgenannten kristallinen Strukturen spricht man auch von gerichtet erstarrten Gefügen (directionally solidified structures).
  • Solche Verfahren sind aus der US-PS 6,024,792 und der EP 0 892 090 A1 bekannt.
  • Ebenso können die Schaufeln 120, 130 Beschichtungen gegen Korrosion oder Oxidation aufweisen, z. B. (MCrAlX; M ist zumindest ein Element der Gruppe Eisen (Fe), Kobalt (Co), Nickel (Ni), X ist ein Aktivelement und steht für Yttrium (Y) und/oder Silizium und/oder zumindest ein Element der Seltenen Erden, bzw. Hafnium (Hf)). Solche Legierungen sind bekannt aus der EP 0 486 489 B1 , EP 0 786 017 B1 , EP 0 412 397 B1 oder EP 1 306 454 A1 .
  • Die Dichte liegt vorzugsweise bei 95% der theoretischen Dichte.
  • Auf der MCrAlX-Schicht (als Zwischenschicht oder als äußerste Schicht) bildet sich eine schützende Aluminiumoxidschicht (TGO = thermal grown oxide layer).
  • Vorzugsweise weist die Schichtzusammensetzung Co-30Ni-28Cr-8Al-0,6Y-0,7Si oder Co-28Ni-24Cr-10Al-0,6Y auf. Neben diesen kobaltbasierten Schutzbeschichtungen werden auch vorzugsweise nickelbasierte Schutzschichten verwendet wie Ni-10Cr-12Al-0,6Y-3Re oder Ni-12Co-21Cr-11Al-0,4Y-2Re oder Ni-25Co-17Cr-10Al-0,4Y-1,5Re.
  • Auf der MCrAlX kann noch eine Wärmedämmschicht vorhanden sein, die vorzugsweise die äußerste Schicht ist, und besteht beispielsweise aus ZrO2, Y2O3-ZrO2, d.h. sie ist nicht, teilweise oder vollständig stabilisiert durch Yttriumoxid und/oder Kalziumoxid und/oder Magnesiumoxid. Die Wärmedämmschicht bedeckt die gesamte MCrAlX-Schicht.
  • Durch geeignete Beschichtungsverfahren wie z.B. Elektronenstrahlverdampfen (EB-PVD) werden stängelförmige Körner in der Wärmedämmschicht erzeugt.
  • Andere Beschichtungsverfahren sind denkbar, z.B. atmosphärisches Plasmaspritzen (APS), LPPS, VPS oder CVD. Die Wärmedämmschicht kann poröse, mikro- oder makrorissbehaftete Körner zur besseren Thermoschockbeständigkeit aufweisen. Die Wärmedämmschicht ist also vorzugsweise poröser als die MCrAlX-Schicht.
  • Wiederaufarbeitung (Refurbishment) bedeutet, dass Bauteile 120, 130 nach ihrem Einsatz gegebenenfalls von Schutzschichten befreit werden müssen (z.B. durch Sandstrahlen). Danach erfolgt eine Entfernung der Korrosions- und/oder Oxidationsschichten bzw. -produkte. Gegebenenfalls werden auch noch Risse im Bauteil 120, 130 repariert. Danach erfolgt eine Wiederbeschichtung des Bauteils 120, 130 und ein erneuter Einsatz des Bauteils 120, 130.
  • Die Schaufel 120, 130 kann hohl oder massiv ausgeführt sein. Wenn die Schaufel 120, 130 gekühlt werden soll, ist sie hohl und weist ggf. noch Filmkühllöcher 418 (gestrichelt angedeutet) auf.
  • Die 4 zeigt eine Brennkammer 110 einer Gasturbine. Die Brennkammer 110 ist beispielsweise als so genannte Ringbrennkammer ausgestaltet, bei der eine Vielzahl von in Umfangsrichtung um eine Rotationsachse 102 herum angeordneten Brennern 107 in einen gemeinsamen Brennkammerraum 154 münden, die Flammen 156 erzeugen. Dazu ist die Brennkammer 110 in ihrer Gesamtheit als ringförmige Struktur ausgestaltet, die um die Rotationsachse 102 herum positioniert ist.
