DE3445717A1 - Verfahren zur ueberwachung der schichtdicke einer elektrisch leitfaehigen ueberzugsschicht auf einem bauteil waehrend des aufbringvorgangs - Google Patents

Description

Rolls-Royce Limited, 65 Buckingham Gate, London SW1E 6AT, England

Verfahren zur überwachung der Schichtdicke einer elektrisch leitfähigen Überzugsschicht auf einem Bauteil während des Aufbringvorgangs

Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zur überwachung der Schichtdicke einer elektrisch leitfähigen Überzugsschicht auf einem Bauteil während des Aufbringvorgangs.

Die Erfindung kann bei jedem beliebigen Verfahren zum Aufbringen einer elektrisch leitfähigen Schicht auf ein Substrat Anwendung finden, und zwar insbesondere beim Aufbringen einer Metallschicht durch Aufdampfen.

Turbinenbauteile aus hochfesten Nickellegierungen werden gewöhnlich durch eine dünne Oberflächenbeschichtung aus einem Aluminid gegen Oxidation und Korrosion bei hohen Betriebstemperaturen geschützt.

Das Impuls-Aluminisierungs-Verfahren ergibt einen eindiffundierten Aluminid-Überzug auf den Bauteilen. Die Bauteile werden innerhalb eines Ofens über einer

aluminiumreichen Packung aufgehängt und in einer Argon-Atmosphäre bei vermindertem Druck einer Temperatur von etwa 95O°C ausgesetzt. Infolge des vollständig gasförmig erfolgenden Transports des Überzugsmaterials in Form aluminiumreichen Dampfes werden sowohl die Außenoberflächen als auch die Wandungsflächen innerer Kühlbohrungen überzogen. Ein gleichmäßiges überziehen der Wandungsflächen von Kühlbohrungen eröffnet die Möglichkeit der Belastung auch innerer Oberflächen mit höheren Temperaturen bei verringerter Oxidationsgeschwindigkeit und könnte zu einem reduziertem Kühlluftbedarf führen oder umgekehrt höhere Betriebstemperaturen zulassen.

Ein Hauptproblem der eben erwähnten Beschichtungstechnik besteht jedoch darin, genau feststellen zu können, wie dick die bereits erzeugte Überzugsschicht ist.

Meßtechniken, die eine Messung reflektierter Elektronenstrahlen, Röntgenstrahlen oder Laserlichtstrahlen umfassen, sind im vorliegenden Fall nicht praktikabel, da die Metallteilchen in der Atmosphäre innerhalb des zur Beschichtung .verwendeten Ofens Störungen dieser Strahlen bedingen würden.
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Eine alternative Meßtechnik ist in der

GB-Patentanmeldung 2 021 775 A beschrieben, die ein Verfahren zur Bestimmung der Menge eines auf ein Bauteil auf ge-, brachten elektrisch leitenden überzugsmaterials betrifft. Dabei findet eine elektrische Schaltung Anwendung, welche die jeweilige elektrische Leitfähigkeit des ■ beschichteten Bauteils mit der Leitfähigkeit einer elektrischen Bezugszelle vergleicht und eine Anzeige der jeweiligen Menge des aufgebrachten Überzugsmaterials

liefert. Dabei hat die elektrische Bezugszelle den gleichen elektrischen Widerstand wie ein vollständig beschichtetes Bauteil.

Eine solche Meßtechnik würde jedoch im vorliegenden Anwendungsfall zu keinen brauchbaren Ergebnissen führen, da die Änderung der elektrischen Leitfähigkeit des Bauteils durch das Aufbringen eines elektrisch leitenden Überzugs nur klein im Vergleich zur Eigenleitfähigkeit des unbeschichteten Bauteils ist. Daher wäre es

äußerst schwierig, die Stärke eines aufgebrachten über- -' zugs auch nur einigermaßen genau zu bestimmen, insbesondere bei dünnen Überzugsschichten.

Eine weitere bekannte Meßmöglichkeit ist in der GB-PS 1 016 933 beschrieben, die ebenfalls ein Verfahren zur Bestimmung der Menge von auf einem Bauteil aufgebrachtem leitfähigem Überzugwerkstoff betrifft. Dabei werden an einem isolierenden oder isolierten Grundkörper zwei elektrische Anschlußleiter mit gegenseitigem

Abstand angeordnet und an einen elektrischen Meßstromkreis angeschlossen. Dieser Grundkörper wird in der ArbeitsUmgebung des Beschichtungsvorgangs angeordnet, -j so daß er im gleichen Maße wie das mit dem überzug zu versehende Bauteil beschichtet wird. Die Änderung der elektrischen Leifähigkeit zwischen den beiden elektrischen Anschlußleitern wird überwacht und zur Bestimmung der jeweils erreichten Überzugsschichtdicke verwendet.

