DE19837400C1 - Verfahren und Vorrichtung zur Beschichtung von Hochtemperaturbauteilen mittels Plasmaspritzens - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Beschichten von Hochtemperaturbauteilen (10) mittels Plasmaspritzens. Mit einer Infrarotkamera (20) wird die Verteilung der Wärmestrahlung (30) der Bauteiloberfläche (40) ermittelt und daraus die Temperaturverteilung (70) bestimmt, nach deren Maßgabe ein Verfahrensparameter (p) zur Erreichung einer Schwellentemperatur (Ts) eingestellt wird. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Beschichtungsvorrichtung zur Herstellung einer Beschichtung (15) unter Kontrolle der Oberflächentemperatur durch eine Infrarotkamera (20).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beschichtung von Hochtemperaturbauteilen mittels Plasmaspritzens, insbesondere von Gasturbinenbauteilen, nach dem Oberbegriff von Anspruch 1. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Beschichtungsvor­ richtung mit einer Infrarotkamera, nach dem Oberbegriff von Anspruch 14.

Das Plasmaspritzen hat neben anderen thermischen Beschich­ tungsverfahren aufgrund seiner flexiblen Einsatzmöglichkeiten und einer guten ökonomischen Bilanz große Bedeutung bei der Herstellung von Beschichtungen zum Schutz von Bauteilen, z. B. gegenüber Heißgaskorrosion. Verschiedene bekannte Verfahren sind u. a. das Vakuumplasmaspritzen (VPS), das Niedrigdruck­ plasmaspritzen (LPPS) und das atmosphärische Plasmaspritzen.

Bei der Plasmaspritztechnologie wird eine Beschichtung da­ durch erzeugt, daß ein sehr heißer Plasmastrahl unter Zufüh­ rung von aufzutragendem Material auf das zu beschichtende Substrat gerichtet wird. Das Beschichtungsmaterial liegt da­ bei meist als Pulver oder Draht vor und wird während des Transports durch den Plasmastrahl vor dem Auftreffen auf das Substrat aufgeschmolzen. Prinzipiell ist damit die Herstel­ lung verschiedenster Schichtdicken mit sehr unterschiedlichen Beschichtungs- und Substratmaterialien möglich. Es können Me­ tallpulver und Keramikpulver in verschiedensten Mischungen und Korngrößen verwendet werden, solange das Ausgangsmaterial einen definierten Schmelzpunkt aufweist. Zur Beschichtung von Gasturbinenschaufeln mit einer Heißgaskorrosionsschicht wird z. B. eine MCrAlY-Schicht eingesetzt, wobei M als Platzhalter für die Metalle Ni und Co steht.

Die Art und Qualität der Schicht wird u. a. durch den Porenge­ halt, den Oxid- und Nitridgehalt und durch ihre Haftungsei­ genschaften beeinflußt. Wichtige Haftungsmechanismen sind ne­ ben der Rauheit der Oberfläche die wechselseitige Diffusion der verschiedenen Materialien oder chemische Reaktionen. Es ist häufig notwendig, vor Auftragung der eigentlichen Schutz­ schicht eine Haftvermittlerschicht aufzubringen, insbesondere dann, wenn unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten auszugleichen sind.

Um die Qualität der Beschichtung zu kontrollieren, werden verschiedene Verfahren angewandt. Vorzuziehen sind hierbei zerstörungsfreie Prüfungen, wie sie z. B. durch die Ultra­ schall- oder Infrarottechnologie geliefert werden. Nachteilig ist es bei den erstgenannten Verfahren oft, daß die Untersu­ chungsinstrumente die Oberfläche des Werkstücks berühren, wo­ durch die Einsatzmöglichkeiten z. B. auf bestimmte Bauteilgeo­ metrien eingeschränkt werden. Weiterhin treten häufig Fehler durch Oberflächenverunreinigungen, -unebenheiten oder andere Oberflächenanomalien auf. Die Untersuchung des Bauteils be­ steht in einer großflächigen, mittelnden Beobachtung.

Bei Infrarottechnologien entfallen viele dieser Nachteile. Sie beruhen darauf, daß jede Materie, korreliert mit der Tem­ peratur des Bauteils elektromagnetische Strahlung absorbiert und emittiert, die von Infrarotdetektoren registriert wird. Die Infrarotmethoden sind schnell und flexibel einsetzbar und können unproblematisch an Steuerungen oder Regelungen ange­ schlossen werden.

Zur Feststellung von Rissen, die beispielsweise aufgrund von Spannungen in den Schichten entstehen, kann eine in US-PS 5 111 048 dargestellte Infrarot-Thermographie-Methode verwendet werden. Hierbei wird Laserstrahlung zur Kontrastherstellung zwischen den Fehlerstellen und der restlichen Oberfläche be­ nutzt. Fehlerstellen zeigen gegenüber der ungestörten Ober­ fläche andere Absorptions- bzw. Emissionseigenschaften von elektromagnetischen Strahlungen. Nachteilig ist u. a., daß dieses Verfahren nicht für den Einsatz in einer Beschich­ tungskammer während der Beschichtung nutzbar ist und daß die Strahlung erst durch äußere Strahlungsmittel unabhängig von der Beheizung angeregt werden muß.

Eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Untersuchung der Dicke und der Fehler der Beschichtung mittels einer Infrarottechnik ist in GB 2 220 065 beschrieben. Hierbei wird das beschich­ tete Bauteil durch einen kurzen Infrarotimpuls angestrahlt und die Strahlantwort von einer Infrarotkamera registriert. Der zu untersuchende Bereich ist dabei homogener ausgeleuch­ tet als in der oben beschriebenen Methode. Nachteilig ist un­ ter anderem, daß sich bei höheren Prozeßtemperaturen die In­ frarotstrahlung des aufgeheizten Bauteils und der Blitzlicht­ lampe für eine in der Meßmethode vorgesehene Detektion und Auswertung schlecht trennbar überlagern.

Die oben dargestellten Kontrollverfahren und auch andere wer­ den im allgemeinen nach der Fertigstellung der Beschichtung durchgeführt. Es ist aber wünschenswert, Online-Kontrollen bereits während der Beschichtung durchzuführen, um nötigen­ falls steuernd einzugreifen bzw. das Verfahren anhand der Er­ gebnisse zu regeln. Darüberhinaus ist eine damit verbundene Kontrolle und Regelung der Verfahrensparameter während des Prozesses angezeigt, um die Qualität sicherzustellen und das Verfahren zu verbessern.

In der US 5 047 612, die die Merkmale des Oberbegriffs des Anspruchs 1 aufweist, wird ein Verfahren zur Online-Kontrolle der Beschichtung während des Beschichtungsvorgangs beschrie­ ben. Mittels eines Infrarotdetektors wird die Position des Strahlflecks des Plasmastrahls auf dem zu beschichtenden Bau­ teil ermittelt und der Beschichtungsauftrag während der Be­ schichtung durch eine Regelung des Pulverstromes und des Trä­ gergases des Pulvers beeinflußt. Nachteilig ist dabei, daß die Einstellung von Prozeßparametern im wesentlichen für je­ des Bauteil unabhängig erfolgt. Die Steuerung der Pulverver­ teilung bietet darüberhinaus für sich genommen keine ausrei­ chende Bedingung für eine den Betriebsanforderungen genü­ gende, sichere Haftung der Beschichtung.

Demgegenüber hat die Oberflächentemperatur des zu beschich­ tenden Bauteils für die Ausbildung der verschiedenen Schutz­ funktionen der Beschichtung eine grundlegende Bedeutung. Die oben erwähnten MCrAlY-Schichten erzielen ihre Schutzfunktion beispielsweise durch die Bildung von Aluminiumoxid bzw. Chro­ moxidschichten. Hierdurch wird insbesondere ein Oxidationsan­ griff im Grundwerkstoff verhindert. Die Oxidschichten werden je nach Oberflächentemperatur des Bauteils unterschiedlich ausgebildet. Für die Anhaftung verschiedener Metall-Keramik- Schichten im Plasmaspritzprozeß kommt ebenfalls nach neuesten Ergebnissen der Oberflächentemperatur des Substrats und dem Temperaturgradienten auf der Bauteiloberfläche verstärkte Be­ deutung zu (s. z. B. Proc. Int. Therm. Spr. Conf. 1998, Nice, Frankreich, S. 1555 ff.).