  • Zur Erzielung eines vergleichsweise hohen Wirkungsgrades ist die Brennkammer 110 für eine vergleichsweise hohe Temperatur des Arbeitsmediums M von etwa 1000 Grad Celsius bis 1600 Grad Celsius ausgelegt. Um auch bei diesen, für die Materialien ungünstigen Betriebsparametern eine vergleichsweise lange Betriebsdauer zu ermöglichen, ist die Brennkammerwand 153 auf ihrer dem Arbeitsmedium M zugewandten Seite mit einer aus Hitzeschildelementen 155 gebildeten Innenauskleidung versehen.
  • Jedes Hitzeschildelement 155 aus einer Legierung ist arbeitsmediumsseitig mit einer besonders hitzebeständigen Schutzschicht (MCrAlX-Schicht und/oder keramische Beschichtung) ausgestattet oder ist aus hochtemperaturbeständigem Material (massive keramische Steine) gefertigt.
  • Diese Schutzschichten können ähnlich der Turbinenschaufeln sein, also bedeutet beispielsweise MCrAlX: M ist zumindest ein Element der Gruppe Eisen (Fe), Kobalt (Co), Nickel (Ni), X ist ein Aktivelement und steht für Yttrium (Y) und/oder Silizium und/oder zumindest ein Element der Seltenen Erden, bzw. Hafnium (Hf). Solche Legierungen sind bekannt aus der EP 0 486 489 B1 , EP 0 786 017 B1 , EP 0 412 397 B1 oder EP 1 306 454 A1 .
  • Auf der MCrAlX kann noch eine beispielsweise keramische Wärmedämmschicht vorhanden sein und besteht beispielsweise aus ZrO2, Y2O3-ZrO2, d.h. sie ist nicht, teilweise oder vollständig stabilisiert durch Yttriumoxid und/oder Kalziumoxid und/oder Magnesiumoxid.
  • Durch geeignete Beschichtungsverfahren wie z.B. Elektronenstrahlverdampfen (EB-PVD) werden stängelförmige Körner in der Wärmedämmschicht erzeugt.
  • Andere Beschichtungsverfahren sind denkbar, z.B. atmosphärisches Plasmaspritzen (APS), LPPS, VPS oder CVD. Die Wärmedämmschicht kann poröse, mikro- oder makrorissbehaftete Körner zur besseren Thermoschockbeständigkeit aufweisen.
  • Wiederaufarbeitung (Refurbishment) bedeutet, dass Hitzeschildelemente 155 nach ihrem Einsatz gegebenenfalls von Schutzschichten befreit werden müssen (z.B. durch Sandstrahlen). Danach erfolgt eine Entfernung der Korrosions- und/oder Oxidationsschichten bzw. -produkte. Gegebenenfalls werden auch noch Risse in dem Hitzeschildelement 155 repariert. Danach erfolgt eine Wiederbeschichtung der Hitzeschildelemente 155 und ein erneuter Einsatz der Hitzeschildelemente 155.
  • Aufgrund der hohen Temperaturen im Inneren der Brennkammer 110 kann zudem für die Hitzeschildelemente 155 bzw. für deren Halteelemente ein Kühlsystem vorgesehen sein. Die Hitzeschildelemente 155 sind dann beispielsweise hohl und weisen ggf. noch in den Brennkammerraum 154 mündende Kühllöcher (nicht dargestellt) auf.
