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ERFINDUNGSGEBIET
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Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein das Gebiet der Materialtechnologie und insbesondere die Entfernung von Beschichtungsmaterialien von einem darunterliegenden Substrat.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Beschichtungen werden in vielen Anwendungen zur Bereitstellung von verbessertem Schutz eines zugrunde liegenden Substratmaterials vor durch Umweltaussetzung verursachtem Schaden verwendet. Beispielsweise werden Lackierungen verwendet, um Verrosten von Metall oder Verfaulen von Holz zu verhindern, und keramische Wärmedämmschichten werden dazu verwendet, Gasturbinenmaschinenkomponenten vor der harschen Verbrennungsumgebung in der Maschine zu schützen. Beschichtungen degradieren jedoch aufgrund der Umweltaussetzung und müssen manchmal entfernt und aufgefrischt werden, oftmals zusammen mit einer lokalen Reparatur des darunterliegenden Substratmaterials, das aufgrund einer Degradierung der Beschichtung degradiert sein kann.
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Es ist bekannt, Beschichtungen auf verschiedene Arten zu entfernen. Schleifende Prozeduren, wie zum Beispiel Granulatstrahlen, werden zur Entfernung von Beschichtungen durch mechanische Einwirkung verwendet. Chemikalien werden zur Auflösung von Beschichtungen verwendet. Wärme wird dazu verwendet, Lackierungen durch Brennen zu entfernen, und intensive lokalisierte Wärme, die durch einen Laserenergiestrahl aufgebracht wird, wird dazu verwendet, keramische Wärmedämmschichten zu lösen, indem lokalisierte Verdampfung und eine resultierende Schockwelle verursacht werden. Beschichtungen sind dazu ausgelegt, fest an dem darunterliegenden Substrat zu haften, und somit sind sie mit verbesserten Leistungscharakteristika von Beschichtungen immer schwieriger mit bekannten Techniken zu entfernen.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die Erfindung wird in der folgenden Beschreibung in Hinblick auf die Zeichnungen erklärt, in denen:
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1 eine schematische Darstellung einer Komponente mit einer beschichteten Oberfläche ist, die eine stehende Welle aufweist, die durch schwingende mechanische Stimulation der Komponente induziert wird, und wobei Beschichtungsmaterial in einem Gebiet eines Tals der Welle durch einen Laserstrahl erhitzt wird;
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2 die Komponente von 1 ist, nachdem die schwingende mechanische Stimulation dazu angesteuert wurde, die stehende Welle derart zu bewegen, dass das Gebiet mit erhitztem Beschichtungsmaterial nun an einer Spitze der stehenden Welle liegt, wodurch ein Bruch des Beschichtungsmaterials in diesem Gebiet verursacht wird.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Es wurde gefunden, dass bekannte Techniken für die Entfernung von keramischen Wärmedämmschichten immer weniger erwünscht sind. Chemische Verfahren erfordern den Umgang und die Entsorgung von hochgiftigen Zusammensetzungen, und mechanische und thermische Prozesse reichen oft nicht dazu aus, die jüngsten Generationen von stark haftenden Beschichtungen zu entfernen. Laserprozesse können effektiv sein, müssen jedoch sorgfältig gesteuert werden, um Beschichtungsentfernung unter Vermeidung von Substratschaden zu erreichen. Dementsprechend haben die Erfinder einen verbesserten Beschichtungsentfernungsprozess entwickelt, der mechanische Energie synergistisch mit thermischer Energie vereint, um selbst stark haftende Beschichtungen bei Bearbeitungstemperaturen zu entfernen, die niedriger sind als die, die bei Laserentfernungsprozessen des Stands der Technik vorliegen.
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1 zeigt einen Schritt in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Eine Komponente 10 beinhaltet ein Substratmaterial 12, das von einem Beschichtungsmaterial 14 bedeckt ist. Von besonderem Interesse für die Erfinder ist eine Gasturbinenmaschinenkomponente, die aus einem Superlegierungssubstratmaterial ausgebildet ist, das mit einer Wärmedämmschicht beschichtet ist, die eine metallische Haftschicht und eine keramische Deckschicht beinhaltet, obwohl der Fachmann erkennen wird, dass die Erfindung nicht auf derartige Komponenten begrenzt ist und für die Entfernung einer großen Vielfalt von Beschichtungen von einer Vielfalt von unterschiedlichen Substratmaterialien nützlich ist.
