DE19632410C1

DE19632410C1 - Coating components with thermal insulation layers

Info

Publication number: DE19632410C1
Application number: DE1996132410
Authority: DE
Inventors: Burkhard Dr Ing Hayes
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1996-08-02
Filing date: 1996-08-02
Publication date: 1997-04-24
Anticipated expiration: 2016-08-03

Abstract

During the coating of a component (2) with thermal insulation material (8), the cooling efficiency of the electron gun (11), the coating source (8), the walls of the chamber (1), and condensation box (5) are recorded and these values are used to regulate the power fed to the electron gun and/or the rate of cooling the various parts of the apparatus.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Beschichtung eines Bauteils mit einer Wärmedämmschicht.The invention relates to a method for coating of a component with a thermal barrier coating.

Aus der DE 28 21 131 C2 ist ein Verfahren zum Beschichten eines Substrates in einer Vakuumkammer bekannt, bei dem das Beschichtungsmaterial von einer Quelle emittiert wird und sich auf dem Substrat ablagert. Die Beschichtungskammer ist dort evakuiert. Es ist dort eine Auffangeinrichtung für Kon densat vorgesehen, die aus einem Drahtgewebe besteht und dazu dienen soll, daß nicht die Kondensation von Beschichtungsma terial auf den Kammerwänden zu einer Änderung der Wärmedäm mung und zu einer unerwünschten Veränderung der thermischen Eigenschaften führt.DE 28 21 131 C2 describes a method for coating a substrate in a vacuum chamber is known, in which the Coating material is emitted from a source and is deposited on the substrate. The coating chamber is evacuated there. There is a reception facility for Kon densat provided, which consists of a wire mesh and this should serve that the condensation of coating material material on the chamber walls to change the thermal insulation and an undesirable change in the thermal Properties leads.

Aus der DE OS 28 31 602 ist eine Vorrichtung zur Erfassung von Strahlparametern eines periodisch über eine Zielfläche geführten Ladungsträgerstrahls bekannt, die insbesondere beim Elektronenstrahlschmelzen und Verdampfen eingesetzt werden kann, also beispielsweise als Quelle zur Verdampfung von Be schichtungsmaterial bei dem eingangs genannten Verfahren.DE OS 28 31 602 describes a device for detection of beam parameters periodically over a target area guided charge carrier beam known, in particular when Electron beam melting and evaporation are used can, for example as a source for the evaporation of Be Layering material in the process mentioned above.

Zur Beschichtung von Bauteilen, insbesondere von Turbinen schaufeln mit keramischen Wärmedämmschichten werden PVD (physical vapour deposition)-Verfahren eingesetzt. Allgemein besteht der Zyklus zur Beschichtung eines Bauteiles aus den Teilschritten:For coating components, especially turbines blades with ceramic thermal insulation layers become PVD (physical vapor deposition) process used. General the cycle for coating a component consists of the Sub-steps:

1. preheating of the component to be coated,
2. Layer deposition on the component and
3. Cooling of the component to ambient temperature.

Der gesamte Prozeßablauf ist insgesamt als sehr energieinten siv einzuschätzen (elektrische Anschlußleistungen von ca. 600 kW bei der Verdampfung des Beschichtungsmaterials je nach An lagenkonfiguration), da ein erheblicher Betrag der dem Prozeß zugeführten Energie einerseits zur Einstellung und Einhaltung der Wunschtemperatur am Bauteil und andererseits zur Ver dampfung des keramischen Beschichtungsmaterials benötigt wird. Nach der Beschichtung ist durch geeignete Kühleinrich tungen die Energie dem Prozeß zu entziehen. Die entzogene Energie wird bisher entweder über einen Kühlturm an die Umge bung abgegeben oder zur Sekundärwärmenutzung bereitgestellt. Der Energieeinsatz macht einen beträchtlichen Anteil der Her stellungskosten aus.The entire process is overall very energy-intensive to be assessed siv (electrical connected loads of approx. 600 kW in the evaporation of the coating material depending on the type layer configuration) as a significant amount of the process supplied energy on the one hand for adjustment and compliance the desired temperature on the component and on the other hand for ver vaporization of the ceramic coating material is required becomes. After coating, use a suitable cooling device to withdraw the energy from the process. The withdrawn So far, energy has either been transferred to the reverse via a cooling tower exercise or provided for secondary heat use. The use of energy makes up a considerable part of the production positioning costs.

Die Effektivität der beschichtungsprozeßrelevanten Energie übertragung, insbesondere die der Energiezufuhr zur Verdamp fung des Beschichtungsmaterials hängt ganz wesentlich vom Übertragungswirkungsgrad und dem sich einstellenden Nutzungs grad der zugeführten Energie ab. Der Übertragungswirkungsgrad wird bezüglich der Quelle des Beschichtungsmaterials wesent lich durch Stoßprozesse der Beschußpartikel, beispielsweise Elektronen mit Restgasmolekülen bzw. durch Reflexion an der Auftreffoberfläche des zu verdampfenden Beschichtungsmaterials (Ingot) bestimmt. Die Vielzahl von Parametern mit Einfluß auf die Wärmeübertragung bzw. den Wärme- und Teilchentrans port können aufgrund ihrer Komplexität und gegenseitigen funktionalen Abhängigkeit bisher nicht geschlossen analytisch beschrieben werden. Hinzu kommt, daß die Wärmeübertra gungsprozesse einer Dynamik unterliegen, die schwer über schaubar ist.The effectiveness of the coating process-relevant energy Transmission, especially that of the energy supply to the evaporator The coating material depends essentially on Transmission efficiency and the resulting usage degree of energy supplied. The transmission efficiency becomes essential regarding the source of the coating material Lich by impact processes of the bombardment particles, for example Electrons with residual gas molecules or by reflection at the Impact surface of the coating material to be evaporated (Ingot) determined. The multitude of parameters with influence to heat transfer or heat and particle transfer port can due to their complexity and mutual functional dependency not yet closed analytically to be discribed. In addition, the heat transfer processes are subject to a dynamic that is difficult to overcome is understandable.

