DE4135326C1 - Coating components by thermal spraying - using preheating kiln to heat workpiece before plasma spraying in vacuum chamber - Google Patents

Coating components by thermal spraying - using preheating kiln to heat workpiece before plasma spraying in vacuum chamber

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    • C23C4/137—Spraying in vacuum or in an inert atmosphere

Abstract

To coat components by thermal spraying, esp. vacuum plasma spray at preheated components to a given temp., the workpieces are preheated by heat radiation and/or convection in a kiln with induction or electrical resistance heating. The component workpiece is pref. initially heated and the component and/or kiln are moved so that the workpiece is in a defined position for the next stage. The workpiece is placed in the preheating kiln in the cladding position, and, after heating, the kiln is retracted to clear the workpiece for deposition. The workpiece is in the same position for preheating and deposition. USE/ADVANTAGE - The process is for coating components, e.g. turbine blades, where a layer is deposited on the substrate material. The method gives an effective bond between the substrate material and the deposited layer, without imposing stresses on the workpiece which could lead to cracks or other faults.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Beschich­ ten von Bauteilen durch thermisches Spritzen, insbesondere durch Vakuum-Plasmaspritzen, bei dem die Bauteile vor dem Spritzvorgang auf eine definierte Temperatur vorgewärmt werden. Unter Vakuum-Plasmaspritzen sind dabei auch die sogenannten Niederdruckspritzverfahren abgedeckt. Daneben bezieht sich die Erfindung auf eine Anlage zur Durchfüh­ rung dieses Verfahrens, insbesondere zum Beschichten von Turbinenschaufeln, mit einer Kammer zum Aufspritzen von Schichten unter Vakuum oder vorgegebenem Gasdruck.The invention relates to a method for coating components by thermal spraying, in particular by vacuum plasma spraying, in which the components in front of the Spraying process preheated to a defined temperature will. They are also under vacuum plasma spraying so-called low pressure spraying process covered. Besides The invention relates to a plant for implementation tion of this method, in particular for coating Turbine blades, with a chamber for spraying Layers under vacuum or given gas pressure.

Vor dem Beschichten von Substraten, insbesondere durch Vakuum-Plasmaspritzen, kann in Sonderfällen durch Vorwär­ men des Substrates eine Verbesserung der Haftfestigkeit auf dem Substrat erreicht werden. Dadurch werden insbeson­ dere thermische Spannungen, wie sie bei heißem Spritzgut und kalter Substratoberfläche entstehen, verringert.Before coating substrates, especially through Vacuum plasma spraying, can be done by preheating in special cases men of the substrate an improvement in adhesive strength can be achieved on the substrate. This will in particular thermal stresses such as those with hot spray material and cold substrate surface arise, reduced.

Beim thermischen Spritzen sind bereits verschiedene Ver­ fahren der Substraterwärmung vor dem eigentlichen Be­ schichtungsvorgang bekannt: Insbesondere wird in der Praxis eine Erwärmung des zu beschichtenden Bauteiles durch den Plasmabrenner selbst durchgeführt, wobei bei diesem Vorgang noch kein Spritzgut injiziert wird. Das Bauteil wird dabei gewöhnlich als Anode geschaltet, damit die Elektronen des Plasmas durch Energieabgabe die Auf­ heizung bewirken. Zur Verkürzung der Heizperiode ist dabei auch der gleichzeitige Einsatz von zwei Brennern möglich. Alternativ dazu wird die Aufheizung des Bauteiles bei ne­ gativ gepoltem Substrat vorgenommen, so daß Reinigung und Heizung durch Ionenbeschuß parallel ablaufen.In thermal spraying there are already different ver drive the substrate heating before the actual loading Layering process known: In particular, the Practice heating the component to be coated performed by the plasma torch itself, with no spray material is injected during this process. The Component is usually switched as an anode, so the electrons of the plasma by giving up the energy  effect heating. This is to shorten the heating period the simultaneous use of two burners is also possible. Alternatively, the component is heated at ne gativ polarized substrate, so that cleaning and Run heating in parallel by ion bombardment.