Zur Temperaturmessung werden beim Plasmaspritzen häufig Pyro­ meter an einer frei zu definierenden Stelle der Oberfläche des Bauteils eingesetzt. Diese liefern jedoch nur Punktmes­ sungen und es besteht bei einer Bewegung der Schaufel während der Prozeßführung die Gefahr, daß die pyrometrische Tempera­ turmessung an wechselnden Orten der Schaufeloberfläche durch­ geführt wird. Die auf diese Weise gemessene Temperatur ist deshalb großen, nicht kalkulierbaren Schwankungen unterwor­ fen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, das eingangs genannte Verfahren/die eingangs genannte Vorrichtung so zu verbessern, daß die Qualität der erzeugten Schichten zuver­ lässig und reproduzierbar während des Beschichtungsverfahrens beobachtet und eingestellt werden kann.

Die Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1/eine Vorrichtung nach Anspruch 14 gelöst.

Durch die Messung der Wärmeverteilung eines Oberflächenbe­ reichs des Bauteils mittels einer Infrarotkamera im Sinne der vorliegenden Erfindung ist ein flächenhafter Überblick über die Bauteiloberfläche in Echtzeit möglich. Eine Messung der Wärmestrahlung mit einer Infrarotkamera wird zwar schon bei­ spielsweise in dem oben genannten bekannten Verfahren nach US 5 047 612 zur Kontrolle des Pulverauftrages während der Plas­ mabeschichtung benutzt. Demgegenüber wird in der vorliegenden Erfindung die Bestimmung der exakten absoluten Temperaturver­ teilung der gesamten Bauteiloberfläche oder ausgewählter, vorbestimmter Abschnitte der Bauteiloberfläche genau und in Abhängigkeit von der Zeit durchgeführt. Eine erfindungsgemäße Infrarotkamera entspricht einem infrarotempfindlichen CCD- Feld mit Optiken zur Abbildung des Bauteils auf dem CCD-Feld und intensitäts- bzw. frequenzabhängigen Auswerteeinrichtun­ gen. Die Bestimmung der Temperaturverteilung aus der Wärme­ verteilung geschieht dadurch, daß die mit der Infrarotkamera gemessene Wärmestrahlung der Bauteiloberfläche mit dem Strah­ lungs-Referenzmittel verglichen wird. Wesentlich für die vor­ liegende Erfindung ist eine mit der Messung der Wärmevertei­ lung bzw. der Temperaturverteilung verbundene Einstellung der Wärmeverteilung bzw. der daraus bestimmten Temperaturvertei­ lung mittels eines einstellbaren Verfahrensparameters. Durch die Einstellung des Verfahrensparameters wird eine Korrektur der Oberflächentemperatur hinsichtlich ihrer absoluten Größe zwecks Erreichung einer Schwellentemperatur vorgenommen.

Das Strahlungs-Referenzmittel wird durch eine Heizung auf ei­ ne nach Bedarf einstellbare Temperatur gebracht, die durch ein Temperaturkontrollelement genau bestimmt wird. Den mit der Kamera aufgenommenen Wärmebildern des Strahlungs-Refe­ renzmittels lassen sich auf einfache Weise, wie z. B. durch Farbvergleiche oder beispielsweise bei vorgeschaltetem Strah­ lungsfilter durch Intensitätsvergleiche absolute Temperatur­ werte zuordnen und auf das Wärmebild des Bauteils übertragen. Die Oberflächentemperatur des Bauteils wird dann durch Ein­ stellung des Verfahrensparameters angepaßt und unter Berück­ sichtigung der speziellen Eigenschaften des jeweils vorlie­ genden Oberflächenbereichs reproduzierbar und genau in einen Bereich gebracht, der für die Schichtbildung und -haftung vorteilhaft ist. Durch das Überschreiten der Schwellentempe­ ratur ist dann eine wesentliche Bedingung für eine gute An­ haftung erreicht.

Generell können Farbvergleiche "per Auge" mit einer hohen Empfindlichkeit vorgenommen werden. Beispielsweise ist durch Einstellung einer vorbestimmten Temperatur des Strahlungs-Re­ ferenzmittels nahe der einzustellenden Schwellentemperatur ein einfaches, schnell und sicher zu kontrollierendes Krite­ rium für ein Über- oder Unterschreiten der Schwellentempera­ tur bereits durch einen Sichtvergleich der Wärmestrahlungs­ aufnahmen des Bauteils und des Strahlungs-Referenzelements gegeben. Es ist jedoch auch eine Auswertung mittels EDV sinn­ voll einsetzbar, z. B. ein elektronischer Farbwert- oder In­ tensitätsvergleich.

Das Verfahren bietet reproduzierbare Ergebnisse und gewähr­ leistet bereits während des Beschichtungsvorganges eine ex­ akte und variabel zu handhabende Kontrolle über die Haf­ tungseigenschaften der aufzutragenden Schicht. Aufgrund der Übersichtlichkeit können die Temperaturen unter Wahrung der Genauigkeit und Reproduzierbarkeit sogar von Hand eingestellt werden. Insbesondere bei komplexen zu beschichtenden Oberflä­ chenbereichen wirkt sich die große räumliche Genauigkeit bzw. die sehr gute Auflösung günstig aus.

Bei der Herstellung größerer Stückzahlen von Beschichtungen für Bauteile ist durch Einstellung eines geprüften Verfah­ rensparameters eine Erhöhung der Reproduzierbarkeit der Be­ schichtungsergebnisse, eine Verbesserung der Zuverlässigkeit der Beschichtung und eine gleichbleibend hohe Qualität mit einfachen Schritten erreichbar. Dies ist auch zur Qualitäts­ sicherung im Rahmen des Qualitätsmanagements einer derartigen Prozeßführung durchführbar. Das vorgeschlagene Verfahren ist deshalb für die industrielle Produktion von Beschichtungen für Hochtemperaturbauteile gut geeignet.

Es ist weiterhin vorteilhaft, mit dem Verfahrensparameter ei­ ne Temperaturverteilung im Oberflächenbereich des Bauteils einzustellen, bei der vorbestimmte Temperaturdifferenzen und/oder Temperaturgradienten nicht überschritten werden. In­ homogenitäten der Temperaturverteilung, insbesondere starke örtliche Schwankungen, also große Temperaturgradienten können trotz einer allgemein recht hohen Durchschnittstemperatur zu einer verminderten Haftung der Beschichtung führen. Tempera­ turgradienten können z. B. durch eine ungleichmäßige Aufhei­ zung oder wechselnde Bauteileigenschaften, wie beispielsweise unterschiedliche Dicken des Materials entstehen. Neben dem Einstellen des Parameters zwecks Erreichens einer Schwellen­ temperatur ist es möglich, mit der Einstellung des Parameters Temperaturschwankungen der Oberfläche durch Einhaltung von maximalen Temperaturunterschieden zu beschränken und eine gleichmäßige Temperaturverteilung einzustellen.

Die Erfassung der Wärmestrahlung mittels Infrarotkamera kann weiterhin zeitliche Schwankungen der Temperaturverteilung, die beispielsweise aus Leistungsschwankungen der Heizquelle resultieren, sichtbar machen und zwar in-situ und mit höch­ ster zeitlicher Auflösung, z. B. 10-50 Bilder/sec. Die Ein­ stellung des Parameters erfolgt in diesem Fall vorteilhaft aufgrund von Erfahrungswerten oder Meßwerten und durch Ab­ stimmung mit der gemessenen, zeitabhängigen Temperaturvertei­ lung.

Die Schwellentemperatur wird vorteilhafterweise im Hinblick auf ein optimales Haftungsvermögen der Beschichtung auf dem Bauteil eingestellt und/oder die Temperaturdifferenzen und/oder Temperaturgradienten werden zu demselben Zweck nur innerhalb vorbestimmter Grenzen zugelassen.