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Ein elektromechanischer Schwingungsmesswandler 16 steht mit der Komponente 10 in Kontakt und wird dazu verwendet, schwingende mechanische Energie in die Komponente 10 einzuleiten. Der Messwandler 16 kann ein beliebiger Typ von Einrichtung sein, der elektrische Signale in mechanische Energie umwandelt, wie zum Beispiel ein magnetischer Messwandler oder ein piezoelektrischer Messwandler. Der Messwandler 16 kann durch eine Steuerung 18 betrieben werden, um die Größe und die Frequenz von in der Komponente 10 induzierten Schwingungen selektiv zu steuern und insbesondere eine Welle 20 in mindestens der Beschichtung 14 und einem darunterliegenden Oberflächenteil der Komponente 10 zu induzieren. 1 übertreibt die Darstellung der Welle 20, um schematisch zwei Spitzen 22 und ein Tal 23 entlang der Komponentenoberfläche 26 zu zeigen. Der Fachmann wird verstehen, dass Spitzen 22 und Täler 23 in einer tatsächlichen Ausführungsform möglicherweise nicht für das bloße Auge sichtbar sind, obwohl sie allgemein durch ein Instrument 28 detektierbar sind, zum Beispiel einem optischen Instrument wie einer Kamera oder einem Laserentfernungsmesser, oder einem Dehnmessstreifen usw. Das Instrument 28 kann auch mit der Steuerung 18 verbunden sein, um Rückkopplung zur Steuerung des Messwandlers 16 bereitzustellen, um eine gewünschte Form und Größe der Welle 20 in der Komponente 10 zu erzeugen.
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Wie in 1 gezeigt, kann eine stehende Welle 20 in die Beschichtung 14 eingeleitet werden, und eine Wärmequelle, zum Beispiel Laser 30, kann dazu verwendet werden, den Teil der Beschichtung 14 im Gebiet 24 des Tals 23 durch Projizieren eines Strahls von Energie 32 auf die Oberfläche 26 zu erhitzen. Andere Wärmequellen können verwendet werden, wie zum Beispiel andere Formen von Strahlenergie oder zum Beispiel ein erhitzter Gasstrahl. Sowohl die mechanische Welleneinwirkung als auch der Erhitzungsprozess wirken zur Einführung von Spannung in die Beschichtung 14. Erhitzung tendiert dazu, die Beschichtung 14 zu expandieren und differentielle Wärmeausdehnungsspannungen zu erzeugen. Die Welleneinwirkung erzeugt sowohl Zugspannungen als auch Druckspannungen in unterschiedlichen Gebieten der Beschichtung 14.
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Nach dem in 1 gezeigten Schritt wird der Messwandler 16 dazu angesteuert, die stehende Welle 20 derart zu bewegen, dass eine Spitze 22 in dem Gebiet 24, das erhitzt wurde, positioniert ist, wie in 2 gezeigt. Die Bewegung tendiert dazu, die Beschichtung 14 im Gebiet 24 weiter zu expandieren und Risse 34 in der Beschichtung 14 zu erzeugen, wodurch deren Loslösung und Entfernung von dem Substrat 12 erleichtert wird. Eine zusätzliche mechanische Reinigung kann nötig sein, um das brüchige Gebiet 24 der Beschichtung 14 völlig zu entfernen, wie zum Beispiel leichtes Bürsten mit einer Drahtbürste.