Weiterhin sind Einrichtungen zur induktiven Erwärmung des zu beschichtenden Bauteiles bekannt, wobei eine Wärmeein­ kopplung entweder indirekt über einen Graphitsuszeptor oder direkt mittels geeignet geformter Induktoren erfolgen kann.Furthermore, devices for inductive heating of the component to be known, wherein a heat coupling either indirectly via a graphite susceptor or directly by means of suitably shaped inductors can.

Bei allen obigen Verfahren erfolgt die Erwärmung und das nachfolgende thermische Spritzen im gleichen Vakuumkessel. Wegen der Gefahr einer Oxidation der Bauteiloberflächen muß aber beim Erwärmen unter Vakuum oder Schutzgas­ atmosphäre gearbeitet werden, während der eigentliche Beschichtungsvorgang beim Arbeitsdruck des Plasma- und Trägergases abläuft. Für eine solche Arbeitsweise müssen geeignete, entsprechend aufwendige Maßnahmen vorgesehen sein, wobei das gewünschte Ergebnis, d. h. eine gleich­ mäßige Erwärmung des Bauteiles ohne Spannungen, nicht immer erreicht wird.In all of the above methods, the heating and the subsequent thermal spraying in the same vacuum vessel. Because of the risk of oxidation of the component surfaces but must be used when heating under vacuum or protective gas atmosphere to be worked during the actual Coating process at the working pressure of the plasma and Carrier gas expires. For such a way of working suitable, correspondingly complex measures are provided be, with the desired result, i.e. H. one the same moderate heating of the component without tension, not is always achieved.

Aus der Praxis sind auch Arbeitsverfahren mit getrennten Kammern bekannt. Dabei wird eine Vakuumkammer zum Vorhei­ zen verwendet, die über eine Schleuse an die Beschich­ tungskammer angeschlossen ist. Die Aufheizung der Bauteile erfolgt in diesem Fall durch Infrarot(IR)-Strahler, deren Strahlungsenergie durch geeignete Spiegel möglichst voll­ ständig auf die Bauteiloberfläche gelenkt wird. Dieses Verfahren ist vergleichsweise aufwendig, da zur Vermeidung von Überhitzungen die Strahlen- und Spiegelanordnung sorg­ fältig auf die jeweils vorhandene Geometrie des Bauteiles abgestimmt werden muß.Working methods with separate ones are also practical Chambers known. A vacuum chamber becomes a preheat Zen used that over a lock to the Beschich chamber is connected. The heating of the components takes place in this case by infrared (IR) emitters, whose Radiation energy by suitable mirrors as full as possible is constantly directed onto the component surface. This The procedure is comparatively complex because of avoidance of overheating cause the beam and mirror arrangement  to the existing geometry of the component must be coordinated.

Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, ein Verfahren und eine diesbezügliche Anlage vorzuschlagen, mit denen in einfacher Weise bei Erreichen eines höchsten Qualitäts­ standards gearbeitet werden kann.In contrast, the object of the invention is a method and to propose an appendix with which in simple way when achieving the highest quality standards can be worked.

Die Aufgabe ist erfindungsgemäß bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß das Vorwärmen des Bauteiles mit Wärmestrahlung und/oder Konvektion mittels eines induktiv- oder widerstandsbeheizten Ofens durchgeführt wird. Dabei befindet sich das zu beschich­ tende Bauteil in einem ersten Verfahrensschritt zwecks Erwärmung im induktiv- oder widerstandsbeheizten Ofen, wobei Bauteil und/oder Ofen derart manipuliert werden, daß in einem zweiten Verfahrensschritt das Bauteil zum Be­ schichten zur Verfügung steht.The object of the invention is in a method of type mentioned solved in that the preheating of the component with heat radiation and / or convection by means of an induction or resistance heated furnace is carried out. This is to be coated component in a first process step Heating in an induction or resistance-heated furnace, component and / or furnace being manipulated such that in a second process step the component for loading layers is available.

Bei der zugehörigen Anlage zur Durchführung letzteren Verfahrens ist an der Kammer für das Aufspritzen der Schicht oder auch innerhalb der Kammer ein induktiv- oder widerstandsbeheizter Ofen vorhanden. Ein solcher Ofen kann vorzugsweise ein Kammerofen sein, von dem wenigstens drei Innenflächen beheizt sind. Alternativ dazu ist auch ein Rohrofen möglich.In the associated system for carrying out the latter The procedure is at the chamber for spraying the Layer or an inductive or inside the chamber resistance heated oven available. Such an oven can preferably a chamber furnace, of which at least three Inside surfaces are heated. Alternatively, is a Pipe furnace possible.