Unterschiedliche Materialien, insbesondere Materialkombina­ tionen aus Schichtmaterial und Substratmaterial machen es bei der Einstellung der Temperaturverteilung der Oberflächenbe­ reiche der Bauteile notwendig, verschiedene Schwellentempera­ turen zu erreichen, was durch eine Veränderung der Einstel­ lung des Verfahrensparameters möglich ist.

Mit der vorliegenden Erfindung ist eine flexible, schnelle und genaue Einstellung der Schwellentemperatur durch die Ein­ stellung des Parameters in Abhängigkeit von der gemessenen Temperaturverteilung bedarfsgerecht erreichbar. Hinzu kommt noch die Möglichkeit, sich hierdurch auf unterschiedliche Bauteileigenschaften einzustellen. Durch die Steuerung des Verfahrensparameters kann individuell auf die Temperatur­ schwankungen reagiert werden und es können für die Haftung der Beschichtung notwendige Grenzen von Temperaturunterschie­ den eingehalten werden.

Es ist weiterhin möglich, bei der Prozeßkontrolle und -steue­ rung per Hand oder mittels EDV-Unterstützung bauteil- und ma­ terialcharakteristische Parameter heranzuziehen. Hierdurch kann auch der Einfluß unterschiedlicher Materialstärken bei­ spielsweise aufgrund der Veränderungen in der Wärmeleitfähig­ keit der Bauteile berücksichtigt werden. Bei der Auftragung mehrfacher, auch unterschiedlicher Beschichtungen eines Bau­ teils können die Schwellentemperaturen und damit die Be­ schichtungstemperaturen durch gespeicherte, materialspezifi­ sche Größen der Verfahrensparameter schnell und individuell angepaßt werden.

Es wird vorgeschlagen, daß an mehreren Bereichen der Oberflä­ che des Bauteils jeweils eine vorbestimmte Schwellentempera­ tur eingestellt wird. Gerade an im späteren Einsatz besonders belasteten Stellen des Bauteils, z. B. an heißesten und stärk­ sten Strömungen und mechanischen Belastungen ausgesetzten Teilen von Gasturbinen ist es notwendig, eine optimale Haf­ tung sicherzustellen, um die Funktionalität zu gewährleisten. Durch die vorliegende Erfindung ist es stets möglich, diese Anforderungen bedarfsgerecht zu erfüllen. Ein zur Aufheizung des Bauteils verwendeter Strahl kann den Erfordernissen ent­ sprechend über bestimmte, schneller abkühlende Stellen ge­ führt werden. Eine gleichzeitige Kontrolle ist durch die Be­ obachtung und Steuerung mit der Infrarotkamera praktisch zu jedem Zeitpunkt gegeben.

Es ist vorteilhaft, wenn der Verfahrensparameter durch Ver­ gleich der Temperaturverteilung des Oberflächenbereichs des Bauteils mit einer Solltemperaturverteilung geregelt wird. Wenn sich gewisse Temperaturverteilungen bei Testmessungen und Probeläufen, aber auch während der eigentlichen Beschich­ tung als besonders vorteilhaft erwiesen haben, ist es wün­ schenswert, dies für nachfolgende Beschichtungen nutzen zu können. So kann sich auch eine konstante Temperaturverteilung mit Temperaturen größer als die Schwellentemperatur als sinn­ voll herausgestellt haben. Die Temperaturverteilung wird dann im Sinn dieser konstanten Temperatur für die gesamte Oberflä­ che eingestellt. Dies kann von Hand schnell durchgeführt wer­ den. Die Einstellung einer Temperaturverteilung kann weiter­ hin durch Benutzung in einem Regelkreis gespeicherter und überprüfter Größen des Verfahrensparameters nach Vergleich mit der von der Infrarotkamera gelieferten Temperaturvertei­ lung der Bauteiloberfläche geschehen.

Das Bauteil wird vorteilhafterweise vorgewärmt und/oder wäh­ rend des Plasmaspritzens mit einem Plasmastrahl beheizt und als Verfahrensparameter wird ein Parameter des Plasmastrahls eingestellt. Die Haftung der Schicht auf dem Grundwerkstoff wird durch eine hohe Vorwärmtemperatur positiv beeinflußt. Die Vorwärmtemperatur ist entscheidend für die Haftung nicht nur der ersten, sondern auch aller später wiederum darauf aufgebrachten Schichten, da diese nur so gut haften können wie die erste. Eine der Vorwärmtemperatur vergleichbare Tem­ peratur sollte auch während des Plasmaspritzens eingehalten werden und ist vorteilhafterweise durch Beheizen mit dem Plasmastrahl zu erreichen. Eine Aufheizung mit dem Plas­ mastrahl gewährleistet beispielsweise gegenüber einer induk­ tiven Widerstandsheizung, daß im wesentlichen die für die Be­ schichtung wichtigen, äußeren Schichten aufgewärmt werden. Das Bauteilmaterial, das eventuell den hohen Temperaturen über längere Zeit nicht standhalten kann, wird nur minimal geschädigt. Gleichzeitig kann die Oberfläche mit dem Plas­ mastrahl unter bestimmter, weiter unten näher erläuterten Po­ lung des Bauteils gereinigt werden, was wiederum die Haftung verbessert. Allerdings kann es dabei auch leicht geschehen, daß sich stärkere Gradienten in der Temperaturverteilung ein­ stellen, die einer guten Haftung entgegenwirken. Gerade bei einer Vorwärmung des Bauteils ist es deshalb vorteilhaft, durch den Einsatz der Infrarotkamera das gesamte Bauteil im Blick zu haben und den Verfahrensparameter entsprechend re­ geln zu können.

Darüberhinaus können die beiden Vorgänge der Beheizung und der Beschichtung, die sich beim Plasmabeschichtungsvorgang häufig auf unkontrollierbare Weise überlagern, durch das vor­ gestellte Verfahren getrennt voneinander überwacht und gere­ gelt werden. Die Leistung des Plasmastrahls kann durch Ein­ stellung seiner Verfahrensparameter bedarfsgerecht geregelt werden. Dies ermöglicht eine schnelle Reaktion auf die von der Infrarotkamera erhaltenen Ergebnisse bezüglich der Tempe­ raturverteilung. Bei gleichem Fahrweg bzw. gleichem Abraste­ rungsverfahren des Strahls auf der Bauteiloberfläche kann durch Speicherung und Auswertung der Daten für den Plas­ mastrahl eine gute Reproduzierbarkeit des Verfahrens sicher­ gestellt werden. Damit ist eine bessere Qualität der Schich­ ten und eine erhöhte Produktivität gewährleistet.

Insbesondere kann als Verfahrensparameter der Strom einer Strahlquelle des Plasmastrahls eingestellt werden. Diese Grö­ ße ist mit geringem Aufwand zu steuern und ermöglicht genaue Abstimmungen des Energieeintrags des Plasmastrahls in die Oberfläche des Bauteils nach Vorgabe der ermittelten Tempera­ turverteilung.

Die Stellung des Bauteils kann in dem vorliegenden Verfahren relativ zum Plasmastrahl verändert werden und die Ermittlung der Temperaturverteilung des Oberflächenbereichs des Bauteils in unterschiedlichen Relativstellungen zum Plasmastrahl er­ folgen. Auf diese Weise ist es möglich, eine individuelle Kontrolle der verschiedenen Oberflächenbereiche des Bauteils vorzunehmen, ohne das Bauteil ausbauen zu müssen. Die ver­ schiedenen Bauteilstellungen können gespeichert werden. Dies ermöglicht eine reproduzierbare Zuordnung der Bauteilstellung zu einer Größe des Verfahrensparameters. Zur Erreichung eines Nutzens für weitere Bauteile derselben Form und Art ist es dabei sinnvoll, gespeicherte Daten zu verwenden, z. B. Start­ punkt oder Zuordnung der Bauteilstellung zur Regelung des Verfahrensparameters für jedes Bauteil der Serie.