Bisher wurde der Weg beschritten, daß möglichst alle Ein stellparameter für das Verdampfungssystem konstant gehalten wurden. PVD-Produktionsanlagen wurden somit überwiegend in einer unwirtschaftlichen Weise betrieben. Sollte es gelingen, den Gesamtprozeß der Beschichtung oder auch nur den ener gieintensivsten Teilprozeß (Verdampfung und Schichtabschei dung) zeitlich veränderlich und optimiert zu betreiben, so kann ein wesentliches Einsparungspotential zur Kostenmini mierung bei zu beschichtenden Bauteilen erschlossen werden.So far, the path has been taken that as many as possible Control parameters for the evaporation system kept constant were. PVD production systems were therefore predominantly in operated in an uneconomical manner. Should it succeed the entire process of the coating or just the ener most intensive sub-process (evaporation and layer separation dung) to operate in a temporally variable and optimized manner can be a significant saving potential to minimize costs of components to be coated.

Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Früherkennung von ungünstigen Anlagen- und Prozeßzustän den mittels eines Diagnoseverfahrens zu ermöglichen und Mög lichkeiten für eine Prozeßsteuerung zur Verfügung zu stellen.The present invention is therefore based on the object early detection of unfavorable plant and process conditions to enable that by means of a diagnostic procedure and Mög to provide options for process control.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur Beschichtung eines Bauteils mit einer Wärmedämmschicht, bei dem sowohl das Bauteil als auch eine Quelle für Beschich tungsmaterial in einer Beschichtungskammer angeordnet sind und bei dem dem in der Quelle befindlichen Beschichtungsma terial Energie zugeführt und wenigstens sowohl die Quelle als auch die Wand der Beschichtungskammer mittels eines Fluides gekühlt wird und bei dem sowohl die Temperatur im Bereich des Bauteils als auch die von der Quelle und die von der Wand der Beschichtungskammer sowie gegebenenfalls von anderen gekühlten Elementen übertragene Kühlleistung erfaßt und in Abhängigkeit von der Temperatur und erfaßten absoluten Kühlleistungen sowie von Kühlleistungen, die zu der dem Prozeß zugeführten Leistung ins Verhältnis gesetzt sind, die dem Prozeß insgesamt zugeführte Leistung und/oder die Art der Zuführung der Leistung sowie einzelne Kühlleistungen gesteuert werden.The object is achieved according to the invention by a method for coating a component with a thermal barrier coating, where both the component and a source for coating tion material are arranged in a coating chamber and the coating level in the source material energy supplied and at least both the source and also the wall of the coating chamber using a fluid is cooled and at which both the temperature in the range of Component as well as that of the source and that of the wall of the Coating chamber and possibly others Cooled elements transferred cooling power recorded and in Dependence on the temperature and recorded absolute Cooling capacities as well as cooling capacities that correspond to the Process fed power are related to that total power supplied to the process and / or the type of Supply of power as well as individual cooling capacities being controlled.

Bei den bisher bekannten Verfahren beschränken sich Kontroll- und Steuerungsmöglichkeiten auf die Erwärmung und Aufrechter haltung der Temperatur des zu beschichtenden Werkstücks. Überschüssige Energiemengen wurden durch Kühlung abgeführt. Es wird gemäß dem Stand der Technik lediglich ein Thermo element am zu beschichtenden Bauteil oder an einer für das Bauteil repräsentativen Stelle angebracht. Mit Hilfe des Thermoelementes wird die Temperatur an dieser Stelle während der einzelnen prozeßschritte kontrolliert. In Abhängigkeit von der erfaßten Temperatur erfolgt im Rahmen der Parame tererprobungsphase bei der Inbetriebnahme eine Erhöhung oder Senkung der zugeführten Leistung (z. B. des Elektronenstrahls der Verdampfungsquelle). Da diese Meßmethode nur zum Zeit punkt der Parametererprobung in der Inbetriebnahmephase und nicht oder nur begrenzt während des Beschichtungsprozesses einsetzbar ist, werden während des Serienbeschichtungsprozes ses auftretende Temperaturdriften gemäß dem Stand der Technik nur unzureichend ausgeglichen. Mit dieser Methode wird ledig lich der am Bauteil ankommende Energiebetrag erfaßt. Zusam menhänge zwischen den den Prozeß beschreibenden Betriebspara metern und einer optimalen Energienutzung bei gleichzeitiger Einhaltung der für die Qualität der Beschichtung maßgebenden Parameter (z. B. Dampfdruck des Beschichtungsmaterials, Gas partikeldrucke von Reaktivgasen wie z. B. Sauerstoff usw.) können auf diese Weite nicht ermittelt werden. Dies soll an hand zweier Beispiele näher erläutert werden:In the previously known methods, control and control options for warming and maintaining maintenance of the temperature of the workpiece to be coated. Excess amounts of energy were removed by cooling. According to the prior art, it only becomes a thermo element on the component to be coated or on one for the Representative part attached. With the help of Thermocouple, the temperature at this point during the individual process steps are checked. Dependent on of the recorded temperature takes place in the context of the Parame test phase during commissioning an increase or Reduction of the power supplied (e.g. the electron beam the evaporation source). Since this method of measurement is only currently point of parameter testing in the commissioning phase and not or only to a limited extent during the coating process can be used during the series coating process This occurs temperature drifts according to the prior art insufficiently balanced. With this method is single Lich the amount of energy arriving at the component is recorded. Together relationships between the operational pairs describing the process meters and optimal use of energy with simultaneous Compliance with the decisive factors for the quality of the coating Parameters (e.g. vapor pressure of the coating material, gas Particle prints of reactive gases such as B. oxygen etc.) cannot be determined over this range. This is supposed to are explained in more detail using two examples:

example 1

Zur Aufschmelzung und Verdampfung des stangenförmigen Be schichtungsmaterials (beispielsweise Zirkoniumdioxid ZrO₂) wird dieses an seiner Stirnfläche durch den Elektronenstrahl abgerastert. Die durch die beschleunigten Elektronen einge brachte Energie wird nur teilweise umgesetzt für die Prozesse des Aufschmelzens und Verdampfens. Als Verlustgrößen während des Beschusses mit dem Elektronenstrahl entstehen Röntgen strahlung, Sekundärelektronen, ionisierte Restgasmoleküle, Wärmeabstrahlungsverluste an der Schmelzbadoberfläche, Kühlungsverluste an der Ingotfördereinrichtung und rückgestreute Elektronen. In Abhängigkeit von den eingestellten Elektronenstrahlparametern:For melting and evaporating the rod-shaped Be layering material (e.g. zirconium dioxide ZrO₂) this is on its face by the electron beam scanned. The turned on by the accelerated electrons brought energy is only partially implemented for the processes of melting and evaporation. As loss sizes during The bombardment with the electron beam creates X-rays radiation, secondary electrons, ionized residual gas molecules, Heat radiation losses at the melt surface, Cooling losses on the ingot conveyor and backscattered electrons. Depending on the electron beam parameters set:

- energy content of the electrons,
- angle of incidence,
- beam focusing,
- scan pattern,
- Repetition frequency of the scan pattern and
- scan speed

wird sich jeweils ein anderes Verhältnis bezüglich Ausnutzung der zugeführten Energie zum Aufschmelzen und Verdampfen und der resultierenden Energieverluste ergeben, wobei jeweils die Verlustanteile unterschiedlich verteilt sein können.there will be a different relationship in terms of utilization the energy supplied for melting and evaporation and of the resulting energy losses, with each Loss shares can be distributed differently.

Es wird daher beim Stand der Technik mit einem feststehenden und als günstig eingeschätzten Parametersatz für die Elektro nenstrahlkanone gearbeitet, wobei die Bewertungskriterien ausschließlich die realisierte Schichtdickenverteilung auf dem zu beschichtenden Bauteil sowie die Qualität der Be schichtung selbst sind.It is therefore in the prior art with a fixed and as a favorable parameter set for the electrical NEN beam gun worked, using the evaluation criteria only the realized layer thickness distribution the component to be coated and the quality of the loading layering itself.

Kommt es als Folge des Beschichtungsprozesses während der Be schichtung in der Beschichtungskammer zur unkontrollierten Ablagerung von Streukondensat, so wirkt dieses an den Kammer wänden oder an sonstigen Elementen als Wärmedämmschicht. Da durch verschiebt sich im Laufe einer Beschichtungsserie die Gesamtenergiebilanz des Systems "Elektronenkanone - Verdamp fertiegel - zu beschichtendes Bauteil - Beschichtungskammer wände". (Zusätzlich entsteht die Gefahr, daß abgelagertes Streukondensat bei einer kritischen Gesamtmenge von den Kam merwänden abblättert und beim Herabfallen die Schicht schä digt). Um diese negativen Effekte der Verschiebung der Ener giebilanz zu kompensieren, wird gemäß dem Stand der Technik beispielsweise ein Reflexionsgitter mit Kondensatkasten um die Beschichtungszone herum angeordnet, der aus einem Metallgeflecht und Blechen mit aufgebrachten Kühlschlangen besteht. Hierdurch wird versucht, das Streukondensat in seiner Ausbreitung gezielt zu lenken, das Reflexionsgitter mit Kondensatkasten (vergleiche auch DE 28 21 131 C2), den Energiegehalt und die Ausbreitungsrichtung der rückgestreuten Elektronen als Zusatzwärmequelle in einem auf die zu beschichtende Schaufel gerichteten Strom in einem Toleranz band zu halten und die Wärmerückstrahlung auf das zu be schichtende Bauteil in seiner Wirkung zu begrenzen (Isola tionswirkung).It comes as a result of the coating process during loading stratification in the coating chamber for uncontrolled Deposition of stray condensate acts on the chamber walls or other elements as a thermal insulation layer. There through shifts in the course of a coating series Total energy balance of the system "electron gun - evaporator finished crucible - component to be coated - coating chamber walls ". (In addition, there is a risk that deposited Stray condensate at a critical total amount of the Kam peels off the walls and peels off the layer as it falls digt). To these negative effects of the shift of the ener Compensating for the balance sheet is according to the state of the art for example, a reflection grille with condensate box arranged around the coating zone, which consists of a Metal mesh and sheets with cooling coils attached consists. This tries to inject the stray condensate to direct its spread, the reflection grating with condensate box (see also DE 28 21 131 C2), the Energy content and the direction of propagation of the backscattered Electrons as additional heat source in one towards the coating shovel directed current in a tolerance band to hold and the heat radiation to be to limit the layering component in its effect (Isola effect).

Durch die Messung der Temperatur an einer für das zu be schichtende Bauteil repräsentativen Stelle wird dann beim Stand der Technik bei der Temperaturgrenzwertüberschreitung die Elektronenstrahlleistung als einziger Parameter nachgere gelt.By measuring the temperature at one for the be layering component representative point is then at State of the art when the temperature limit is exceeded the electron beam power as the only parameter applies.

Eine Vielzahl von Parametern des Gesamtprozesses wird somit weder erfaßt noch gesteuert.A large number of parameters of the overall process is thus neither recorded nor controlled.

Dies gilt ebenso für den Fall, daß zur Kompensation von Ener gieverlusten eine Beheizung mit einer Zusatz-Heizquelle er folgt.This also applies to the case that to compensate for Ener loss of heating with an additional heating source follows.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren sind die Kühlleistungen der Beschichtungskammerwand und der Verdampfungsquelle sowie gegebenenfalls von anderen bei dem Prozeß beteiligten Elemen ten leicht erfaßbar. Hierdurch ist die Erstellung einer Ener giebilanz bzw. die Analyse der Energieflüsse innerhalb des Beschichtungssystems zu jedem Zeitpunkt des Beschichtungspro zesses möglich. Es kann beispielsweise herausgefunden werden, wenn an einer Stelle der Beschichtungskammerwand eine Be schichtung aufwächst, die eine vergrößerte Wärmeisolation und damit einen behinderten Wärmeenergiefluß bewirkt. Dies äußert sich nämlich in einer verminderten Kühlleistung des entspre chenden Bauteils, wenn der Kühlfluidstrom und die Zuflußtem peratur konstant gehalten wird.In the method according to the invention, the cooling capacities are the coating chamber wall and the evaporation source and possibly from other elements involved in the process easy to grasp. This is the creation of an ener balance or analysis of energy flows within the Coating system at any time of the coating pro possible. For example, it can be found if a Be layering grows, which has increased thermal insulation and thus causes a disabled flow of thermal energy. This expresses that corresponds to a reduced cooling capacity of the component when the cooling fluid flow and the inflows temperature is kept constant.