In praktischer Realisierung der Erfindung zur Anwendung bei Turbinenschaufeln erfolgt die Erwärmung der Schaufeln im widerstandsbeheizten Ofen, der entweder in der Be­ schichtungskammer oder aber vorzugsweise in einer über eine Schleuse angeflanschten Vorwärmkammer betrieben wer­ den kann. In letzterem Fall wird das Bauteil zum Aufheizen in den Ofen eingeführt und anschließend automatisiert an die Beschichtungsstation weitergegeben. Über Türen oder Klappen zwischen Kammer und Ofen, die pneumatisch oder motorgetrieben verschließbar sind, kann dabei dabei die Abstrahlung minimiert und die Belegung der Ofenwände durch Beschichtungsmaterial vermieden werden. Insbesondere mit einem rechteckigen Kammerofen, bei dem wenigstens drei der Innenflächen mit Heizelementen versehen sind, läßt sich eine schnelle und gleichmäßige Erwärmung der Bauteile erreichen. In practical implementation of the invention for use in the case of turbine blades, the blades are heated in the resistance-heated oven, either in the Be stratification chamber or preferably in an over a lock flanged preheating chamber operated who that can. In the latter case, the component is used for heating  inserted into the oven and then automated passed the coating station. Over doors or Flaps between chamber and furnace, which are pneumatic or are motor-driven closable, can Radiation minimized and the occupancy of the furnace walls through Coating material can be avoided. Especially with a rectangular chamber furnace in which at least three of the Interior surfaces are provided with heating elements, can rapid and even heating of the components to reach.  

Neben der Energieübertragung durch Strahlung im Vakuumbetrieb läßt sich alternativ oder additiv durch eine Erwärmung in Schutzgasatmosphäre zusätzlich die Konvektion ausnutzen. Zur Vermeidung von Spannungsüberschlägen an den Heizanschlüssen bei Arbeitsdrücken im Bereich von 20 bis 200 mbar verwendet man dabei vorteilhafterweise Heizelemente mit Betriebsspannun­ gen von unter 100 V.In addition to the energy transfer by radiation in vacuum operation can alternatively or additively by heating in Use the convection in an inert gas atmosphere. For Avoiding flashovers on the heating connections used at working pressures in the range of 20 to 200 mbar advantageously heating elements with operating voltage less than 100 V.

Bei der Erfindung ist besonders vorteilhaft, daß sich der er­ wärmte Ofeninnenraum samt eingebrachtem Bauteil dem Ideal des schwarzen Strahlers nähert. Somit wird eine Überhitzung von insbesondere dünnwandigen Partien des Bauteils, wie sie bei Turbinenschaufeln vorhanden sind, wirksam verhindert. Weiter­ hin ist vorteilhaft, daß bei einem Kammerofen jede Bauteilgeo­ metrie ohne aufwendige Anpassung des Heizraumes gleichmäßig erwärmt wird und sich insbesondere Masseanhäufungen im Bauteil nicht nachteilig bemerkbar machen.In the invention, it is particularly advantageous that he warmed the interior of the furnace and the inserted component to the ideal of black spotlight is approaching. Thus, overheating of especially thin-walled parts of the component, as in Turbine blades are present, effectively prevented. Next it is advantageous that in a chamber furnace each component geo metry evenly without complex adjustment of the boiler room is heated and in particular mass accumulations in the component not make it noticeable.