Das Bauteil kann beim Plasmaspritzen mit optimaler Ausrich­ tung der Rotationsachse des Bauteils zur Infrarotkamera ro­ tiert werden. So kann ohne eine Änderung der Einstellung des Plasmastrahls die gesamte Oberfläche des Bauteils vollständig und gleichmäßig beschichtet werden und gleichzeitig die Kon­ trolle der Oberflächentemperaturverteilung mittels der Infra­ rotkamera vorgenommen werden. Diese Kontrollfunktion kann in Form von Kurzzeitmessungen, d. h. für jeden Oberflächenbereich gesondert unter Berücksichtigung der Rotationsgeschwindigkeit vorgenommen werden. Die Ortsauflösung ist dabei sehr genau. Es kann eine den Oberflächengegebenheiten angepaßte Einstel­ lung der Verfahrensparameter zwecks Erreichung der Schwellen­ temperatur vorgenommen werden.

Andere Möglichkeiten sind Langzeitmessungen, d. h. Messungen über Zeiten, die sich im Bereich von mehreren Rotationsdauern bewegen. Das Ergebnis dieser Messungen sind dann mittlere Temperaturwerte, gemittelt über die Zeit und den Umfang des rotierenden Bauteils in Rotationsrichtung. Diese Art der Mes­ sung ist schnell und mit geringem Aufwand möglich. Die Ergeb­ nisse können dann wiederum mit der Schwellentemperatur ver­ glichen werden.

Vorzugsweise umfaßt die vorliegende Plasmaspritzeinrichtung eine Halteeinrichtung zur kontinuierlichen Rotation des Bau­ teils um seine Längsachse. Diese Art der Rotation ist stabil durchführbar und gewährleistet größtmögliche Effektivität im Hinblick auf die Beschichtungsgeschwindigkeit und einen gleichmäßigen Schichtauftrag. Um gleichzeitig mit einem guten Schichtauftrag auch eine optimale Messung der Temperaturver­ teilung der Bauteiloberfläche zu gewährleisten, werden vor­ teilhafterweise spezielle Bedingungen für die Winkelverhält­ nisse von Rotationsachse zu Plasmastrahl und Kameraausrich­ tung eingestellt. Hierbei ist insbesondere zu vermeiden, daß der Raumwinkel, in welchen die Plasmastrahlung reflektiert wird, sich mit dem Sehwinkel der Infrarotkamera überschnei­ det. Diese Einstellung würde eine Überstrahlung der gesamten Aufnahme im wesentlichen durch die direkte bzw. reflektierte Strahlung des Plasmastrahls mit sich bringen. Die Infrarotka­ mera ist daher außerhalb des Raumwinkels der Reflexion des Plasmastrahls angeordnet.

Die Temperaturverteilung des Oberflächenbereichs des Bauteils wird vorteilhaft als Funktion der Zeit ermittelt und der Ver­ fahrensparameter nach Maßgabe des zeitlichen Verhaltens der Temperaturverteilung eingestellt. Die Infrarotkamera ermög­ licht eine Registrierung der gesamten Temperaturverteilung in einem Schritt. Es ist im Hinblick auf eine ständige Überwa­ chung der Entwicklung der Schichtqualität vorteilhaft, die Temperaturverteilung in Abhängigkeit von der Zeit zu erfas­ sen, um das Materialverhalten und das Strahlverhalten zu be­ urteilen und eine korespondierende, zeitabhängige Funktion des Verfahrensparameters einstellen zu können.

Die Stellungsveränderungen des Bauteils relativ zum Plas­ mastrahl einerseits und ein Verfahrensparameter des Plasma­ spritzens andererseits können nach Maßgabe der Temperaturver­ teilung so aufeinander abgestimmt werden, daß Temperaturgra­ dienten der Oberfläche des Bauteils verringert werden. Man kann den Verfahrensparameter beispielsweise so einstellen, daß weniger Energie pro Flächenelement übertragen wird. Dies kann z. B. durch schnelleres Verfahren des Plasmastrahls rela­ tiv zur Bauteiloberfläche geschehen. Der Energieübertrag pro Zeiteinheit bleibt gleich, wird jedoch gleichmäßiger ver­ teilt. Dies verringert die Temperaturgradienten. Andererseits kann ein zu geringer Energieübertrag auch dazu führen, daß die Oberflächentemperatur zu stark absinkt. Dann kann die Leistung des Plasmastrahls erhöht werden. Zur Erreichung ei­ ner qualitativ hochwertigen Oberflächenschicht ist es notwen­ dig, nach Maßgabe der ermittelten Temperaturverteilung eine genaue Abstimmung der verschiedenen Stellungen des Bauteils und der Änderungen des Parameters vorzunehmen.

Wenn Kurzzeitaufnahmen bei der Bauteilrotation durchgeführt werden, ist es vorteilhaft, wenn nacheinander erfolgende Auf­ nahmen mit der Infrarotkamera in Abhängigkeit von der Umdre­ hungsdauer des Bauteils getriggert werden. Durch Aufnahmen derselben Bauteilbereiche in unterschiedlichen Zuständen ist eine genaue Messung des zeitlichen Temperaturverhaltens der Oberflächentemperaturen vorzunehmen und anhand der Ergebnisse mit dem Verfahrensparameter einzuregeln. Andernfalls wären Fehlerquellen bei der Temperaturbestimmung und -regelung durch die Verschiebung des betrachteten Oberflächenbereichs nicht auszuschließen.

Die Triggerung wird mit einem zeitlichen Abstand einer vier­ tel Umdrehungsdauer oder einem ganzzahligen Vielfachen davon durchgeführt. Auf diese Weise ist sichergestellt, daß entwe­ der die Vorderseite oder die Rückseite des Bauteils oder die Seiten des Bauteils untersucht werden. Die beiden Seiten kön­ nen, z. B. bei einer Turbinenschaufel, unterschiedliche Formen und Materialstärken des Bauteilmaterials aufweisen und des­ halb die eingetragene Energie des Plasmastrahls unterschied­ lich stark speichern. Es liegen also unterschiedliche Formen von Temperaturgradienten vor, was eventuell eine Anpassung des Verfahrensparameters des Plasmastrahls erfordert.

Die auf eine Beschichtungsvorrichtung für Hochtemperaturbau­ teile mittels Plasmaspritzens gerichtete Aufgabe wird durch eine Vorrichtung nach Anspruch 14 gelöst.

Es wird vorgeschlagen, daß das Strahlungs-Referenzmittel un­ abhängig von der Heizvorrichtung für das Plasmaspritzen be­ heizbar ist. Dies ermöglicht, daß das Material des Strah­ lungs-Referenzmittel z. B. durch eine induktive Heizung oder eine Direktheizung, beispielsweise eine Widerstandsheizung, vollständig und insbesondere gleichmäßig aufgeheizt wird. Dies liefert eine wichtige Voraussetzung für einen korrekten, oberflächenunabhängigen Vergleich der Temperaturen von Refe­ renzmittel und zu beschichtendem Bauteil.

Weiterhin ist die Temperatur des Strahlungs-Referenzmittels vorteilhafterweise mit einem Thermoelement zu messen. Durch die Bestimmung der Temperatur mit einem Thermoelement erhält man von Oberflächeneigenschaften unabhängige Meßwerte. Die Messung mit dem Thermoelement oder auch einem anderen unab­ hängigen Temperaturmeßelement liefert nach einer Eichung zu­ verlässige Werte der absoluten Temperatur, die für einen Ver­ gleich mit den Ergebnissen der Wärmestrahlungsmessungen des Bauteils mittels der Infrarotkamera eingesetzt werden können.

Es wird vorgeschlagen, daß das Strahlungs-Referenzmittel im Meßfeld der Kamera innerhalb der Kammer neben dem zu be­ schichtenden Bauteil angeordnet ist. Dies ermöglicht eine gleichzeitige Erfassung des Strahlungs-Referenzmittels und des zu beschichtenden Bauteils durch die Infrarotkamera. Dies kann besonders vorteilhaft sein bei sich rasch verändernden Strahlungsverhältnissen und Reflexionen, die die Meßergebnis­ se beeinflussen können. Eine Erfassung in demselben Meß­ feld ermöglicht eine Messung unter denselben Umgebungsbedin­ gungen, was insbesondere bei gedrehten oder anders verlager­ ten Bauteilen vorteilhaft ist, aufgrund der sich schnell än­ dernden sichtbaren Oberflächen. Die Umgebungsbedingungen wer­ den wesentlich auch durch Verschmutzungen durch Beschich­ tungsmaterial am Beobachtungsfenster oder durch die Infrarot­ anteile in der Strahlung des Plasmastrahls beeinflußt. Es ist deshalb zur Gewährleistung von unverfälschten Meßergebnissen besonders vorteilhaft, das Strahlungs-Referenzmittel inner­ halb der Beschichtungskammer anzubringen.