Diese bekannte Technik wäre für den vorliegenden Anwendungsfall ebenfalls ungeeignet, da sie bei dünnen Überzugsschichten keine hinreichende Differenzierung erlaubt. Außerdem muß bei dieser bekannten Technik zunächst einmal eine zusammenhängende Überzugsschicht zwischen den beiden Anschlußleitern gebildet sein, bevor überhaupt ein Ansprechen

der Überwachungsschaltung möglich ist. Die Meßempfindlichkeit dieses bekannten Verfahrens ist außerdem sehr begrenzt, da die elektrische Leitfähigkeit sich direkt proportional zur Dicke der Überzugsschicht ändert.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein für den oben erläuterten Anwendungsfall geeignetes Meßverfahren der eingangs genannten Gattung zu finden.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der in Rede stehenden Gattung durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebene Maßnahme gelöst.

Indem erfindungsgemäß ein aus leitfähigem Werkstoff hergestellter Vergleichskörper verwendet wird, auf welchem in gleicher Weise wie auf dem Werkstück die Bildung einer Überzugsschicht stattfindet, braucht im Gegensatz zu einem isolierendem Vergleichskörper nicht erst eine vollständig zusammenhängende Überzugsschicht entstanden zu sein, bevor der überwachungsVorgang beginnen kann. Infolgedessen ist die erfindungsgemäße Maßnahme bedeutend besser zur überwachung der Schichtdicke bei dünnen Überzugsschichten geeignet.

Vorzugsweise findet der aus leitfähigem Material bestehende Vergleichskörper in Form eines Drahtes Anwendung. Die sich auf dem Draht niederschlagende Überzugsschicht beeinflußt dann die Leitfähigkeit des Drahtes in direkt zur Querschnittsfläche proportionalem Zusammenhang. Bei einem Draht mit kreisförmigem Querschnitt beispielsweise hängt die Querschnittsfläche und folgich die Leitfähgikeit direkt vom Quadrat des Durchmessers ab, wobei

"W 2

Querschnittsfläche =· j x Durchmesser

Dadurch wird die Meßempfindlichkeit bedeutend größer, da die Leitfähigkeitsänderung für eine gegebene Schichtdicke viel größer ist.

Die Meßempfindlichkeit kann durch Verwendung einer großen Drahtlänge noch verbessert werden, und zu diesem Zweck kommt der Draht vorzugsweise in Form einer Wendel zum Einsatz=,

Die Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen mehr im einzelnen beschrieben, in welchen zeigt:

im Schnitt einen Ofen mit einer Einrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,

im Längsschnitt einen der Ofentröge mit der Aluminidpackung, den zu überziehenden Bauteilen und der zur Messung verwendeten Drahtwendel ,

Fig. 3 eine schematische Darstellung der

gesamten Beschichtungsanlage, und

Fig. 4 eine schematische Querschnitts

darstellung des Drahtes, welche die Änderung der Querschnittsfläche

■ aufgrund der niedergeschlagenen

Überzugsschicht verdeutlicht.

Wie die Zeichungen zeigen, ist eine Mehrzahl von zu überziehenden Bauteilen, beispielsweise Turbinenschaufeln 2, mittels einer Anzahl von Drahtgittern 6

	Fig.	1
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	Fig.	2
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innerhalb einer Ofenkammer 4 aufgehängt, wobei jedes Drahtgitter 6 oberhalb eines ein Alumininid-Pulver 10 enthaltenden Troges 8 gehaltert ist. Ein Draht 12 ist um einen Stützkörper 14 herum zur Bildung einer Wendel 16 aufgewendelt, die oberhalb des Aluminid-Pulvers 10 angeordnet ist. Damit ist die Drahtwendel 16 den gleichen Bedingungen der Ofenatiuosphäre ausgesetzt wie die zu überziehenden Bauteile 2. Die beiden Enden der Wendel 16 sind mit isolierten Anschlußdrähten verbunden, die durch ein Durchführungsrohr 20 aus der Ofenkammer 4 herausgeführt sind. Das Durchfuhrungsrohr isoliert den Draht 12 gegen die Ofenkaramerwand und stellt sicher, daß die Ofenatmosphäre nicht ausleckt. Die Ofenkammer 4 befindet sich innerhalb eines Ofengehäuses 28 mit einer Heizspule 23.