Speziell bei einem Kammerofen bestimmen die Innenverkleidungen der Kammer die Wärmekapazität und die rückwandige Isolation der Ofenwicklung die Abstrahlverluste. Durch geeignete Auswahl der Materialien ergibt sich nunmehr ein wirtschaftliches Er­ wärmungskonzept, das in der Praxis insbesondere zur Vorwärmung von Turbinenschaufeln realisiert wurde.The interior cladding is particularly important for a chamber furnace the chamber's heat capacity and back wall insulation radiation losses to the furnace winding. Through suitable selection the materials now have an economic success heating concept, which in practice especially for preheating was implemented by turbine blades.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich durch die nachfolgende Figurenbeschreibung eines Ausführungs­ beispiels in Verbindung mit den Patentansprüchen. Die einzige Figur zeigt in schematischer Darstellung den Querschnitt durch eine Beschichtungskammer mit daran angeflanschtem Kammerofen.Further details and advantages of the invention emerge by the following figure description of an embodiment for example in connection with the claims. The only Figure shows a schematic representation of the cross section through a coating chamber with a chamber furnace flanged onto it.

In der Figur ist ein Vakuumkessel zum Plasmaspritzen mit 1 be­ zeichnet. Im Vakuumkessel 1, der in bekannter Weise mit An­ schlüssen zum Zuführen bzw. Absaugen von Gasen und anderen Be­ triebsmitteln versehen ist, befindet sich ein Industrieroboter 2 mit Plasmabrenner 20, mit dem beliebig geformte Bauteile be­ schichtet werden können. Da üblicherweise bei derartigen Ver­ fahren im quasi-kontinuierlichen Betrieb mit Durchlauf der Werkstücke gearbeitet wird, sind an der Kammer 1 Schleusen zum Einbringen und Ausbringen von Werkstücken 10, 10′, 10′′,... angeordnet. Dabei kennzeichnet speziell 3 eine Ausgangsschleu­ se zwischen Kammer 1 und einer Entnahmestation 8 mit Entnahme­ tür 81. Es ist ein Werkstückmanipulator 4 vorhanden, mit dem ein Werkstück 10 für eine spezifische Beschichtung in eine ge­ eignete Lage gebracht werden kann. Dabei bezeichnet das Be­ zugszeichen 5 die jeweilige Spritzposition mit dem zugehörigen Werkstückhalter 50, während Bezugszeichen 6 auf die Entnahme­ position deutet.In the figure, a vacuum kettle for plasma spraying is marked with 1 be. In the vacuum vessel 1 , which is provided in a known manner with connections for supplying or extracting gases and other loading means, there is an industrial robot 2 with a plasma torch 20 with which components of any shape can be coated. Since usually run in such a United in quasi-continuous operation with passage of the workpieces, 1 locks for introducing and removing workpieces 10 , 10 ', 10 '', ... are arranged on the chamber. Specifically, 3 denotes an exit gate between chamber 1 and a removal station 8 with removal door 81 . There is a workpiece manipulator 4 with which a workpiece 10 can be brought into a suitable position for a specific coating. The reference numeral 5 denotes the respective injection position with the associated workpiece holder 50 , while reference number 6 indicates the removal position.

Eine solche vorhandene Anlage zum Vakuumplasmaspritzen ist dergestalt komplettiert, daß an der Schleuse zum Einbringen der Werkstücke ein Vorwärmofen 7 angeflanscht ist. Der Vor­ wärmofen 7 ist speziell als Kammerofen in rechteckiger Ausfüh­ rung mit einem Verschlußelement 70 zur Spritzkammer 1 ausge­ bildet und hat eine Außentür 71.Such an existing system for vacuum plasma spraying is completed in such a way that a preheating furnace 7 is flanged to the lock for introducing the workpieces. Before the heating furnace 7 is specially designed as a chamber furnace in a rectangular configuration with a closure element 70 to the spray chamber 1 and has an outer door 71 .

Bei einem Kammerofen 7 sind üblicherweise die vier, die Durch­ laufstrecke umgebenden Innenflächen mit Heizelementen verse­ hen. Es kann aber genügen, statt der unteren beheizten Grund­ fläche Teile aus einem Material mit hoher Wärmekapazität vor­ zusehen, wie sie beispielsweise durch eine massive Metallplat­ te 50, beispielsweise aus Edelstahl, realisiert sind.In the case of a chamber furnace 7 , the four inner surfaces with heating elements are usually provided with heating elements. However, it may be sufficient to see parts made of a material with a high heat capacity in place of the lower heated base surface, such as are realized by a massive metal plate 50 , for example made of stainless steel.

