DE102016222872A1 - Pre-heating of a workpiece during pre-coating by a laser - Google Patents

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Thomas Beck
Maik Berghoff
Jens Dietrich
Dimitrios Zois
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Siemens AG
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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C23COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23CCOATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C4/00Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge
    • C23C4/02Pretreatment of the material to be coated, e.g. for coating on selected surface areas

Abstract

Durch eine Vorheizung mittels eines Lasers kann beim Beschichten mit keramischem Material die Vorheizung schneller durchgeführt werden.By pre-heating by means of a laser preheating can be performed faster when coating with ceramic material.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Vorheizen eines Werkstückes vor dem Beschichten durch einen Laser.The invention relates to an apparatus and a method for preheating a workpiece prior to coating by a laser.

Turbinenschaufeln erhalten aufwändige mehrlagige Beschichtungssysteme wie Korrosionsschutzschichten, Haftvermittlerschichten, Wärmedämmschichten (WDS). Die WDS weist zumeist Keramiken auf, die über atmosphärisches Plasmaspritzen porös aufgetragen werden. Um höhere Heißgastemperaturen zu realisieren werden sogenannte „Segmented TBCs“ eingesetzt, die sich durch vertikale Risse in der TBC auszeichnen. Diese Risse dienen als Dehnungsfugen, damit die Schichten bei großen Temperaturen nicht durch thermische Belastung abplatzen.Turbine blades receive complex multi-layer coating systems such as corrosion protection layers, adhesion promoter layers, thermal barrier coatings (WDS). The WDS usually has ceramics, which are applied porous by atmospheric plasma spraying. To achieve higher hot gas temperatures so-called "segmented TBCs" are used, which are characterized by vertical cracks in the TBC. These cracks serve as expansion joints so that the layers do not chip off at high temperatures due to thermal stress.

Um die „Segmented TBC“ zu spritzen muss die Schaufel vorgeheizt werden. Durch die Vorheizung verbessert sich die Anhaftung der aufgespritzten Pulverpartikel. Beim Abkühlen des aufgespritzten Pulverpartikels entstehen Schrumpfspannungen, die zu den vertikalen Rissen führen.In order to inject the "Segmented TBC", the blade must be preheated. The preheating improves the adhesion of the sprayed powder particles. As the sprayed powder particle cools, shrinkage stresses result, leading to the vertical cracks.

Bisher wird zum Spritzen der „Segmented TBC“ die Vorheizung des Substrats durch den Brenner selber durchgeführt. Der Brenner wird hierfür ohne Pulverzufuhr betrieben. Der Brenner wird in einer Pendelbewegung über eine kleine Fläche des Werkstücks geführt, bis eine gewisse Temperatur erreicht ist. Danach wird die Pulverzufuhr eingeschaltet und der vorgeheizte Abschnitt des Werkstücks beschichtet. Sukzessiv werden weitere Teile des Werkstücks beschichtet.So far, the pre-heating of the substrate is performed by the burner itself for spraying the "Segmented TBC". The burner is operated without powder feed. The torch is guided in a pendulum motion over a small area of the workpiece until a certain temperature is reached. Thereafter, the powder feed is turned on and the preheated portion of the workpiece is coated. Successively, further parts of the workpiece are coated.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung oben genanntes Problem zu lösen.It is therefore an object of the invention to solve the above-mentioned problem.

Die Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren gemäß Anspruch 2.The object is achieved by a device according to claim 1 and a method according to claim 2.

In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Maßnahmen aufgelistet, die beliebig miteinander kombiniert werden können, um weitere Vorteile zu erzielen.In the dependent claims further advantageous measures are listed, which can be combined with each other in order to achieve further advantages.

Es zeigt die Figur schematisch eine erfindungsgemäße Vorrichtung.The figure shows schematically a device according to the invention.

Die Vorheizung des Werkstücks durch eine zeitaufwändige Pendelbewegung des Brenners wird durch zumindest einen Laser durchgeführt. Hierfür wird dem Brenner ein Laserstrahl vorgeschaltet, dessen Leistung vorzugsweise über ein Pyrometer gesteuert wird.The preheating of the workpiece by a time-consuming pendulum movement of the burner is performed by at least one laser. For this purpose, the burner is preceded by a laser beam whose power is preferably controlled by a pyrometer.

Durch die Verwendung des Laserstrahls, dessen Leistung vorzugsweise über ein Pyrometer gesteuert wird, ergeben sich folgende Vorteile bei der Herstellung von „Segmented TBCs“:

  • - Die Temperatur des Werkstücks wird korrekt eingestellt.
  • - Die Robustheit des Spritzprozesses wird durch eine homogene Vorheiztemperatur verbessert.
  • - Die Vorschubgeschwindigkeit des Brenners kann variiert werden. Die Vorheiztemperatur ist immer konstant, da die Leistung des Lasers über das Pyrometer geregelt wird.
  • - Die Prozesszeit wird verbessert und es werden Kosten gespart, da eine separate Vorheizzeit entfällt.
The use of the laser beam, the power of which is preferably controlled by a pyrometer, has the following advantages in the production of "segmented TBCs":
  • - The temperature of the workpiece is adjusted correctly.
  • The robustness of the injection process is improved by a homogeneous preheating temperature.
  • - The feed speed of the burner can be varied. The preheat temperature is always constant as the power of the laser is controlled by the pyrometer.
  • - The process time is improved and costs are saved, since a separate pre-heating time is eliminated.

Die Figur zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Vorrichtung 1.The figure shows schematically a device 1 according to the invention.