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Mit Vorteil wird die selektive gleichzeitige Anwendung von schwingender mechanischer Energie und Wärmeenergie komplexe, komplementäre Spannungsmuster in der Beschichtung 14 erzeugen, was zur Überbeanspruchung und mechanischem Bruch der Beschichtung 14 führt. 1 und 2 zeigen eine Ausführungsform, in der die Beschichtung 14 sich relativ bewegenden Spannungsmustern unterzogen wird, die zu zumindest lokalen kurzzeitigen Spannungsbedingungen in dem Gebiet 24 führen, wo die Festigkeitsgrenze der Beschichtung überschritten wird, was zur Ausbildung von Rissen 34 führt. Eine alternative Ausführungsform kann das Erhitzen eines Spitzengebiets einer stehenden Weile in einer Beschichtung, gefolgt von Bewegung der Welle derart, dass sich ein Tal der Welle zu dem erhitzten Gebiet der Beschichtung bewegt, beinhalten. Diese alternative Ausführungsform erzeugt ein anderes kurzzeitiges Spannungsmuster in der Beschichtung als die Ausführungsform von 1 und 2, würde aber vorteilhaft auf eine Weise durchgeführt werden, die auch zu einer lokalen Spannungsbedingung in dem Gebiet 24 führt, wo die Festigkeitsgrenze der Beschichtung überschritten wird, was zur Ausbildung eines Risses 34 führt.
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Bei einer weiteren Ausführungsform kann ein Messwandler 16 dazu angesteuert werden, eine Welle 20 über die Oberfläche 26 einer Beschichtung 14 zu bewegen, bei gleichzeitigem Scannen eines Energiestrahls 32 auf die Oberfläche 26 in Reaktion auf die Bewegung der Welle 20, wie zum Beispiel Behalten des Strahls 32 in einem Tal oder auf einer Spitze oder an einer beliebigen anderen ausgewählten Stelle relativ zur Welle 20. Die Position der Welle 20 kann durch eine beliebige bekannte Technik detektiert werden, wie zum Beispiel mit einer Kamera 28, und zur Verwendung beim Steuern der Quelle 30 der Strahlenergie einer Steuerung 18 zugeführt werden.
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Bei einer weiteren Ausführungsform kann ein statisches Muster der Erhitzung auf einer Oberfläche 26 einer Beschichtung 14 erzeugt werden, um ein Temperaturgradientenmuster von relativ heißen und kalten Gebieten zu erzeugen, was differenzielle Wärmespannungsmuster in der Beschichtung 14 erzeugt. Daraufhin kann ein Muster von mechanischen Wellen 20 über die Oberfläche 26 gestreift werden, um mit dem Erhitzungsmuster zusammenzuwirken, um die Beschichtung 14 an Stellen zu brechen, wo additive Spannungen die Bruchgrenzen des Beschichtungsmaterials überschreiten.
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Parameter des Laserstrahls 32 können in Reaktion auf das Material der Beschichtung 14 derart ausgewählt werden, dass ein ausreichender Teil der Strahlenergie von der Beschichtung 14 absorbiert wird, um eine Temperatur der Beschichtung 14 auf über eine Temperatur des Substrats 12 anzuheben, oder zumindest das Substrat relativ zur Beschichtung zu expandieren, um Zugspannung auf die Beschichtung auszuüben. Das resultierende Temperaturdifferenzial trägt zum Spannungsmuster, das in der Beschichtung 14 erzeugt wird, bei. Alternativ dazu können Parameter des Laserstrahls 32 derart ausgewählt werden, dass die Beschichtung 14 weitgehend transparent für den Strahl 32 ist, so dass ein ausreichender Teil der Strahlenergie an das Substrat 12 übertragen wird, um eine Temperatur des Substrats 12 auf über eine Temperatur der Beschichtung 14 anzuheben. Erneut wird der Temperaturunterschied zwischen dem Substrat 12 und der Beschichtung 14 zum erzeugten Spannungsmuster beitragen.
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Bei einer Ausführungsform, in der das Substrat 12 auf eine Temperatur über eine Temperatur der Beschichtung 14 erhitzt wird, wird eine Zugkraft in der Beschichtung 14 erzeugt. Die Komponente 10 kann daraufhin mit schwingender mechanischer Energie beaufschlagt werden, wie zum Beispiel bei einer Resonanzfrequenz der Komponente 10, um die Beschichtung mechanisch auf einen Betrag anzuregen, der einen Bruch der Beschichtung 14 infolge von komplementären Zugspannungen in der Beschichtung 14 verursachen wird.