Die Kamera ist so angeordnet und konzipiert, daß mit ihr min­ destens die gesamte ihr zugewandte Oberfläche einer Turbinen­ schaufel erfaßbar ist. Insbesondere wenn aufgrund starker Un­ terschiede der Bauteileigenschaften beispielsweise der Bau­ teilmaterialdicke, große Temperaturgradienten zu erwarten sind, ist es vorteilhaft, die gesamte Oberfläche erfassen zu können. Die besondere Anordnung der Kamera der vorliegenden Erfindung ermöglicht dies unproblematisch. Besonders vorteil­ haft ist dabei die einfach durchzuführende Erfassung und Re­ gelung der Temperaturverteilungen von Randbereichen bzw. Be­ reichen mit kleinen Krümmungsradien, wie sie bei Turbinen­ schaufeln im Bereich der Schaufelenden auftreten. Dies ist deshalb wichtig, weil dort auf die Beschichtung im Einsatz im Vergleich zu ebenen Oberflächenbereichen zusätzliche starke mechanische und thermische Belastungen wirken.

Die Infrarotkamera ist an einem Ende eines nach außen vor­ springenden Stutzens der Beschichtungskammer angebracht. Ein am Ende des Stutzens angebrachtes, einen Einblick in die Be­ schichtungskammer ermöglichendes Glasfenster, das mit einer Dichtung zur Gewährleistung eines guten Vakuums versehen ist, wird auf diese Weise sehr wenig von Prozeßstäuben verunrei­ nigt. Die vorgeschlagene Vorrichtung verringert die Frequenz für Wartungen und Reinigungen der Apparatur. Günstig für die Infrarotkameraaufnahmen ist es, wenn der Stutzen eine koni­ sche Form mit einem weiten, freien Öffnungswinkelbereich be­ sitzt. Diese Form ist dann dem Sichtbereich der Infrarotka­ mera angepaßt und ermöglicht optimale Aufnahmen des Bauteils.

Vorteilhafterweise besteht das Glasfenster aus einem Spezial­ glas mit einer dem Meßbereich der Kamera angepaßten Transmis­ sion für Wellenlängen zwischen 2-5 µm. Dieser Meßbereich ent­ spricht demjenigen Infrarotstrahlungsbereich, in welchem ein großer Anteil der Strahlung der Bauteiloberfläche ausgesandt wird. Dieser Bereich der Strahlung ist ausreichend gut von dem sich überlagernden, breitbandigen Infrarotanteil des Plasmastrahls unterscheidbar. Der untersuchte Wellenlängenbe­ reich von 2-5 µm ist weit von dem Maximum der Temperatur­ strahlung des Plasmastrahls entfernt und hat im Vergleich zu den anderen Strahlungsbereichen des Plasmastrahls eine gerin­ gere Intensität. Dies ist insbesondere bei den vorliegenden Online-Kontrollen der Beschichtung wesentlich, um eine unver­ fälschte, gut aufgelöste und eindeutige Abbildung der Tempe­ raturverteilung der Oberfläche des Bauteils zu erhalten.

Vorteilhafterweise besteht das Glasfenster aus Saphirglas. Diese Glassorte, die Al₂O₃ enthält, besitzt optimale Trans­ missionseigenschaften in dem gewünschten Bereich. Das Glas ist kommerziell erhältlich und kann der erfindungsgemäßen Einrichtung funktionell angepaßt werden.

Anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbei­ spiele werden das Verfahren und die Vorrichtung zur Beschich­ tung von Hochtemperaturbauteilen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 schematisch eine Vorrichtung zum Beschichten mittels Plasmaspritzens mit Beschichtungskammer und Infrarotkamera,

Fig. 2a eine vereinfachte, graphische Darstellung einer Aufnahme einer Wärmeverteilung mit einer Infrarotkamera,

Fig. 2b eine vereinfachte, graphische Darstellung einer Temperaturverteilung, ermittelt aus einer Wärmeverteilung,

Fig. 3 einen Querschnitt durch ein beschichtetes Bauteil,

Fig. 4 eine Plasmaspritzeinrichtung mit Regelung des Verfahrensparameters und

Fig. 5 eine Darstellung zur Erläuterung einer getriggerten Aufnahmenfolge der Infrarotkamera bei rotierendem Bauteil.

In Fig. 1 ist schematisch und nicht maßstäblich ein prinzi­ pieller Aufbau einer Beschichtungsvorrichtung 1 zur Durchfüh­ rung eines Plasmaspritzverfahrens dargestellt. Die Beschich­ tungsvorrichtung 1 weist eine Beschichtungskammer 17 mit ei­ nem Absaugstutzen 18 auf, der mit einer nicht gezeigten Vaku­ umeinrichtung verbunden ist. Innerhalb der Beschichtungskam­ mer 17 ist eine Plasmaspritzeinrichtung 16 angeordnet. Der in der Plasmaspritzeinrichtung 16 erzeugte Plasmastrahl 12 wird auf ein in der Beschichtungskammer 17 angeordnetes, zu be­ schichtendes Bauteil 10 gerichtet. Der schematische Aufbau der Plasmaspritzeinrichtung 16 ist in Fig. 4 dargestellt. Der Plasmastrahl 12 ermöglicht sowohl die Beheizung des Bau­ teils 10 als auch eine Beschichtung mit einer Pulverfracht 95. Bei den zu beschichtenden Bauteilen 10 handelt es sich im wesentlichen um Hochtemperaturbauteile für die Verwendung in Gasturbinen, beispielsweise Turbinenschaufeln oder Brennkam­ merauskleidungen. Die komplexen Geometrien, wie hier bei­ spielhaft gezeigt, bedingen Inhomogenitäten beim Beheizen und damit bei der Wärmestrahlungsverteilung 30 von Oberflächenbe­ reichen 40 eines zu beschichtenden Bauteils 10. Eine Verfahr­ einrichtung für zwei senkrechte Richtungen 101 bzw. eine Ro­ tationseinrichtung 100 ermöglicht das Erreichen aller zu be­ schichtenden Oberflächenbereiche 40 des Bauteils 10, so daß der Plasmastrahl 12 nicht über weite Oberflächenbereiche 40 abgelenkt werden muß. Jeder Oberflächenbereich 40 des Bau­ teils 10, auch die Schmalseiten, können durch Rotation bzw. Verschieben in zueinander senkrechten Richtungen schnell an­ gefahren werden. Alternativ kann die Lage des Plasmastrahls 12 zur Bauteiloberfläche 40 durch Verlagern der Position der Plasmaspritzeinrichtung 16 verändert werden. Der Strahlkegel kann auch die gesamte, zugewandte Oberfläche des Bauteils 10 überdecken.

Die bei dem Heizvorgang des Bauteils 10 mit dem Plasmastrahl 12 zu erreichenden Temperaturen bzw. Temperaturverteilungen 70 werden überwacht, indem die Wärmestrahlungsverteilung 30 (= Wärmebild) des Oberflächenbereichs 40 des Bauteils 10 durch eine Infrarotkamera 20 aufgenommen wird. Ein Beispiel einer Aufnahme 25 mit der Infrarotkamera 20 befindet sich in Fig. 2a. Die Infrarotkamera 20 ist an einem Glasfenster 19 ange­ setzt, das an einem Stutzen 11 befestigt ist, der wiederum an der Beschichtungskammer 17 angebracht ist. Der Stutzen 11 verhindert, daß das Glasfenster 19 und damit die Sicht der Infrarotkamera 20 von Prozeßstäuben stark verunreinigt wird. Der Winkel des Sichtbereichs 29 der Infrarotkamera 20 und der Öffnungswinkel des konisch geformten Stutzens 11 sind anein­ ander angepaßt.