Die Vorrichtung 1 ist innerhalb oder Teil einer Beschichtungsanlage, in der ein Werkstück 4 gehalten wird oder angeordnet ist, um es zu beschichten.The device 1 is inside or part of a coating plant in which a workpiece 4 is held or arranged to coat it.

Die Beschichtung erfolgt auf einer Oberfläche 19 des Werkstücks 4.The coating takes place on a surface 19 of the workpiece 4 ,

Im Falle von Turbinenteilen, insbesondere Gasturbinenteilen, werden nickelbasierte oder kobaltbasierte Werkstücke 4 mit einer metallischen und/oder einer keramischen Wärmedämmschicht versehen.In the case of turbine parts, in particular gas turbine parts, nickel-based or cobalt-based workpieces 4 provided with a metallic and / or a ceramic thermal barrier coating.

Dies erfolgt insbesondere durch die Verwendung eines pulverförmigen Beschichtungsmaterials 22, das aus einem Pulverreservoir 10 über eine Düse 7 auf die Oberfläche 19 des Werkstücks 4 geleitet wird.This is done in particular by the use of a powdery coating material 22 coming from a powder reservoir 10 over a nozzle 7 on the surface 19 of the workpiece 4 is directed.

Verfahren zur keramischen Beschichtung stellen APS, LPS oder HVOF dar. Diese Aufzählung stellt keine Einschränkung dar.Processes for ceramic coating are APS, LPS or HVOF. This list is not limiting.

Vorzugsweise wird Zirkonoxid und/oder Pyrochlor, einlagig oder zweilagig, verspritzt.Preferably, zirconium oxide and / or pyrochlore, single-layered or double-layered, is sprayed.

Wie oben erläutert ist es, zur Aufstellung von segmentierten keramischen Wärmedämmschichten notwendig eine Vorheizung einzuhalten, damit sich ein Temperaturgradient ergibt. Dies erfolgt dadurch, dass in der Vorrichtung 1 ein Laser 17 vorhanden ist, der die Laserstrahlen 16 ausstrahlen kann und sehr schnell und sehr effektiv das Werkstück 4 vorheizen kann.As explained above, it is necessary to maintain a preheating to set up segmented ceramic thermal barrier coatings to give a temperature gradient. This is done by having in the device 1 a laser 17 is present, the laser beams 16 can radiate and very quickly and very effectively the workpiece 4 can preheat.

Das Vorheizen erfolgt vorzugsweise in einer ersten Teilfläche 33 und das Beschichten in einer zweiten Teilfläche 30 gleichzeitig, wobei die zweite Teilfläche 30 auch schon vorab durch den Laser 17 erwärmt wurde. Anschließend wird die vorgeheizte erste Teilfläche 33 beschichtet.The preheating is preferably carried out in a first partial area 33 and coating in a second subarea 30 at the same time, the second partial area 30 even in advance by the laser 17 was heated. Subsequently, the preheated first part surface 33 coated.

Dies wird für die gesamte Fläche, die es zu beschichten gilt, gemacht, wobei die gesamte Fläche in Teilflächen aufgeteilt ist.This is done for the entire surface to be coated, with the entire surface divided into faces.

Claims (4)

Vorrichtung (1) zur Beschichtung und zur Vorheizung eines Werkstücks (4) während der Beschichtung, bei dem die Vorrichtung (1) zumindest aufweist: eine Düse (7), um Beschichtungsmaterial (22) aus einem Beschichtungsreservoir (10) auf das Werkstück (4) aufbringen zu können, zumindest einen Laser (17), der Laserstrahlen (16) ausstrahlen kann, um das Werkstück (4), das mittels der Düse (7) beschichtet wird, vorheizen zu können, insbesondere während des Beschichtens vorzuheizen.Device (1) for coating and preheating a workpiece (4) during the coating, in which the device (1) has at least: a nozzle (7), in order to be able to apply coating material (22) from a coating reservoir (10) to the workpiece (4), at least one laser (17), the laser beams (16) can radiate, around the workpiece (4), which is coated by means of the nozzle (7), to be able to preheat especially during the coating preheat. Verfahren zum Vorheizen eines Werkstückes (4) beim Beschichten, insbesondere mittels einer Vorrichtung nach Anspruch 1, bei dem ein Laserstrahl (16) eines Lasers (17) während des Beschichtens auf das Werkstück (4) in einer Vorrichtung (1) gerichtet wird, um das Werkstück (4) zumindest teilweise aufzuheizen, und danach eine Beschichtung mit einem Beschichtungsmaterial (22) aus einem Pulverreservoir (10), das über eine Düse (7) auf die Oberfläche (19) des Werkstücks (4) gelenkt wird, erfolgt.Method for preheating a workpiece (4) during coating, in particular by means of a device according to Claim 1 in which a laser beam (16) of a laser (17) is directed during the coating onto the workpiece (4) in a device (1) in order to at least partially heat the workpiece (4), and thereafter a coating with a coating material (22 ) from a powder reservoir (10), which is directed via a nozzle (7) on the surface (19) of the workpiece (4) takes place. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem eine keramische Schicht aufgetragen wird.Method according to Claim 2 in which a ceramic layer is applied. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, bei dem das Vorheizen einer ersten Teilfläche (33) und das Beschichten in einer anderen zweiten Teilfläche (30) gleichzeitig erfolgt und danach die vorheizte erste Teilfläche (33) beschichtet wird.Method according to Claim 2 or 3 in which the preheating of a first partial surface (33) and the coating in another second partial surface (30) occur simultaneously and then the preheated first partial surface (33) is coated.
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