Während des Beschichtungsvorgangs werden die zu überziehenden Bauteile 2 in einer Argon-Atmosphäre bei reduziertem Druck auf eine Temperatur von etwa 95O°C erhitzt. Bei diesen Bedingungen füllt sich das Innere der Ofenkammer 4 mit einer aluminiumreichen Dampfatmosphäre, welche sowohl auf den Bauteilen 2 als auch auf der Drahtwendel 16 zur Bildung eines Überzugs führt. Der BeschichtungsVorgang, dauert so lange fort, wie die Ofenatmosphäre aufrechterhalten wird. Die sich auf der Drahtwendel 16 niederschlagende Überzugsschicht bindet sich durch Bildung einer intermetallischen Verbindung an die Drahtoberfläche. Die gebildete Überzugsschicht 32 verringert den elektrischen Widerstand der Draht- wendel 16 durch Vergrößerung des Drahtdurchmessers und damit auch des wirksamen Drahtquerschnitts. Diese Widerstandsänderung der Drahtwendel 16 bei der gleichbleibenden Ofentemperatur wird mittels eines an die isolierten

-fr- S

Anschlußdrähte 18 angeschlossenen Meßgeräts 22 überwacht. Wenn der Widerstand der Drahtwendel Ί6 einen experimentell ermittelten, der gewünschten überzugsdicke entsprechenden Wert erreicht, wird der Beschichtungsvorgang beendet. Durch entsprechende Auslegung und Eichung des Meßgeräts 22 ist es auch möglich, die Dicke der Überzuqsschicht 32 direkt in technischen Maßeinheiten, beispielsweise in Mikrometer, anzuzeigen.

Eine Vakuumpumpe 24 und eine Gaszufuhreinrichtung sind nur schematisch dargestellt und dienen in an sich bekannter Weise zur Verminderung des Druckes in der Ofenkammer 4 und zum Einleiten von Argongas in die Ofenatmosphäre.

Als geeignetes Material für die als Vergleichskörper dienende Drahtwendel 16 hat sich ein Nickel-Chrorn-Draht mit etwa 80% Nickel und 20% Chrom erwiesen. Er bleibt bei Temperaturen bis zu 1200° C stabil, ist den zu überziehenden Bauteilen ähnlich, besitzt einen hohen spezifischen elektrischen Widerstand, und ist billig und leicht erhältlich» Eine auf einem Draht mit einem Durchmesser im Bereich von 0,5 mm niedergeschlagene Überzugsschicht 32 mit einer Dicke von etwa 2,5 um hat bereits einen beträchtlichen Einfluß auf die Querschnittsfläche (siehe Fig. 4) und folglich den elektrischen Widerstand des Drahtes, Eine Drahtlänge im Bereich von etwa 10 m ergibt eine Widerstandsänderung, die ausgeprägt und leicht meßbar ist. Die Drahtlänge kann natürlich bei entsprechender Verringerung des Drahtdurchmessers auch kleiner gewählt werden, so daß dann die niedergeschlagene Überzugsschicht 32 einen proportional größeren Effekt auf die Querschnittsfläche und folglich den elektrischen Widerstand hat_o

-KT- 3

Eine solche, doch relativ große Drahtlänge erfordert einen geeigneten Stützkörper 14. Hierfür hat sich rekristallisiertes Aluminiumoxid (99,5% Aluminiumoxid
und 0,5 Magnesiumoxid) als geeigneter Werkstoff erwiesen, der bei hohen Temperaturen stabil ist, keine unannehmbaren Verunreinigungen im Verfahrensystem verursacht und selbst nach Niederschlag einer Aluminisierungsschicht keinen
elektrisch leitenden Parallelstrompfad bildet. Der
Stützkörper für das beschriebene Ausführungsbeispiel kann beispielsweise einen Durchmesser von etwa 32 mm und eine

Länge von 200 mm haben und einen Drahtlänge von etwa 10 m . aufnehmen, was eine Drahtwendel mit einer Steigung von
etwa 2 mm ergibt.

Claims (4)

Patentansprüche

1. Verfahren zur überwachung der Schichtdicke einer elektrisch leitfähigen Überzugsschicht auf einem Bauteil während des Aufbringvorgangs, wobei ein in einen elektrischen Meßkreis geschalteter Vergleichskörper gleichzeitig mit dem zu überziehendem Bauteil den Bedingungen des Aufbringvorgangs ausgesetzt und dabei die Änderung seines elektrischen Widerstands gemessen und diese Widerstandsänderung als Maß für die Schichtdicke der sich auch auf dem Vergleichskörper bildenden Überzugsschicht ausgewertet wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein aus elektrisch leitendem Werkstoff bestehender Überzugskörper verwendet und aus der Änderung seines elektrischen Widerstands die durch die gebildete Überzugsschicht bedingte Querschnittsflächenvergrößerung und anhand derer die Schichtdicke der Überzugsschicht ermittelt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Draht als Vergleichskörper verwendet wird.

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3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Draht in Form einer Drahtwendel verwendet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Drahtwendel auf einem elektrisch nichtleitenden Stützkörper montiert zum Einsatz kommt.