Zur Verringerung einer Verschmutzung des Glasfensters 19 ist die Infrarotkamera 20 so an der Beschichtungskammer 17 ange­ ordnet, daß Reflexionen der Strahlung des Plasmastrahls 12 an der Bauteiloberfläche nicht die Infrarotkamera 20 erfassen. Es muß weiterhin sichergestellt sein, daß mit der Infrarotka­ mera 20 ein vollständiges Bild der Wärmestrahlungsverteilung 30 des Bauteils 10 in allen Stellungen ermittelt werden kann. Hierzu ist eine Winkelabstimmung so durchzuführen, daß das Bauteil 10 stets im Sichtbereich 29 der Infrarotkamera 20 liegt und gleichzeitig der vom Sichtbereich 29 der Infrarot­ kamera 20 überstrichene Raumwinkel vorzugsweise außerhalb des Raumwinkels der Reflexion des Plasmastrahls 12 liegt.

Neben dem zu beschichtenden Bauteil 10 ist ein Strahlungs-Re­ ferenzmittel 60 angeordnet. Da sich sowohl das Bauteil 10 als auch das Strahlungs-Referenzmittel 60 gleichzeitig im Sicht­ bereich 29 der Infrarotkamera 20 befinden, können die Wär­ mestrahlungsverteilungen 30 der beiden simultan durch eine Aufnahme 25 erfaßt werden. Das Strahlungs-Referenzmittel 60 wird durch eine von der Heizung des Bauteils 10 unabhängigen Heizung 61 beheizt und seine Temperatur durch ein Thermoele­ ment 62 bestimmt. Diese Temperatur wird als Referenztempera­ tur T_R für die Ermittlung der Temperaturen der Wärmestrah­ lungsverteilung 30 des Oberflächenbereichs 40 des Bauteils 10 verwendet.

In Fig. 1 ist der schematische Ablauf des Meß-, Wandel- und Regelvorganges für der Temperaturführung des Oberflächenbe­ reichs 40 des Bauteils 10 dargestellt. Die von der Infrarot­ kamera 20 aufgenommene Wärmestrahlungsverteilung 30 des Ober­ flächenbereichs 40 und des Strahlungs-Referenzmittels 60 und die von dem Thermoelement 62 gemessene Temperatur T_R des Strahlungs-Referenzmittels 60 werden dem Wandler 31 zuge­ führt. Dieser ermittelt daraus die absolute Temperaturvertei­ lung 70 der untersuchten Bauteiloberfläche 40 und führt dies der Regeleinrichtung 32 zu. Die Regeleinrichtung 32 bestimmt je nach zugeführter Solltemperaturverteilung T_soll(x, y) die Bewegung des Bauteils 10 insbesondere durch die Regelung der Leistungszufuhr des Rotationsmotors 102, die Leistungs­ zufuhr der regelbaren Stromquelle 64 der Heizung 62 des Strahlungs-Referenzmittels 60 und die Größe des einstellbaren Verfahrensparameters p der Plasmaspritzeinrichtung 16.

Die Infrarotkamera 20 kann beispielsweise auch ein internes, d. h. sich innerhalb der Infrarotkamera 20 befindendes Strah­ lungs-Referenzmittel besitzen, mit dem ebenfalls eine Tempe­ raturbestimmung und -zuordnung durchgeführt werden kann. Die Temperaturbestimmung durch ein Strahlungs-Referenzmittels 60 innerhalb der Beschichtungskammer 17 ist jedoch vorzuziehen, weil Meßfehler, die aufgrund des Plasmaspritzprozesses ent­ stehen, bei einer gleichzeitigen Aufnahme 25 des Bauteils 10 und des Strahlungs-Referenzmittels 60 in demselben Maß vor­ liegen und sich so vernachlässigen bzw. herausmitteln lassen. Die Meßfehler können beispielsweise durch Überlagerung ver­ schiedener Infrarotstrahlungsquellen als Streustrahlung und Hintergrundstrahlung oder durch eine zeitabhängige Erhöhung des Verunreinigungsgrads des Glasfensters 19 durch Prozeß­ stäube entstehen.

Das Glasfenster 19 enthält vorzugsweise Al₂O₃. Diese Glas­ sorte, auch Saphirglas genannt, weist gute Transmissionsei­ genschaften im Bereich elektromagnetischer Wellen mit Wellen­ längen zwischen 2-5 µm auf, welcher mit dem Meßbereich der Infrarotkamera 20 übereinstimmt. Dies ist zur genauen, unter­ scheidenden Charakterisierung des strahlenden Oberflächenbe­ reichs 40 des Bauteils 10 notwendig, da der Plasmastrahl 12 eine sehr breitbandige Strahlungsquelle darstellt, die sich der Strahlung des Bauteils überlagern kann, wie oben darge­ stellt. Bei zu intensiver, durch den Plasmastrahl 12 verur­ sachter Strahlung im Infrarotbereich werden der Infrarotkame­ ra 20 geeignete Filter oder andere Optiken vorgeschaltet.

Vor der Beschichtung mit dem Plasmastrahl 12 wird das Hoch­ temperaturbauteil 10 auf dem Oberflächenbereich 40 auf eine vorbestimmte Vorwärmtemperatur, die Schwellentemperatur T_s, gebracht, u0m eine bessere Haftung der aufzubringenden Be­ schichtung 15 zu gewährleisten. Dieses Vorwärmen bzw. Heizen während des Beschichtungsprozesses geschieht vorzugsweise mit dem "reinen" Plasmastrahl 12 ohne Pulverfracht 95. Es können auch mehrere Oberflächenbereiche 40 zumindest lokal auf vor­ bestimmte Schwellentemperaturen T_s gebracht werden. Um eine bestimmte Schwellentemperatur T_s, eine Solltemperaturvertei­ lung Tsoll(x, y) im Oberflächenbereich 40 zu erreichen, wird in dem vorgestellten Verfahren ein Verfahrensparameter p des Plasmaspritzprozesses nach Maßgabe der ermittelten Tempera­ turverteilung 70 eingestellt. Es ist auch eine Einstellung einer Solltemperaturverteilung Tsoll(x, y) möglich, die bei­ spielsweise aus material- und bauteilspezifischen Meßwerten gewonnen werden kann.

Der Zusammenhang mit dem einzustellenden Verfahrensparameter p wird in Fig. 4 näher erläutert. Bei dickeren Bauteilstel­ len und gut leitendem Material ist ein schnellerer Wärmever­ lust zu erwarten, so daß dort ein längerer Wärmeeintrag, also eine von der üblichen Einstellung abweichende Parameterein­ stellung vorgenommen werden muß. Hieraus resultieren dann die erwünschten Temperaturen bzw. Schwellentemperaturen T_s an den genannten Stellen. Es können auch andere Heizquellen als der Plasmastrahl 12 für das Bauteil 10 eingesetzt werden, z. B. Widerstandsheizungen oder induktive Heizungen.

Fig. 2a zeigt eine Schemazeichnung einer Aufnahme 25 einer Wärmestrahlungsverteilung 30 eines Oberflächenbereichs 40 ei­ nes beheizten Bauteils 10 und eines Strahlungs-Referenzmit­ tels 60, die mit einer Infrarotkamera 20 ermittelt wurde. Die unterschiedlich schraffierten Bereiche kennzeichnen verschie­ den starke Wärmestrahlungen bzw. Unterschiede in den Fre­ quenzverteilungen.

Fig. 2b zeigt eine schematische Temperaturverteilung 70, die durch Auswertung der Aufnahme 25 der Wärmeverteilung 30 eines Oberflächenbereichs 40 des Bauteils 10 und des Strahlungs-Re­ ferenzmittels 60 mit der Infrarotkamera 20 erhalten wird. Be­ reiche mit Temperaturen T innerhalb vorbestimmter Grenzen T₂ < T < T₁ sind durch Linien gleicher Temperatur T_i, i = 1, 2, so­ genannte Isothermen, voneinander getrennt. Bereiche mit eng liegenden Isothermen sind durch große Temperaturgradienten grad T gekennzeichnet. Zur Erreichung einer optimalen Haftung sollen vorzugsweise vorbestimmte, maximale Temperaturdiffe­ renzen T₁ - T₂ und möglichst geringe Temperaturgradienten grad T eingehalten werden. Diese Bereiche können durch Einstellung des Verfahrensparameters p des Plasmastrahls 12 einer die Temperaturverteilung 70 ausgleichenden Behandlung unterzogen werden. Diese Einstellung kann von Hand oder mit einer elek­ tronischen Regelungs- bzw. Steuerungseinrichtung vorgenommen werden.