Durch diese genauere Analyse der Vorgänge in der Beschich tungskammer können Änderungen der Beschichtungsbedingungen und die Gründe hierfür herausgefunden und entsprechende Ge genmaßnahmen ergriffen werden. Es ist beispielsweise denkbar, bestimmten erfaßten Parametersätzen oder Änderungsgeschwin digkeiten von Parametersätzen bestimmte Gegenmaßnahmen mit tels eines Expertensystems und/oder eines entsprechend trai nierten neuronalen Netzes zuzuordnen.Through this more precise analysis of the processes in the coating can change the coating conditions and found out the reasons for this and corresponding ge countermeasures are taken. For example, it is conceivable certain recorded parameter sets or rate of change countermeasures with parameter sets means of an expert system and / or a corresponding trai assigned to the neural network.

Bei sonst gleichen Bedingungen werden zur Steuerung des Sy stems solche Maßnahmen bevorzugt, die zu einem geringeren Ge samtenergieverbrauch bzw. zu einer verbesserten Primärener gienutzung führen, um die Energiekosten bei der Beschichtung zu senken.If the conditions are otherwise the same, the Sy Stems preferred measures that lead to a lower Ge total energy consumption or an improved primary Energy use lead to the energy costs for the coating to lower.

Die Maßnahmen, die als Reaktion auf bestimmte, von der Norm abweichende erfaßte Parametersätze vorgesehen sind, können beispielsweise in einer Änderung der Kühlleistung bestimmter Elemente des Beschichtungssystems durch Herabsetzung oder Er höhung der Durchflußmenge eines Kühlfluides (bespielsweise Wasser) bestehen.The action taken in response to certain of the norm deviating recorded parameter sets can be provided for example, in a change in cooling performance certain Elements of the coating system by degradation or Er increase in the flow rate of a cooling fluid (for example Water).

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß eine in der Beschichtungskammer angeordnete Auffangvorrich tung für Beschichtungsmaterial ebenfalls gekühlt, die von dieser übertragene Kühlleistung erfaßt und zusammen mit ande ren erfaßten Kühlleistungswerten der Steuerung des Verfahrens zugrundegelegt wird.An advantageous embodiment of the invention provides that a collecting device arranged in the coating chamber tion for coating material also cooled by this transmitted cooling capacity is recorded and together with others Ren detected cooling performance values of the control of the method is taken as a basis.

Eine solche zusätzliche Auffangvorrichtung ist für sich be reits aus dem Stand der Technik bekannt. Sie dient u. a. der thermischen Isolation des zu beschichtenden Bauteils und dem auffangen von Streukondensat, um dieses in einer Form fest zuhalten, die ein Abblättern und Herabfallen zuverlässig verhindert.Such an additional collecting device is for itself already known from the prior art. It serves u. a. of the thermal insulation of the component to be coated and the Collect stray condensate to make it stuck in a mold keep the peeling and falling reliable prevented.

Durch die Erfassung und Steuerung der Kühlleistung dieses Bauteils steht eine zusätzliche, effektive Regelmöglichkeit zur Optimierung des Gesamtbeschichtungsprozesses zur Verfü gung.By detecting and controlling the cooling capacity of this Component, there is an additional, effective control option to optimize the overall coating process supply.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß zur Erfassung einer Kühlleistung die Temperaturen des Kühlfluides vor und nach Durchfließen des zu kühlenden Elementes gemessen und der Massenstrom des Fluides erfaßt wird.A further advantageous embodiment of the invention provides before that to detect a cooling capacity the temperatures of the cooling fluid before and after flowing through the cooling fluid Element measured and the mass flow of the fluid detected becomes.

Diese Methode stellt bei einer Fluidkühlung eine besonders einfache Möglichkeit zur Erfassung der Kühlleistung dar.This method is particularly useful for fluid cooling represents an easy way to record the cooling capacity.

Vorteilhaft wird zusätzlich die Temperatur im Bereich des Bauteils mittels eines Thermoelementes erfaßt.The temperature in the range of Component detected by means of a thermocouple.

Außerdem kann vorteilhaft vorgesehen sein, daß dem in der Quelle befindlichen Beschichtungsmaterial Energie durch Par tikelbeschuß oder einen Quantenstrahl zugeführt wird, wobei die Oberfläche des Beschichtungsmaterials mit dem Partikel strahl oder einem Quantenstrahl in reproduzierbarer Weise abgerastert wird.In addition, it can advantageously be provided that in the Coating material source energy by par particle bombardment or a quantum beam is supplied, wherein the surface of the coating material with the particle beam or a quantum beam in a reproducible way is scanned.

Ein derartiges Verfahren ist besonders effektiv zur Freiset zung großer Mengen von Beschichtungsmaterial in Dampfform, wobei die Ausbeute durch das Muster und die Geschwindigkeit der Abrasterung sowie durch die Beschleunigungsspannung der Partikel, insbesondere Elektronen steuerbar ist. Insbesondere kann die Ausbeute bei gleichbleibendem Energieeintrag durch die Art der Oberflächenabrasterung optimiert werden. Such a method is particularly effective for release large quantities of coating material in vapor form, taking the yield through the pattern and speed the scanning and the acceleration voltage of the Particles, especially electrons, can be controlled. Especially can the yield with the same energy input the type of surface scanning can be optimized.

Die Erfindung bezieht sich außerdem auf eine Vorrichtung zur Beschichtung eines Bauteils mit einer Wärmedämmschicht, mit einer Beschichtungskammer, deren Wand mittels eines Fluides kühlbar ist und mit einer Quelle zum Verdampfen von Be schichtungsmaterial, welche ebenfalls mittels eines Fluides kühlbar ist sowie mit einem Temperatursensor zur Erfassung der Temperatur des zu beschichtenden Bauteils und mit Ein richtungen zur Messung der einzelnen Kühlleistungen der Be schichtungskammerwand und der Quelle sowie mit einer Steu erungseinrichtung zur Steuerung der der Quelle zugeführten Leistung und der Betriebsart der Quelle.The invention also relates to a device for Coating a component with a thermal barrier coating, with a coating chamber, the wall of which by means of a fluid is coolable and with a source for evaporating Be layering material, which is also by means of a fluid is coolable and with a temperature sensor for detection the temperature of the component to be coated and with on directions for measuring the individual cooling capacities of the Be stratification chamber wall and the source and with a tax Erungseinrichtung for controlling the supplied to the source Power and mode of operation of the source.

