DE10244037A1

DE10244037A1 - Verfahren zur Beschichtung eines Werkstücks

Info

Publication number: DE10244037A1
Application number: DE2002144037
Authority: DE
Inventors: Erwin Fischhaber; Klaus Dr. Schweitzer; Manuel Dr. Hertter
Original assignee: MTU Aero Engines GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines AG
Priority date: 2002-09-21
Filing date: 2002-09-21
Publication date: 2004-04-08
Also published as: WO2004029319A3; WO2004029319A2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beschichtung eines Werkstücks. DOLLAR A Ein Werkstoff wird durch thermisches Spritzen auf das Werkstück aufgetragen. Erfindungsgemäß wird der Spritzvorgang überwacht und ausgewertet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beschichtung eines Werkstücks gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

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 wenigstens teilweise schmelzbarer Werkstoff in einem Heißgasstrahl geschmolzen und beschleunigt wird und sodann auf zum Beispiel eine zu beschichtende Oberfläche des Werkstücks gespritzt bzw. gesprüht wird. Da nahezu alle schmelzbaren Werkstoffe 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 und dem für die Beschichtung zu verwendenden, wenigstens teilweise schmelzbaren Werkstoff. Abhängig von der verwendeten Wärmequelle unterscheidet man verschiedene thermischen Spritzverfahren, nämlich zum Beispiel das Plasmaspritzen, Lichtbogenspritzen, Flammspritzen oder auch Hochgeschwindigkeitsflammspritzen.

Die Auswahl einer geeigneten Wärmequelle und damit die Auswahl des entsprechenden thermischen Spritzverfahrens hängt zum Beispiel vom für die Beschichtung zu verwendenden Werkstoff, den gewünschten Eigenschaften der Beschichtung und von den jeweiligen Kosten ab.

Bei der Beschichtung von Schaufeln einer Gasturbine, die vorzugsweise aus Titan/Nickel-Legierungen bestehen, kommt als thermisch aktiver Werkstoff für die Beschichtung bevorzugt ein thermisches Sprühpulver gemäß EP 0 487 273 B1 zum Einsatz. Ein solches Sprühpulver gemäß EP 0 487 273 B1 wird vorzugsweise durch Plasmaspritzen auf das zu beschichtende Werkstück aufgebracht, wobei ein geeigneter Plasmabrenner bzw. geeignetes Plasmatron zum Beispiel in der EP 0 851 720 B1 gezeigt ist.

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.

Nach dem Stand der Technik werden zur Qualitätskontrolle z.B. zerstörende Prüfmethoden stichprobenartig eingesetzt. Eine solche das Werkstück zerstörende Qualitätskontrolle ist zum einen kosten- und zeitintensiv, zum anderen können nur stichprobenartige Kontrollen durchgeführt werden.

Beim thermischen Spritzen liegen die Gebrauchseigenschaften der Schicht, wie Härte, Haftzugfestigkeit, üblicherweise in großen Streuungsbereichen vor. Bei speziellen Anwendungen sind wenigstens für bestimmte Gebrauchsparameter, wie z.B. die Härte bei Anstreifbelägen in Verdichtergehäusen von Gasturbinen, engere Toleranzen erforderlich.

Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung das Problem zu Grunde, ein neuartiges Verfahren zur Beschichtung eines Werkstücks zu schaffen. Es sollen bestimmte Gebrauchseigenschaften, wie Härte, reproduzierbar einstellbar sein.

Dieses Problem wird dadurch gelöst, dass das Eingangs genannte Verfahren durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 1 weitergebildet ist.

Erfindungsgemäß wird ein Werkstoff durch thermisches Spritzen auf das Werkstück aufgetragen, wobei der Spritzvorgang überwacht und ausgewertet wird. Hierdurch kann die nach dem Stand der Technik erforderliche, das zu beschichtende Werkstück zerstörende Qualitätskontrolle entfallen und einzelne Gebrauchseigenschaften der Beschichtung in gewünschten Toleranzen reproduzierbar ein- und hergestellt werden.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird der Spritzvorgang online überwacht und ausgewertet, wobei der Spritzvorgang abhängig von der Online-Überwachung geregelt wird. Dies erlaubt eine korrigierend wirkende Beeinflussung des Beschichtungsvorgangs.