  • Obwohl die vorliegende Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels beschrieben worden ist, versteht es sich, dass dieses Ausführungsbeispiel lediglich der exemplarischen Darstellung der Erfindung dient und dass Abweichungen von diesem Ausführungsbeispiel möglich sind. Die Erfindung soll daher nicht auf die Ausgestaltung des Ausführungsbeispiels beschränkt sein, sondern lediglich durch die angehängten Ansprüche.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Claims (10)

  1. Ein Verfahren zum Beschichten eines Werkstücks unter Verwendung einer Sprühvorrichtung, wobei das Beschichten des Werkstücks gemäß wenigstens einem Beschichtungsparameter vorgenommen wird und wobei während des Beschichtens wenigstens folgende Schritte ausgeführt werden: – Erfassen einer örtlichen Wärmeverteilung in einem Arbeitsbereich einer Oberfläche des Werkstücks; und Anpassen des wenigstens einen Beschichtungsparameters in Abhängigkeit von der erfassten Wärmeverteilung.
  2. Das Verfahren des vorhergehenden Anspruchs, bei dem die erfasste Wärmeverteilung mit gespeicherten Referenzwärmeverteilungen verglichen wird und bei dem der wenigstens eine Beschichtungsparameter in Abhängigkeit von einem einer der erfassten Wärmeverteilung am stärksten ähnelnden Referenzwärmeverteilung der gespeicherten Referenzwärmeverteilungen zugeordneten Beschichtungsparameterdatensatz angepasst wird.
  3. Das Verfahren des vorhergehenden Anspruchs, bei dem eine Differenz zwischen dem Beschichtungsparameterdatensatz der der erfassten Wärmeverteilung am stärksten ähnelnden Referenzwärmeverteilung und dem aktuellen für das Beschichten verwendeten wenigstens einen Beschichtungsparameter bestimmt und der aktuelle wenigstens eine Beschichtungsparameter in Abhängigkeit von dieser Differenz angepasst werden.
  4. Das Verfahren von einem der Ansprüche 2 oder 3, bei dem die Referenzwärmeverteilungen und die den Referenzwärmeverteilungen jeweils zugeordneten Beschichtungsparameterdatensätze anhand einer Durchführung von Beschichtungsvorgängen unter Verwendung der zugeordneten Beschichtungsparameterdatensätze gewonnen wurden.
  5. Das Verfahren eines der Ansprüche 2 bis 4, bei dem die gespeicherten Referenzwärmeverteilungen in eine Mehrzahl von Gruppen unterteilt sind, wobei jede der Gruppen einer jeweiligen Oberflächenregion des Werkstücks zugeordnet ist und wobei beim Vergleichen der erfassten Wärmeverteilung mit den gespeicherten Referenzwärmeverteilungen die erfasste Wärmeverteilung mit derjenigen Gruppe von gespeicherten Referenzwärmeverteilungen verglichen wird, die derjenigen Oberflächenregion des Werkstücks zugeordnet ist, in der sich der Arbeitsbereich, für den die erfasste Wärmeverteilung erfasst wurde, befindet.
  6. Das Verfahren eines der Ansprüche 2 bis 5, bei dem jeder gespeicherten Referenzwärmeverteilung eine Bewertung zugeordnet ist, die eine Aussage über wenigstens eine Beschichtungseigenschaft, insbesondere über eine Beschichtungsporosität, eine Beschichtungsrauheit oder eine Beschichtungsdicke, enthält.
  7. Das Verfahren eines der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Wärmeverteilung in dem Arbeitsbereich der Oberfläche des Werkstücks mit einem Pyrometer oder einer Infrarotkamera erfasst wird.
  8. Das Verfahren eines der vorhergehenden Ansprüche, bei dem ein Plasmaspritzverfahren verwendet wird.
  9. Das Verfahren des vorhergehenden Anspruchs, bei dem der wenigstens eine Beschichtungsparameter wenigstens einen von Plasmaspannung, Pulverzuführrate oder Zusammensetzung eines Plasmagases umfasst.
  10. Eine Vorrichtung zum Beschichten eines Werkstücks und mit einer Sprühvorrichtung, einer Wärmemessvorrichtung und einer mit der Sprühvorrichtung und der Wärmemessvorrichtung verbundenen Steuereinheit, die ausgebildet ist, das Verfahren eines der vorhergehenden Ansprüche auszuführen.
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