Vorteilhaft ist die Steuerung derart ausgebildet, daß auch einzelne oder alle Kühlleistungen steuerbar sind.The control is advantageously designed such that individual or all cooling capacities can be controlled.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß die Steuerung derart ausgebildet ist, daß die Quelle für das Beschichtungsmaterial bezüglich der Abrastung mit ei nem Partikelstrahl oder einem Quantenstrahl steuerbar ist, so daß verschiedene Abrasterungsmuster und -Geschwindigkeiten einstellbar sind.A further advantageous embodiment of the invention provides before that the controller is designed such that the source for the coating material with respect to scanning with egg nem particle beam or a quantum beam is controllable, so that different scanning patterns and speeds are adjustable.

Außerdem kann die Erfindung vorteilhaft dadurch ausgestaltet sein, daß die Steuerung derart ausgebildet ist, daß eine Par tikelkanone der Quelle bezüglich der Beschleunigungsspannung für die Partikel und/oder des Elektrodenabstandes steuerbar ist.In addition, the invention can advantageously be designed in this way be that the control is designed such that a par particle cannon of the source with regard to the acceleration voltage controllable for the particles and / or the electrode spacing is.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbei spielen gezeigt und anschließend erläutert.In the following the invention is based on exemplary embodiments play shown and then explained.

Dabei zeigtIt shows

Fig. 1 schematisch den Aufbau einer Beschichtungskammer, Fig. 1 shows schematically the structure of a coating chamber,

Fig. 2 schematisch ein Kühlsystem und Fig. 2 shows schematically a cooling system and

Fig. 3 ein Senky-Diagramm für die Energiebilanz des Prozes ses. Fig. 3 is a Senky diagram for the energy balance of the process.

In einer Beschichtungskammer 1, deren Wand gestrichelt darge stellt ist, ist eine zu beschichtende Turbinenschaufel 2 an geordnet.In a coating chamber 1 , the wall of which is shown in dashed lines, a turbine blade 2 to be coated is arranged.

Diesem gegenüberliegend ist ein Ingot 8 (fester, aus dem Be schichtungsmaterial bestehender Körper) mit einer Vor schubeinrichtung angeordnet. Dieses besteht beispielsweise aus Zirkoniumdioxid und/oder Yttriumoxid.Opposite this is an ingot 8 (solid, made of the coating material Be body) with a pre-feed device. This consists, for example, of zirconium dioxide and / or yttrium oxide.

Das Ingot ist durch eine Kühleinrichtung 7 fluidgekühlt, bei spielsweise mit Wasser, Öl oder einem Gas.The ingot is fluid-cooled by a cooling device 7 , for example with water, oil or a gas.

Auf die Oberfläche des Ingots ist ein Elektronenstrahl 3 ge richtet, der aus einer ebenfalls in der Beschichtungskammer angeordneten Elektronenstrahlkanone 11 stammt. Die Elektro nenstrahlkanone 11 ist bezüglich der Beschleunigungsspannung der Elektronen und der Richtung des Elektronenstrahls 3 steu erbar, so daß die Oberfläche des Ingots 8 mit dem Elektronen strahl 3 abrasterbar ist.An electron beam 3 is directed onto the surface of the ingot, which comes from an electron beam gun 11 also arranged in the coating chamber. The electric nenstrahlkanone 11 is controllable with respect to the acceleration voltage of the electrons and the direction of the electron beam 3 , so that the surface of the ingot 8 can be scanned with the electron beam 3 .

Durch den Beschluß des Ingots mit Elektronen wird eine strichpunktiert umrandet dargestellte Dampfwolke 6 aus Beschichtungsmaterial gebildet, das sich unter anderem auf der zu beschichtenden Turbinenschaufel 2 in kristalliner Form absetzt. Hierbei werden je nach den Beschichtungsparametern mehr oder weniger günstige Kristallstrukturen erreicht, die im Optimalfall eine gute Wärmedämmung der Turbinenschaufel bewirken.By means of the decision of the ingot with electrons, a vapor cloud 6, shown with a dash-dotted outline, is formed from coating material, which, among other things, settles in crystalline form on the turbine blade 2 to be coated. Depending on the coating parameters, more or less favorable crystal structures are achieved, which optimally bring about good thermal insulation of the turbine blade.

Außerdem ist ein als Kondensathaube ausgebildeter Kondensat kasten 5 vorgesehen, der das Streukondensat auffängt, das sich nicht auf der Turbinenschaufel absetzt. Zusätzlich dient die Kondensathaube der Reflexion von Wärme zur Turbinen schaufel, um diese auf einer optimalen Beschichtungstem peratur zu halten. Die Kondensathaube ist mit aufgelöteten Kühlschlangen versehen, die eine Fluidkühlung dieses Elementes erlauben.In addition, a condensate box designed as a condensate hood 5 is provided, which collects the stray condensate that does not settle on the turbine blade. In addition, the condensate hood serves to reflect heat to the turbine blade in order to keep it at an optimal coating temperature. The condensate hood is provided with soldered cooling coils that allow fluid cooling of this element.

Außerdem ist ein Reflexionsgitter 9 innerhalb des Kondensat kastens angeordnet, das der Reflexion von gestreuten Elektro nen 4 des Elektronenstrahls 3 auf die Turbinenschaufel dient, um ebenfalls eine Erwärmung der Turbinenschaufel zu bewirken.In addition, a reflection grating 9 is disposed within the condensate case, the reflection of the scattered electric ns 4 of the electron beam 3 is used for the turbine blade in order to also effect a heating of the turbine blade.

Im Bereich der zu beschichtenden Turbinenschaufel 2 ist ein Thermoelement 10 zur Messung der Temperatur der Turbinen schaufel angeordnet.In the area of the turbine blade 2 to be coated, a thermocouple 10 for measuring the temperature of the turbine blade is arranged.