Vorzugsweise wird als thermisches Spritzen Plasmaspritzen verwendet, wobei Eigenschaften eines Plasmastrahls und/oder Eigenschaften eines Partikelstrahls überwacht und ausgewertet werden. Mit Hilfe einer Kamera wird hierzu eine Leuchtdichteverteilung des Plasmastrahls und/oder des Partikelstrahls erfasst, wobei abhängig von der ermittelten Leuchtdichteverteilung das Plasmaspritzen beeinflusst wird.

Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird, ohne hierauf beschränkt zu sein, an Hand der Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt: 1: eine stark schematisierte Darstellung einer Vorrichtung zur Beschichtung eines Werkstücks zur Verdeutlichung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Beschichten eines Werkstoffs mittels thermischem Spritzen. Beim thermischen Spritzen wird ein zumindest teilweise schmelzbarer Werkstoff geschmolzen und in geschmolzener Form auf ein zu beschichtendes Werkstück gespritzt bzw. gesprüht. Wenn nachfolgend die Erfindung beispielhaft für das sogenannte Plasmaspritzen beschrieben wird, so soll die Erfindung jedoch nicht auf das Plasmaspritzen beschränkt sein. Vielmehr kann die Erfindung auch bei allen anderen thermischen Spritzverfahren zum Einsatz kommen. Die Erfindung lässt sich jedoch besonders vorteilhaft beim Plasmaspritzen verwenden.
Das Plasmaspritzen als solches ist aus dem Stand der Technik hinlänglich bekannt. So offenbart zum Beispiel die EP 0 851 720 B1 ein für das Plasmaspritzen geeigneten Plasmabrenner bzw. geeignetes Plasmatron. Die EP 0 487 273 B1 offenbart ein thermisches Sprühpulver, welches als Werkstoff zum Beschichten eines Werkstücks geeignet ist. Der Vollständigkeit halber soll lediglich angemerkt werden, dass beim Plasmaspritzen zwischen einer Kathode und einer Anode eines nicht-dargestellten Plasmatrons ein Lichtbogen gezündet wird. Dieser Lichtbogen erhitzt ein durch das Plasmatron strömendes Plasmagas. Als Plasmagase werden zum Beispiel Argon, Wasserstoff, Stickstoff, Helium oder Gemische dieser Gase verwendet. Durch das Erhitzen des Plasmagases stellt sich ein Plasmastrahl ein, der im Kern Temperaturen von bis 20.000°C erreichen kann. Der zur Beschichtung verwendete Werkstoff, zum Beispiel das aus der EP 0 487 273 bekannte thermische Sprühpulver, wird mithilfe eines Trägergases in den Plasmastrahl injiziert und dort geschmolzen. Des weiteren wird dieser für die Beschichtung zu verwendende Werkstoff durch den Plasmastrahl auf ein eine hohe Geschwindigkeit beschleunigt. Der auf diese Art und Weise geschmolzene sowie beschleunigte Werkstoff wird auf das zu beschichtende Werkstück aufgetragen, nämlich aufgespritzt. Hierbei bildet sich ein Spritzstrahl aus, wobei der Spritzstrahl zum einen von dem Plasmastrahl und zum anderen von dem Partikelstrahl des geschmolzenen Werkstoff gebildet wird. Die Partikel des Werkstoffs prallen mit einer hohen thermischen sowie kinetischen Energie auf eine Oberfläche des zu beschichtenden Werkstücks auf und bilden dort eine Beschichtung. Abhängig von den Parametern des Spritzprozesses bilden sich die gewünschten Eigenschaften der Beschichtung , wie z.B. deren Härte, aus.
Die Schichteigenschaften sind, wie bereits erwähnt, von verschiedenen Parametern des Beschichtungsvorgangs abhängig. Obwohl thermische Spritzprozesse, wie zum Beispiel Plasmaspritzen, bereits gut erforscht sind, unterliegen die Eigenschaften der sich einstellenden Beschichtungen selbst bei scheinbar konstanten Parametern des Beschichtungsprozesses großen Streuungen. Hierfür sind die komplexen Zusammenhänge zwischen den Prozessparametern und den Eigenschaften der sich ausbildenden Beschichtung verantwortlich. Der Beschichtungsprozess ist daher gegenüber Schwankungen des Beschichtungsvorgangs äußerst empfindlich.
Es liegt nun im Sinne der Erfindung, den Spritzvorgang zu überwachen und auszuwerten. Die Überwachung und Auswertung des Spritzvorgangs erfolgt online. Hierdurch lässt sich eine Online-Prozesskontrolle bzw. Online-Qualitätssicherung des Beschichtungsvorgangs realisieren. Nach dem Stand der Technik müssen zur Prozesskontrolle beschichtete Werkstücke einer zerstörenden Prüfmethode unterzogen werden. Es liegt auf der Hand, dass das erfindungsgemäße Verfahren, bei dem der Spritzvorgang als solcher online überwacht und ausgewertet wird, gegenüber dem Stand der Technik weniger kostenintensiv und weniger zeitintensiv ist. Des weiteren müssen unter Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens beschichtete Werkstücke zur Qualitätskontrolle nicht mehr zerstört werden. Mithilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens kann der Beschichtungsvorgang jedes einzelnen zu beschichtenden Werkstücks überwacht und kontrolliert werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren soll nun unter Bezugnahme auf 1 im Detail erläutert werden. So zeigt 1 stark schematisiert einen sich beim Plasmaspritzen einstellenden Spritzstrahl 10. Der Spritzstrahl 10 wird mit einer Kamera 11 optisch überwacht, die im gezeigten Ausführungsbeispiel als CCD-Kamera ausgebildet ist. Das von der Kamera 11 erfasste bzw. ermittelte Bild wird einem im Detail nicht-dargestellten Bildverarbeitungssystem zugeführt. Im Bildverarbeitungssystem werden Eigenschaften des optisch überwachten Spritzstrahls aus den von der Kamera 11 erfassten Daten ermittelt.
So zeigt 1 ein Auswertemuster 12 zur Auswertung der von der Kamera 11 erfassten Daten des Spritzstrahls 10. So kann 1 entnommen werden, dass von der Kamera 11 sowohl Eigenschaften eines Plasmastrahls 13 als auch Eigenschaften eines Partikelstrahls 14 erfasst werden. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ermittelt die Kamera 1 1 eine Leuchtdichteverteilung des Plasmastrahls 13 sowie eine Leuchtdichteverteilung des Partikelstrahls 14.
Aus diesen Leuchtdichteverteilungen werden im Bildverarbeitungssystem Höhenlinien mit gleicher Leuchtintensität ermittelt. In solche Höhenlinien mit gleicher Leuchtintensität werden gemäß 1 Ellipsen 15 eingeschrieben. Dies erfolgt sowohl für den Plasmastrahl 13 als auch für den Partikelstrahl 14. Die in die Höhenlinien eingeschriebenen Ellipsen 15 verfügen über charakteristische geometrische Kenngrößen. Bei diesen geometrischen Kenngrößen der Ellipsen 15 handelt es sich um Halbachsen a sowie b sowie um den Schwerpunkt der Ellipsen, der in 1 durch die Koordinaten Sx sowie Sy identifiziert werden kann. Aus diesen charakteristischen Daten der Ellipsen 15 lässt sich eindeutig auf die Eigenschaften des Spritzstrahls und letztendlich auf die Eigenschaften der sich beim Spritzvorgang einstellenden Beschichtung schließen.
Die aus der optischen Überwachung des Spritzstrahls ermittelten, geometrischen Kenngrößen der Ellipsen 15, die Eigenschaften des Spritzstrahls 10 entsprechen, werden mit vorgegebenen Werten für diese Eigenschaften bzw. vorgegebenen Ellipsenkenngrößen verglichen. Diese vorgegebenen Ellipsenkenngrößen sind durch eine Korrelation zwischen den Prozessparametern des Spritzvorgangs, den Partikeleigenschaften des geschmolzenen Werkstoffs und den Eigenschaften der sich ergebenden Beschichtung ermittelbar. Wird eine Abweichung der ermittelten Eigenschaften des Spritzstrahls von den vorbestimmten Werten für die Eigenschaften erkannt, so kann der Spritzvorgang entweder abgebrochen oder abhängig von dieser Abweichung derart geregelt werden, dass die vorbestimmten Eigenschaften des Spritzstrahls erreicht werden.
Im gezeigten Ausführungsbeispiel wird der Spritzstrahl anhand seiner Leuchtdichteverteilung überwacht und anhand einer Auswertung der Leuchtdichteverteilung kann auf die Eigenschaften der sich einstellenden Beschichtung geschlossen werden. An dieser Stelle soll darauf hingewiesen werden, dass auch andere Eigenschaften des Spritzstrahls optisch erfasst und ausgewertet werden können. So kann anstelle oder zusätzlich zu der Leuchtdichteverteilung auch eine Partikeltemperatur und/oder Partikelgeschwindigkeit und/oder Partikelgröße des Spritzstrahls überwacht werden. Auch aus diesen Eigenschaften kann auf die Eigenschaften der sich einstellenden Beschichtung geschlossen werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich vor allem zur Beschichtung von Verdichtergehäusen, damit ungepanzerte Titan-/Nickelschaufeln einer Gasturbine z.B. mit dem aus der EP 0 487 273 B1 bekannten, thermischen Sprühpulver ohne Beschädigung anstreifen können. Bislang war es nämlich nicht möglich, für ungepanzerte Titan/Nickelschaufeln eine Beschichtung an dem Verdichtergehäuse aus dem Sprühpulver gemäß EP 0 487 273 B1 in niedriger Härte reproduzierbar herzustellen. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann der Spritzvorgang laufend online überwacht und entsprechend beeinflusst werden. Der Spritzstrahl kann vor, während und/oder nach der Beschichtung des zu beschichtenden Werkstücks überwacht und ausgewertet werden. Somit ist es erstmals möglich, eine Beschichtung reproduzierbar herzustellen.