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Verfahren zur Reparatur von beschichteten Komponenten 10 können die Entfernung von mindestens einem Teil der Beschichtung 14 mittels eines der vorliegend beschriebenen Prozesse, Reparatur des darunterliegenden Substrats 12, wie nötig, und das erneute Aufbringen eines Beschichtungsmaterials 14 der gleichen oder einer anderen Zusammensetzung beinhalten. Derartige Verfahren ziehen Nutzen durch die Vermeidung der Verwendung von kaustischen Chemikalien oder Granulatgut und weisen infolge der Beaufschlagung mit Strahlenergie 32 ein reduziertes Risiko einer Beschädigung der Komponente 10 im Vergleich zu Prozessen des Stands der Technik auf.
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Während verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung vorliegend gezeigt und beschrieben worden sind, wird es offensichtlich sein, dass derartige Ausführungsformen lediglich beispielhaft bereitgestellt werden. Zahlreiche Variationen, Veränderungen und Substitutionen können durchgeführt werden, ohne von der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Entsprechend soll die Erfindung nur durch den Gedanken und den Schutzumfang der angehängten Ansprüche begrenzt sein.
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Ausführungsformen:
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- 1. Verfahren zum Entfernen einer Beschichtung von einem Substrat, wobei das Verfahren Einführen von schwingender mechanischer Energie in das Substrat, während ein Energiestrahl auf eine Art auf die Beschichtung gerichtet wird, die zum Bruch der Beschichtung effektiv ist, umfasst.
- 2. Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend:
Steuern der schwingenden mechanischen Energie zur Ausbildung einer stehenden Welle im Substrat;
Richten des Energiestrahls in ein Tal der stehenden Welle, um einen Teil der Beschichtung zu erhitzen; und
Steuern der schwingenden mechanischen Energie, um die stehende Welle derart zu bewegen, dass sich der erhitzte Teil der Beschichtung auf einem Berg der bewegten stehenden Welle befindet.
- 3. Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend:
Steuern der schwingenden mechanischen Energie zur Ausbildung einer stehenden Welle im Substrat;
Richten des Energiestrahls auf einen Berg der stehenden Welle, um einen Teil der Beschichtung zu erhitzen; und
Steuern der schwingenden mechanischen Energie, um die stehende Welle derart zu bewegen, dass sich der erhitzte Teil der Beschichtung in einem Tal der bewegten stehenden Welle befindet.
- 4. Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend Detektieren einer Stelle einer Welle im Substrat, die durch die schwingende mechanische Energie erzeugt wird, und Steuern des Energiestrahls als Reaktion auf die detektierte Stelle der stehenden Welle.
- 5. Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend Steuern der schwingenden mechanischen Energie, die dazu effektiv ist, eine Welle zur Bewegung über das Substrat zu veranlassen.
- 6. Verfahren nach Anspruch 5, ferner umfassend Steuern des Energiestrahls, reagierend auf einen Weg der Welle, die sich über das Substrat bewegt.
- 7. Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend Auswählen von Parametern des Energiestrahls, so dass ein ausreichender Teil der Strahlenergie von der Beschichtung absorbiert wird, um eine Temperatur der Beschichtung auf über eine Temperatur des Substrats anzuheben.
- 8. Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend Auswählen von Parametern des Energiestrahls, so das ein ausreichender Teil der Strahlenergie auf das Substrat übertragen wird, der dazu effektiv ist, das Substrat relativ zur Beschichtung zu expandieren, um Zugbeanspruchung auf die Beschichtung auszuüben.
- 9. Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend:
Steuern des Energiestrahls zur Erzeugung eines Temperaturgradientenmusters über eine Oberfläche der Beschichtung und
Steuern der schwingenden mechanischen Energie zur Bewegung eines mechanischen Wellenmusters über die Oberfläche, um mit dem Temperaturgradientenmuster auf eine Weise zusammenzuwirken, die zum Bruch der Beschichtung effektiv ist.
- 10. Verfahren zum Reparieren einer beschichteten Komponente, umfassend den Schritt des Entfernens mindestens eines Teils einer Beschichtung von einem Substrat der Komponente gemäß dem Verfahren nach Anspruch 1.