In der Fig. 1 ist zu der Kondensathaube 5, der Verdampfungs quelle 7, 8 und der Beschichtungskammerwand 1 jeweils ein se parater Kühlkreislauf 12, 13, 14 mit je einem Zulauf und ei nem Ablauf, angedeutet durch die entsprechenden Pfeilrichtun gen, dargestellt. Zur Erfassung der jeweiligen Kühlleistungen der einzelnen Kühlkreisläufe wird entweder im Zulauf oder im Ablauf der Massestrom des Kühlfluids gemessen und sowohl im Zulauf als auch im Ablauf die Temperatur des Kühlfluids er faßt (vergleiche Fig. 2).In Fig. 1 to the condensate hood 5 , the evaporation source 7 , 8 and the coating chamber wall 1 each a se separate cooling circuit 12 , 13 , 14 , each with an inlet and a drain, indicated by the corresponding arrow directions gene. To detect the respective cooling capacities of the individual cooling circuits, the mass flow of the cooling fluid is measured either in the inlet or in the outlet and the temperature of the cooling fluid is recorded in both the inlet and outlet (see FIG. 2).

In der Fig. 2 ist schematisch das Meß- und Steuersystem für die drei Elemente Quelle 15, Kondensathaube 16 und Beschich tungskammerwand 17 dargestellt.In Fig. 2, the measuring and control system for the three elements source 15 , condensate hood 16 and coating chamber wall 17 is shown schematically.

Die Kühlleitungen dieser drei Elemente werden mittels eines Zulaufs 18 mit einem kühlen Fluid über die Leitungen 19, 20, 21 versorgt.The cooling lines of these three elements are supplied with a cool fluid via lines 19 , 20 , 21 by means of an inlet 18 .

In jeder dieser Leitungen 19, 20, 21 wird der Massenstrom mittels des Durchflußmeßgerätes 22, 23, 24 erfaßt. Die erfaß ten Kühlmitteldurchflußwerte werden über eine Meßdatenleitung 25 an eine Recheneinrichtung 26 geleitet.In each of these lines 19 , 20 , 21 , the mass flow is detected by means of the flow meter 22 , 23 , 24 . The detected coolant flow values are passed to a computing device 26 via a measurement data line 25 .

In den einzelnen Kühlleitungen 19, 20, 21 werden außerdem die Temperaturwerte durch Temperaturmeßgeräte 27, 28, 29 erfaßt und darauf mittels der Meßdatenleitung 30 ebenfalls an die Rechnereinrichtung 26 geleitet.In the individual cooling lines 19 , 20 , 21 , the temperature values are also detected by temperature measuring devices 27 , 28 , 29 and then also passed to the computer device 26 by means of the measuring data line 30 .

Nach dem Durchfließen der jeweiligen zu kühlenden Elemente 15, 16, 17 wird in jeder der Kühlleitungen 19, 20, 21 noch mals die Temperatur mit einem Temperaturmeßgerät 31, 32, 33 gemessen und ebenfalls mittels einer Meßleitung 34 an die Meßeinrichtung 26 geleitet. Die Temperaturdifferenz des Kühl mediums vor und nach Durchlaufen des jeweils zu kühlenden Elementes 15, 16, 17 wird durch die Recheneinrichtung be stimmt und mit dem jeweiligen Wert der Durchflußmenge multi pliziert, um ein repräsentatives Maß für die Kühlleistung je des der Elemente 15, 16, 17 zu erhalten. Dies wird dann mit tels eines Bildschirms 35 angezeigt und steht zur weiteren Verarbeitung in der Recheneinheit 26 zur Verfügung.After flowing through the respective elements 15 , 16 , 17 to be cooled, the temperature in each of the cooling lines 19 , 20 , 21 is measured once more with a temperature measuring device 31 , 32 , 33 and also passed to the measuring device 26 by means of a measuring line 34 . The temperature difference of the cooling medium before and after passing through the respective elements 15 , 16 , 17 to be cooled is determined by the computing device and multiplied by the respective value of the flow rate to a representative measure of the cooling capacity of each of the elements 15 , 16 , 17 to get. This is then displayed by means of a screen 35 and is available for further processing in the computing unit 26 .

Sollen einzelne oder mehrere der in den zu kühlenden Elemen ten 15, 16, 17 umgesetzten Kühlleistungen gesteuert werden, so geschieht dies durch die Recheneinrichtung 26 über die Steuerleitungen 36, 37, 38 und entsprechende Durchflußsteuer einrichtungen 39, 40, 41 in Form von Pumpen oder Ventilen.If one or more of the cooling powers implemented in the elements 15 , 16 , 17 to be cooled are controlled, this is done by the computing device 26 via the control lines 36 , 37 , 38 and corresponding flow control devices 39 , 40 , 41 in the form of pumps or Valves.

In der Fig. 2 ist der Ablauf für das Kühlfluid mit 42 be zeichnet. Die Steuerleitungen sind gestrichelt dargestellt, Meßdatenleitungen sind strichpunktiert dargestellt.In Fig. 2, the flow for the cooling fluid with 42 be distinguished. The control lines are shown in dashed lines, measurement data lines are shown in dash-dot lines.

Die Fig. 3 zeigt ein Senky-Diagramm mit einer Energiebilanz der bei dem erfindungsgemäßen Verfahren umgesetzten Energien bzw. Leistungen. Dabei repräsentiert die Breite 43 am oberen Ende des Diagramms die gesamte, durch die Elektronenkanone bzw. andere Wärmequellen dem Prozeß zugeführte Energie. Die Breite der jeweils zur rechten Seite hinweisenden Teilstrei fen repräsentiert die jeweils durch die Elemente "Ver dampfungsquelle, Beschichtungskammerwand und Kondensathaube" durch ihre jeweilige Kühlleistung abgeführten Lei stungsanteile 44, 45, 46. Lediglich der weiter senkrecht ver laufende Teilstreifen 47 repräsentiert die für den eigentlich erwünschten Prozeß der Beschichtung zur Verfügung stehende Energiemenge. FIG. 3 shows a Senky diagram with an energy balance of the energies or powers implemented in the method according to the invention. The width 43 at the upper end of the diagram represents the total energy supplied to the process by the electron gun or other heat sources. The width of the partial stripes pointing to the right-hand side represents the power components 44 , 45 , 46 discharged by the elements “Ver evaporation source, coating chamber wall and condensate hood” by their respective cooling capacity. Only the further vertically running partial strip 47 represents the amount of energy available for the actually desired coating process.