10: Spritzstrahl
11: Kamera
12: Auswertemuster
13: Plasmastrahl
14: Partikelstrahl
15: Ellipse

Claims

Verfahren zur Beschichtung eines Werkstücks, wobei ein Werkstoff durch thermisches Spritzen auf das Werkstück aufgetragen wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Spritzvorgang überwacht und ausgewertet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Spritzvorgang online überwacht und ausgewertet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass hierzu ein Spritzstrahl (10) optisch überwacht wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass Eigenschaften des Spritzstrahls (10) optisch erfasst und ausgewertet werden.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass Eigenschaften der im Spritzstrahl (10) befindlichen Partikel optisch erfasst und ausgewertet werden, wobei es sich bei diesen Eigenschaften um Partikeltemperatur und/oder Partikelgeschwindigkeit und/oder Partikelgröße und/oder Leuchtintensität der Partikel handelt.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass dann, wenn die ermittelten Eigenschaften des Spritzstrahls (10) von vorbestimmten Werten für die Eigenschaften abweichen, der Spritzvorgang abgebrochen wird.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Spritzvorgang abhängig von den ermittelten Eigenschaften des Spritzstrahls (10) und abhängig von vorbestimmten Werten für die Eigenschaften geregelt wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass als thermisches Spritzen Plasmaspritzen verwendet wird, und dass Eigenschaften eines Plasmastrahls (13) und/oder Eigenschaften eines Partikelstrahls (14) überwacht und ausgewertet werden.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass mit Hilfe einer Kamera eine Leuchtdichteverteilung des Plasmastrahls (13) und/oder des Partikelstrahls (14) erfasst wird, wobei abhängig von der ermittelten Leuchtdichteverteilung das Plasmaspritzen beeinflusst wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass aus der oder jeder ermittelten Leuchtdichteverteilung Höhenlinien mit gleicher Leuchtintensität ermittelt werden, wobei in diese Höhenlinien Ellipsen (15) einbeschrieben werden, und wobei aus den Kenngrößen der Ellipsen auf die Qualität des Spritzvorgangs geschlossen wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Werkstück ein Verdichtergehäuse einer Gasturbine bereitgestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Verdichtergehäuse mit einem Einlauf- bzw. Anstreifbelag in einem solchen Härtebereich beschichtet wird, dass dieser erosionsfest und für ungepanzerte Verdichterschaufeln aus Titan- und Nickellegierungen anstreiffähig ist.