- 11. Verfahren zum Entfernen einer Wärmedämmschicht von einer Gasturbinenmaschinenkomponente, wobei das Verfahren Folgendes umfasst:
Induzieren von schwingender mechanischer Energie in die Komponente auf eine Weise, die zum Erzeugen einer Welle in der Beschichtung effektiv ist;
Richten eines Laserstrahls in Richtung der Beschichtung auf eine Weise, die zum Erhitzen der Beschichtung und/oder eines Substrats der Komponente, das unter der Beschichtung liegt, effektiv ist; und
Steuern der schwingenden mechanischen Energie und des Laserstrahls auf eine Weise, die zum Bruch der Beschichtung effektiv ist.
- 12. Verfahren nach Anspruch 11, ferner umfassend:
Induzieren einer Welle in der Beschichtung mit der schwingenden mechanischen Energie;
Erhitzen eines Teils der Beschichtung in einem Tal der Welle mit dem Laserstrahl und
Bewegen der Welle in der Beschichtung derart, dass sich der erhitzte Teil der Beschichtung auf einem Berg der stehenden Welle befindet.
- 13. Verfahren nach Anspruch 11, ferner umfassend:
Induzieren einer Welle in der Beschichtung mit der schwingenden mechanischen Energie;
Erhitzen eines Teils der Beschichtung auf einem Berg der Weile mit dem Laserstrahl und
Bewegen der Welle in der Beschichtung derart, dass sich der erhitzte Teil der Beschichtung in einem Tal der stehenden Welle befindet.
- 14. Verfahren nach Anspruch 11, ferner umfassend Detektieren einer Stelle der Welle in der Beschichtung und Steuern des Laserstrahls als Reaktion auf die detektierte Stelle.
- 15. Verfahren nach Anspruch 11, ferner umfassend Steuern der schwingenden mechanischen Energie, die dazu effektiv ist, die Welle zur Bewegung entlang einer Oberfläche der Beschichtung zu veranlassen.
- 16. Verfahren nach Anspruch 15, ferner umfassend Steuern des Laserstrahls, reagierend auf einen Weg der Welle, die sich über die Oberfläche bewegt.
- 17. Verfahren nach Anspruch 11, ferner umfassend Auswählen von Parametern des Laserstrahls, so dass ein ausreichender Teil der Strahlenergie von der Beschichtung absorbiert wird, um eine Temperatur der Beschichtung auf über eine Temperatur des Substrats anzuheben.
- 18. Verfahren nach Anspruch 11, ferner umfassend Auswählen von Parametern des Laserstrahls, so dass ein ausreichender Teil der Strahlenergie auf das Substrat übertragen wird, der dazu effektiv ist, das Substrat relativ zur Beschichtung zu expandieren, um Zugbeanspruchung auf die Beschichtung auszuüben.
- 19. Verfahren nach Anspruch 11, ferner umfassend:
Steuern des Laserstrahls zur Erzeugung eines Temperaturgradientenmusters über eine Oberfläche der Beschichtung und
Steuern der schwingenden mechanischen Energie zur Bewegung eines Wellenmusters über die Oberfläche, um mit dem Temperaturgradientenmuster auf eine Weise zusammenzuwirken, die zum Bruch der Beschichtung effektiv ist.
- 20. Verfahren zum Entfernen einer Beschichtung von einem Substrat, wobei das Verfahren Folgendes umfasst:
Erzeugen eines ersten Spannungsmusters in einem Gebiet der Beschichtung durch Beaufschlagen der Beschichtung mit schwingender mechanischer Energie;
Erzeugen eines zweiten Spannungsmuster in dem Gebiet der Beschichtung durch Beaufschlagen mit einem Energiestrahl zur Erzeugung von Wärme;
Schaffen von Relativbewegung zwischen dem ersten und zweiten Spannungsmuster, die dazu effektiv ist, eine kurzzeitige lokale Spannungsbedingung innerhalb des Gebiets zu schaffen, wo eine Festigkeitsgrenze der Beschichtung überschritten wird, was zur Ausbildung von Rissen führt.