Anhand der erfaßten absoluten Kühlleistungen kann durch Ver gleich mit der zugeführten Leistung sowohl die absolute Nutz leistung als auch der relative Anteil der verschiedenen Kühl leistungen und der Nutzleistung ermittelt werden. Zusätzlich wird die Bauteiltemperatur mittels des Referenzthermoelemen tes erfaßt und somit kann zu jeder Zeit während des Beschich tungsprozesses oder auch während der Inbetriebnahmephase ein Parametersatz gewonnen werden, der detaillierte Aussagen über den Zustand der Beschichtungsanlage und den Stand des Be schichtungsprozesses sowie eine Trendanalyse der energeti schen Verhältnisse zuläßt. Durch Gegenmaßnahmen, die bestimm ten Trends zugeordnet sind, können die Beschichtungsbedin gungen gezielt auch unter Berücksichtigung einer möglichst effektiven Energienutzung optimiert werden. Es werden be stimmte Parametersätze angestrebt, die sowohl energetisch günstig sind, als auch eine gute Qualität der Beschichtung ergeben.On the basis of the absolute cooling capacities recorded, Ver same with the power supplied both the absolute benefit performance as well as the relative proportion of different cooling services and useful performance are determined. In addition the component temperature using the reference thermal element tes recorded and can therefore at any time during the coating process or during the commissioning phase Parameter set can be obtained, the detailed statements about the condition of the coating system and the status of the loading layering process and a trend analysis of energeti conditions. Through countermeasures that determine The coating conditions can be assigned to ten trends targeted, taking into account one if possible effective energy use can be optimized. There will be agreed parameter sets aimed at, both energetically are cheap, as well as a good quality of the coating surrender.

Zur Erläuterung des Verfahrens werden im folgenden einige Beispielfälle diskutiert.Some of the following are used to explain the process Example cases discussed.

1. Commissioning phase Testing energetically optimized steel parameters

Durch Erprobung eines geeigneten Strahlablenkungsmusters der Partikelkanone (Scan-Muster) zur Ingotverdampfung läßt sich die Nutzleistung 47 gegenüber den Kühlverlustleistungen 44, 45, 46 optimieren. Das System realisiert in diesem Anwen dungsfall eine Meßfunktion zur energetischen Optimierung des Systems "Elektronenkanone - Verdampfertiegel - zu beschich tendes Bauteil - Beschichtungskammerwände".By testing a suitable beam deflection pattern of the particle gun (scan pattern) for ingot evaporation, the useful power 47 can be optimized compared to the cooling power losses 44 , 45 , 46 . In this application, the system realizes a measuring function for the energetic optimization of the system "electron gun - evaporator crucible - component to be coated - coating chamber walls".

Die Erfindung bezieht sich insofern nicht nur auf ein Ver fahren zur Beschichtung eines Bauteils, sondern auf ein Ver fahren zur Inbetriebnahme einer Beschichtungsanlage, in der die Beschichtung stattfindet. Die Inbetriebnahme wird inso fern dem Beschichtungsprozeß zugerechnet.In this respect, the invention not only relates to a Ver drive to coat a component, but to a ver drive to commissioning a coating system in the the coating takes place. The commissioning is inso removed from the coating process.

2. Component temperature drift

Das erfindungsgemäße Verfahren wird in diesem Fall zur Reali sierung einer Meß- und Steuerfunktion für den Temperaturzu stand am zu beschichtenden Bauteil verwendet.In this case, the method according to the invention becomes a reality a measurement and control function for temperature control was used on the component to be coated.

a) The thermocouple 10 signals too high a component temperature.

measure

1. A previously determined as a favorable deflection pattern for the evaporation of the ingot material and the associated electron beam parameters require a certain ratio of the detected cooling capacities to one another or to the useful power. If there is a shift in the heat balance in the course of a coating due to disturbance variables and subsequently increased component temperatures, this can manifest itself in the fact that one or more detected cooling capacities decrease. The useful power then increases in comparison to the initial value. The power supplied does not change here. To set the required thermodynamic equilibrium at a lower temperature level, countermeasures can be counteracted by specifying new parameters for cooling (increasing the flow of cooling fluid) until the required ratio of cooling outputs to useful output and the cooling outputs is set again.
The same applies to too low a component temperature.
2. On the system for supplying energy, so more typical as the electron beam gun can cause interference, the require an absolute increase in the power supplied. The Useful output will differ compared to the baseline increase. The ratio of the cooling capacities to each other can depending on the effect of other disturbances either unchanged stay or change. The ratio of changes Cooling performance among each other, so only needs one Reducing the energy input to be intervened. However, changes occur in addition to increasing the useful output tion in relation to the cooling capacities among themselves, so in addition to reducing the power input, are also on fits the cooling fluid mass flows or cooling fluid supply temperatures required.
3. Monitoring the formation of stray condensate
The process according to the invention can also be used to monitor the formation of stray condensate in the system.
In the course of the coating process, the effect can occur that the component temperature increases, which is signaled by the thermocouple 10 , and that the cooling capacity of the condensate hood, for example, decreases. The power supplied should remain constant. The useful output increases.
The indicators described are a sure indication that the formation of stray condensate has shifted the energetic conditions. An insulating layer formed on the condensate collecting box prevents heat dissipation, so that the temperature of the collecting box rises and thermal energy is also given off in the direction of the component to be coated. As a countermeasure, the power supplied can be reduced. In addition, the cooling capacity of the collecting box can be increased by increasing the cooling fluid mass flow in order to obtain optimal coating parameters.
If an upper or lower limit is reached as part of the control of the command variables for the supplied energy or the individual cooling capacities, this means that the changes in the system are so large that countersteering is no longer sensible. The system must then shut down and be cleaned in order to be able to set optimal conditions for coating components when starting up again.
b) The thermocouple 10 indicates that the component temperature is too low.