In Fig. 3 ist ein Querschnitt durch einen typischen Schicht­ aufbau gezeigt. Auf ein Bauteil 10 wird eine erste Schicht 15a mit dem VPS-Verfahren, beispielsweise eine CoCrAlY-Korro­ sionsschutzschicht aufgebracht. Anschließend wird eine als Wärmedämmschicht dienende Y-stabilisierte ZrO₂-Schicht 15b (ZrO₂ + Y₂O₃) aufgebracht. Um den thermischen Belastungen in der Hochtemperaturanwendung zu widerstehen, ist eine aufge­ rauhte, saubere Oberfläche des Bauteils 10 eine wichtige Vor­ aussetzung. Eine Reinigung des Bauteils 10 ist durch Sputte­ rung bei negativer Polung des Bauteils 10 möglich. Weiterhin sind aneinander angepaßte Wärmeausdehnungskoeffizienten der Materialien eine wichtige Voraussetzung. Andernfalls verursa­ chen innere Spannungen ein Abplatzen der Beschichtung 15.

Beim Übergang von einer Beschichtung 15a zu einer Beschich­ tung 15b müssen bei der Vorwärmung des Oberflächenbereichs 40 in der Regel andere Temperaturwerte eingestellt werden, weil die Schwellentemperatur T_s, die maximalen Temperaturdifferen­ zen T₁ - T₂ und die einzuhaltenden Temperaturgradienten grad T werkstoff- und bauteilabhängig sind und insbesondere auch von der Materialkombination abhängen. Durch eine individuelle, materialspezifische Einstellung des Verfahrensparameters p kann eine angepaßte Einstellung der Oberflächentemperatur schnell und flächendeckend durchgeführt werden.

In Fig. 4 ist schematisch eine Plasmastrahlquelle 13, eine Wandlungseinrichtung 31 für die Umwandlung der von der Infra­ rotkamera 20 registrierten Wärmestrahlungsverteilung 30 des Bauteils 10 zur Temperaturverteilung 70 und eine Regelvor­ richtung 32 zur Einrichtung der Plasmastrahlquelle 13 durch den Verfahrensparameter p nach Maßgabe der Temperaturvertei­ lung 70 und der Solltemperaturverteilung Tsoll(x, y) darge­ stellt. Die Plasmastrahlquelle 13 besteht aus zwei als Düsen geformten Elektroden - negativ gepolter Kathode 8 und positiv gepolter Anode 9 - mit einer hohen, anliegenden Spannung u und einem Arbeitsgas als Atmosphäre. Durch hohe Wandtempera­ turen (ca. 3000 K) an der Kathode 8 setzt eine Thermo-Felde­ mission von Elektronen ein. Die Plasmaelektronen werden durch das E-Feld in Richtung der Anode 9 beschleunigt. Das Arbeits­ gas wird durch die Bogenentladung aufgeheizt und durch Stöße von Atomen, die mehr als die freie Ionen-Neutralteilchen-Aus­ tauschlänge von der Kathode 8 entfernt sind, ionisiert. In­ nerhalb der Elektrodendüse entsteht eine lokale Bogenentla­ dung 12' mit dem Bogenstrom i.

Außerhalb der Elektrodendüse ist der Plasmastrahl 12 strom­ frei. Dieser Plasmastrahl 12 wird unter Zuführung von aufzu­ tragender Pulverfracht 95 zur Beschichtung genutzt. Eine Ver­ ringerung des zugeführten Plasmagasflusses f führt bei gleichbleibender eingespeister elektrischer Leistung zur Tem­ peraturerhöhung des Plasmas. Die Stabilität der Bogenentla­ dung 12' beeinflußt den gesamten Plasmaspritzprozeß. Fluktua­ tionen bei der Plasmaerzeugung wirken sich unmittelbar auf den Zustand des abströmenden Plasmastrahls 12 aus, und damit u. a. auch auf die Temperaturverteilung 70 des Oberflächenbe­ reichs 40 des zu beschichtenden Bauteils 10. Durch die Bewe­ gung des Bogenfußpunkts auf der Anode 9, bei konstant gehal­ tenem, geglättetem Bogenstrom i wird der Lichtbogen verkürzt oder verlängert, woraus Spannungsschwankungen entstehen kön­ nen. Dies wiederum erzeugt Fluktuationen der Plasmaenthalpie h und damit eine thermische und dynamische Beeinflussung der Spritzpartikel. Eine Kontrolle dieser Schwankungen ist im Sinne der sicheren Einstellung des Verfahrensparameters p nö­ tig.

Der Verfahrensparameter p, der in dem Verfahren zur Einstel­ lung der gewünschten Temperaturverteilung nach Maßgabe der ermittelten Temperaturverteilung 70 verändert wird, ist, wie oben dargestellt, vorzugsweise der Bogenstrom i der Bogenent­ ladung. Dieser läßt sich mit nicht sehr aufwendigen Schaltun­ gen konstant halten. Die für eine gute Beschichtungsqualität verantwortlichen Größen wie Strahltemperatur, -intensität und -homogenität sowie Aufschmelzung der aufzutragenden Pul­ verfracht 95 hängen jedoch noch in komplexer Weise von den verschiedenen anderen, zur Einstellung des Plasmastrahls 12 notwendigen Verfahrensparametern p ab. So können z. B. die oben erwähnte Spannung u durch Änderung der Spannung zwischen den Elektroden oder die Emission der Elektronen aus der Kathode 8 durch Erhöhung der Heizleistung an der Kathode 8 geändert werden. Weiterhin kommen Gasdruck, Gasfluß, Gasmischung, Brennergeometrie, Pulverparameter, Trägergasfluß, Injektions­ geometrie und Spritzabstand, Stellung des Bauteils 10 und der Plasmaspritzeinrichtung 16, der Rotationsachse 105 und der Umdrehungsdauer tu des Bauteils 10 als Verfahrensparameter p in Frage. Die Aufzählung der Verfahrensparameter p ist nicht abschließend, es können alle Verfahrensparameter p, die die Temperaturverteilung 70 des Bauteils 10 beeinflussen, einge­ stellt werden.

In Fig. 5 ist beispielhaft eine Triggerung, d. h. eine Ab­ stimmung der Aufnahmen 25 der Infrarotkamera 20 mit der Rota­ tion des Bauteils 10 dargestellt. Die Aufnahmen 25 der Infra­ rotkamera 20 sind durch eine Verschiebung der Infrarotkamera 20 über einem Zeitstrahl t angedeutet. Ein komplexeres Bau­ teil 10 wird um seine Rotationsachse 105 jeweils in 90°- Schritten verdreht. Dadurch ist es möglich, das Bauteil 10 von allen Seiten aufzunehmen. Die Aufnahmen 25 der Infrarot­ kamera 20 haben in dem dargestellten Fall einen bevorzugten zeitlichen Abstand Δt von ganzzahligen Vielfachen n eines Viertels oder Achtels der Zeitdauer t_u einer vollständigen Rotation. Für den zeitlichen Abstand der Aufnahmen gilt also Δt = n . ¼t_u. Bei komplexeren Bauteilen 10 ist eventuell eine andere Aufteilung beispielsweise in Achtel notwendig. Durch geeignete Einstellung eines zeitlichen Abstandes Δt der Auf­ nahmen 25 werden auf diese Weise bei geeigneter Koordination in Abstimmung mit der Zeitdauer t_u für eine vollständige Ro­ tation des Bauteils 10 alle Positionen des Bauteils 10 für die Kameraaufnahmen 25 erreicht. Auf diese Weise können auch bei Rotationen oder anderen Verlagerungen Aufnahmen 25 von stets denselben Oberflächenbereichen 40 des Bauteils 10 mit­ einander verglichen werden. Dies ist insbesondere bei Bautei­ len 10 mit stark unterschiedlichen Oberflächenbereichen 40 sinnvoll, weil damit die Einstellung des Verfahrensparameters p genauer vorgenommen werden kann.

Bei anderen Bauteilen 10 mit Oberflächenbereichen 40 mit sehr ähnlicher Geometrie ist beispielsweise jedoch auch eine Ein­ stellung des Verfahrensparameters p durch Mittelung der Tem­ peratur über den Umfang durch eine hohe Rotationsgeschwindig­ keit und Aufnahmen 25 mit längerer Belichtungszeit möglich. Die Temperatur ist dann ein Mittelwert über die gesamte Bau­ teiloberfläche.

Bei der oben dargestellten Triggerung und bei der mittelnden Aufnahmetechnik kann neben der sofortigen auch eine zeitab­ hängige Einstellung des Verfahrensparameters p sinnvoll sein, um auf diese Weise eine langsamere Einstellung der angestreb­ ten Solltemperaturverteilung Tsoll(x, y) zu erreichen, bei­ spielsweise um das Entstehen thermischer Spannungen zu ver­ meiden und die Oberflächeneigenschaften des Bauteils 10 nicht zu verändern.

Claims (22)

1. Verfahren zum Beschichten von Hochtemperaturbauteilen (10) mittels Plasmaspritzens, insbesondere von Gasturbinenbautei­ len, wie Turbinenschaufeln oder Brennkammerauskleidungen, bei dem das Bauteil (10) beheizt wird, wobei mit einer Infrarot­ kamera (20) die Verteilung der Wärmestrahlung (30) eines Oberflächenbereichs (40) des Bauteils (10) ermittelt und in Abhängigkeit von dieser Verteilung (30) ein Verfahrensparame­ ter (p) beeinflußt wird, dadurch gekennzeichnet, daß aus der Wärmestrahlungsverteilung (30) des Oberflächenbereichs (40) des Bauteils (10) durch Vergleich mit einem Strahlungs-Refe­ renzmittel (60) die Temperaturverteilung (70) des Oberflä­ chenbereichs (40) bestimmt wird, und daß der Verfahrenspara­ meter (p) zum Erreichen einer vorgegebenen Schwellentempera­ tur (T_s) im Oberflächenbereich (40) nach Maßgabe der Tempera­ turverteilung (70) eingestellt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Verfahrensparameter (p) eine Temperaturverteilung (70) im Oberflächenbereich (40) des Bauteils (10) eingestellt wird, bei der vorbestimmte Temperaturdifferenzen (T₁ - T₂) und/oder Temperaturgradienten (grad T) nicht überschritten werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwellentemperatur (T_s) im Hinblick auf ein optimales Haf­ tungsvermögen der Beschichtung (15) auf dem Bauteil (10) ein­ gestellt wird und/oder daß die Temperaturdifferenzen (T₁ - T₂) und/oder Temperaturgradienten (grad T) zu demselben Zweck nur innerhalb vorbestimmter Grenzen zugelassen werden.

4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß an meh­ reren Oberflächenbereichen (40) des Bauteils (10) jeweils eine vorgegebene Schwellentemperatur (T_s) eingestellt wird.

5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Ver­ fahrensparameter (p) durch Vergleich der Temperaturverteilung (70) des Oberflächenbereichs (40) des Bauteils (10) mit einer Solltemperaturverteilung (Tsoll(x, y)) geregelt wird.

6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Bau­ teil (10) vorgewärmt und/oder während des Plasmaspritzens mit einem Plasmastrahl (12) beheizt wird und daß als Verfah­ rensparameter (p) ein Parameter des Plasmastrahls (12) einge­ stellt wird.

7. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Ver­ fahrensparameter (p) der Strom (i) einer Strahlquelle (13) des Plasmastrahls (12) eingestellt wird.

8. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Stellung des Bauteils (10) relativ zum Plasmastrahl (12) ver­ ändert wird und daß die Ermittlung der Temperaturverteilung (70) des Oberflächenbereichs (40) des Bauteils (10) in unter­ schiedlichen Relativstellungen erfolgt.

9. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Bau­ teil (10) beim Plasmaspritzen mit optimaler Ausrichtung des Oberflächenbereichs (40) zur Infrarotkamera (20) rotiert wird.

10. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Tem­ peraturverteilung (70) des Oberflächenbereichs (40) des Bau­ teils (10) als Funktion der Zeit ermittelt und der Verfah­ rensparameter (p) nach Maßgabe des zeitlichen Verhaltens der Temperaturverteilung (70) eingestellt wird.

11. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Stellungsveränderungen des Bauteils (10) relativ zum Plasmastrahl (12) einerseits und ein Verfahrensparameter (p) des Plasmaspritzens andererseits nach Maßgabe der Temperatur­ verteilung (70) so aufeinander abgestimmt werden, daß Tempe­ raturgradienten (grad T) des Oberflächenbereichs (40) des Bauteils (10) verringert werden.

12. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß nacheinander erfolgende Aufnahmen (25) mit der Infrarotkamera (20) in Abhängigkeit von der Umdrehungsdauer (t_u) des Bau­ teils (10) getriggert werden.

13. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Triggerung mit dem zeitlichen Abstand (Δt) eines Viertels einer Umdrehungsdauer (t_u) oder einem ganzzahligen (n) Viel­ fachen davon durchgeführt wird.

14. Vorrichtung zum Beschichten von Hochtemperaturbauteilen (10) mittels Plasmaspritzens insbesondere von Gasturbinenbau­ teilen, wie Turbinenschaufeln oder Brennkammerauskleidungen, mit einer Plasmaspritzeinrichtung (16), die eine Beschich­ tungskammer (17) aufweist, mit einer Infrarotkamera (20), die die Wärmestrahlung (30) zumindest eines Oberflächenbereichs (40) des Bauteils (10) zu beobachten gestattet, und mit einer Einrichtung zur Einstellung eines Verfahrensparameters (p) nach Maßgabe der ermittelten Wärmestrahlungsverteilung (30), zur Durchführung eines Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß ein Strahlungs-Referenzmittel (60) vorhanden ist, mit dem von der Infrarotkamera (20) erhaltene Signale vergleichbar sind und das der Einstellung der Temperaturverteilung (70) des Bau­ teils (10) oberhalb einer vorgegebenen Schwellentemperatur (T_s) und/oder der Einstellung der Temperaturverteilung (70) innerhalb einer Solltemperaturverteilung (Tsoll(x, y)) durch den Verfahrensparameter (p) dient.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Strahlungs-Referenzmittel (60) unabhängig von einer Heizvor­ richtung für das Plasmaspritzen beheizbar ist.

16. Vorrichtung nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Tem­ peratur des Strahlungs-Referenzmittels (60) mit einem Thermo­ element (62) zu messen ist.

17. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Strahlungs-Referenzmittel (60) im Meßfeld der Infrarotka­ mera (20) innerhalb der Beschichtungskammer (17) neben dem zu beschichtenden Bauteil (10) angeordnet ist.

18. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß mit der Infrarotkamera (20) der gesamte ihr zugewandte Ober­ flächenbereich (40) einer Turbinenschaufel erfaßbar ist.

19. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 14 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Infrarotkamera (20) an einem Ende (11') eines nach außen vorspringenden Stutzens (11) der Beschichtungskammer (17) an­ gebracht ist.

20. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 14 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß der Öffnungswinkel des Stutzens (11) und der Sichtbereich (29) der Kamera (20) aneinander angepaßt sind und der Stutzen (11) ein die Infrarotkamera (20) abschirmendes Glasfenster (19) aufweist.

21. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 14 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß das Glasfenster (19) aus einem Spezialglas mit einer dem Meß­ bereich der Kamera (20) angepaßten Transmission für Wellen­ längen zwischen 2-5 µm besteht.

22. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 14 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß das Glasfenster (19) aus Saphirglas besteht.