measure

1. A deflection pattern for the Evaporation of the ingot material and the associated parameters The electron beam gun requires a certain one Ratio of cooling capacities to each other and to the utility stung. It occurs in the course of a coating due to malfunctions to shift the heat balance to lower component temperatures ratios, the proportions of cooling capacities increase the total energy turnover. The useful output is reduced with constant supplied power. For setting the required thermodynamic equilibrium at one optimized parameter set can be set by specifying new guidance sizes for cooling (reduction of one or more Cooling fluid mass flows) are counteracted until the required ratio of the cooling capacities to each other and is set for useful performance.
2. Act on the system for energy supply disorders cause a reduction in the power supplied, so the power output is absolutely reduced. That remains Ratio of cooling capacities to each other constant, see above needs only by increasing the power supplied to be controlled. However, occurs in addition to reducing Useful output a change in the ratio of refrigeration one or more of them Cooling capacities by increasing the cooling fluid mass flows or Decrease in cooling fluid temperature.

c) General functional check of the cooling circuits

Durch das erfindungsgemäße Verfahren werden auch Störungen und Ausfälle des Kühlsystems leicht erkannt. Registriert das System, daß eine Steuerung von Kühlfluidmassenströmen oder eine Änderung von Kühlfluidtemperaturen nicht zu dem ge wünschten Erfolg führt, so wird auch der Funktionsausfall von Ventilen und Pumpen bzw. ein Kühlmittelverlust in Betracht gezogen. Beispielsweise bedeutet ein Kühlfluidmassenstrom, der gegen Null geht, einen Ausfall oder einen Schaden der Pumpen. Besteht keine Temperaturdifferenz zwischen der Vor- und Rücklauftemperatur des Gesamtkühlkreislaufes oder eines Teilkühlkreislaufes, so ist entweder die Wärmeenergiesenke (Kühlturm, Gewässer) nicht funktionsfähig im Sinne des Pro zesses oder die Kühlmitteltemperatur ist zu hoch.The method according to the invention also eliminates faults and cooling system failures easily identified. Register that System that control cooling fluid mass flows or a change in cooling fluid temperatures does not change to that If the desired result is successful, the failure of Valves and pumps or loss of coolant drawn. For example, a cooling fluid mass flow means going to zero, failure or damage to the Pump. If there is no temperature difference between the pre and return temperature of the entire cooling circuit or one Partial cooling circuit, so is either the heat energy sink (Cooling tower, water) not functional in the sense of the pro or the coolant temperature is too high.

Für solche Fälle kann das System eine Notausschaltung des Be schichtungsprozesses vorsehen.In such cases, the system can switch the Be provide for the layering process.

Zusätzlich zu den oben erwähnten Steuerungsgrößen kann im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens auch die durch eine Zusatzheizung in der Beschichtungskammer abgegebene Heizlei stung gesteuert werden. Die dem System zugeführte Leistung besteht dann aus der Summe der mittels der Elektronenstrahl kanone zugeführten und der durch die Zusatzheizung zugeführ ten Leistung. Die in der Zusatzheizung umgesetzte Wärmelei stung wird dann sinngemäß wie eine der Kühlleistungen des Sy stems mit umgekehrtem Vorzeichen behandelt.In addition to the control variables mentioned above, Within the scope of the method according to the invention also by a Additional heating emitted in the coating chamber be controlled. The power delivered to the system then consists of the sum of the means of the electron beam cannon and the additional heater performance. The heat energy implemented in the auxiliary heating This then becomes analogous to one of the cooling capacities of the Sy tems treated with the opposite sign.

Claims

1. A method for coating a component ( 2 ) with a thermal barrier coating, in which both the component ( 2 ) and a source ( 8 , 11 ) for coating material are arranged in a coating chamber ( 1 ) and in which the source ( 8 , 11 ) of the coating material present and at least both the source ( 8 , 11 ) and the wall of the coating chamber ( 1 ) are cooled by means of a fluid and in which both the temperature in the region of the component and that of the source ( 8 , 11 ) and the cooling capacity ( 44 , 45 , 46 ) transmitted from the wall of the coating chamber and, if appropriate, from other cooled elements ( 5 ) and as a function of the temperature and detected absolute cooling capacities ( 44 , 45 , 46 ) and cooling capacities ( 44 , 45 , 46 ), which are related to the power supplied to the process ( 43 ), the total power supplied to the process and / or the type of supply power and individual cooling capacities ( 44 , 45 , 46 ) can be controlled.

2. The method according to claim 1, characterized in that in the coating chamber ( 1 ) arranged Auffangvor direction ( 5 ) for coating material is also cooled, the cooling power transmitted by this ( 46 ) detected and together with other detected cooling power values ( 45 , 47 ) Control of the process is based.

3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that for detecting a cooling capacity ( 45 , 46 , 47 ) the temperatu ren of the cooling fluid before and after flowing through the element to be cooled is measured and the mass flow of the fluid is detected.

4. The method according to claim 1 or one of the following, characterized in that the temperature in the region of the component ( 2 ) is detected by means of a thermocouple ( 10 ).

5. The method according to claim 1 or one of the following, characterized in that the coating material ( 8 ) located in the source ( 8 , 11 ) energy ( 43 ) is supplied by particle bombardment or quantum, the surface of the coating material ( 8 ) with the Particle beam or a quantum beam is scanned in a reproducible manner.

6. Device for coating a component ( 2 ) with a thermal barrier coating, with a coating chamber ( 1 ), the wall of which can be cooled by means of a fluid and with a source ( 8 , 11 ) for evaporating coating material, which can also be cooled by means of a fluid and with a temperature sensor ( 10 ) for detecting the temperature of the component to be coated ( 2 ) and with devices ( 22 , 23 , 24 , 27 , 28 , 29 , 31 , 32 , 33 ) for measuring the individual cooling lines ( 45 , 46 , 47 ) of the coating chamber wall ( 1 ) and the source ( 8 , 11 ) and with a control device ( 26 ) for controlling the power supplied to the source ( 8 , 11 ) and the operating mode of the source ( 8 , 11 ).

7. The device according to claim 6, characterized in that the control is designed such that individual or all cooling capacities ( 44 , 45 , 46 ) are controllable.

8. Apparatus according to claim 6 or 7, characterized in that the control is designed such that the source ( 8 , 11 ) for the coating material with respect to the scanning with egg nem particle beam or a quantum beam is controllable, so that different scanning patterns and speeds are adjustable.

9. Apparatus according to claim 6, 7 or 8, characterized in that the control is designed such that a particle gun of the source ( 8 , 11 ) with respect to the acceleration voltage for the particles and / or the electrode spacing is controllable.