Das Verschlußelement 70 des Ofens 7 ist im allgemeinen nicht beheizt. Es kann als Schleuse ausgebildet sein und den glei­ chen Aufbau wie die Schleuse 3 haben. In diesem Fall kann bei geschlossener Spritzkammer 1 über die Ofentür 71 eine Beschic­ kung des Ofens 70 und über die Tür 81 eine Entnahme fertiger Bauteile erfolgen. Wenn die Atmosphäre in der Kammer 1 und im Ofen 7 identisch ist, genügt als Verschlußelement 70 ebenfalls eine übliche Tür bzw. Klappe. In diesem Fall sollte aber eine Vorkammer für den Ofen vorhanden sein.The closure element 70 of the furnace 7 is generally not heated. It can be designed as a lock and have the same surface structure as the lock 3 . In this case, when the spray chamber 1 is closed, the furnace 70 can be loaded onto the furnace door 71 and finished components can be removed via the door 81 . If the atmosphere in the chamber 1 and in the furnace 7 is identical, a conventional door or flap is also sufficient as the closure element 70 . In this case, however, there should be an antechamber for the furnace.

Erprobungen haben gezeigt, daß mit der beschriebenen Anlage die Vorbereitung der Bauteile vor der Beschichtung bezüglich Erwärmungszeit und Temperaturkonstanz besonders günstig ist. Werkstoffschäden bei Turbinenschaufeln als Bauteile, insbeson­ dere Rißbildung aufgrund von thermischen Spannungen werden vermieden. Das Verfahren ist automatisierungsfreundlich, wobei Bauteile im Durchlauf erwärmt und beschichtet werden.Tests have shown that with the system described the preparation of the components before coating Warming time and constant temperature is particularly favorable. Material damage to turbine blades as components, in particular their cracking due to thermal stresses avoided. The process is automation-friendly, whereby Components are heated and coated in one go.

Claims (16)

1. Verfahren zum Beschichten von Bauteilen durch thermi­ sches Spritzen, insbesondere durch Vakuum-Plasmaspritzen, bei dem die Bauteile vor dem Spritzvorgang auf eine de­ finierte Temperatur vorgewärmt werden, dadurch gekennzeichnet, daß das Vorwärmen der Bauteile mit Wärmestrahlung und/oder Konvektion mittels eines induktiv- oder widerstandsbeheizten Ofens durchge­ führt wird.1. A method for coating components by thermal spraying, in particular by vacuum plasma spraying, in which the components are preheated to a defined temperature before the spraying process, characterized in that the preheating of the components with heat radiation and / or convection by means of an inductive - or resistance-heated furnace is carried out. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das zu beschichtende Bauteil sich in einem ersten Verfahrensschritt zwecks Erwärmung im induktiv- oder widerstandsbeheizten Ofen befindet, wobei Bauteil und/ oder Ofen derart manipuliert werden, daß in einem zweiten Verfahrensschritt das Bauteil in einer definierten Position zur Beschichtung zur Ver­ fügung steht.2. The method according to claim 1, characterized ge indicates that what is to be coated Component itself in a first process step Heating in an induction or resistance-heated furnace is located, component and / or furnace manipulated in this way be that the component in a second process step in a defined position for coating for ver is standing. 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß vor dem zweiten Verfahrens­ schritt das Bauteil aus dem Ofen in die Beschichtungsposi­ tion gebracht wird.3. The method according to claim 2, characterized ge indicates that before the second procedure step the component out of the furnace into the coating position tion is brought. 4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß vor dem zweiten Verfahrens­ schritt der Ofen aus der Beschichtungsposition herausbe­ wegt wird, so daß das Bauteil zur Beschichtung freigegeben wird.4. The method according to claim 2, characterized ge indicates that before the second procedure the oven moved out of the coating position is moved so that the component is released for coating becomes. 5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Bauteil bei beiden Ver­ fahrensschritten in der gleichen Position gehalten wird. 5. The method according to claim 4, characterized ge indicates that the component in both ver steps are held in the same position.   6. Anlage zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder einem der Ansprüche 2 bis 5, insbesondere zum Be­ schichten von Turbinenschaufeln, mit einer Kammer zum Auf­ spritzen von Schichten unter Vakuum oder vorgegebenem Gas­ druck, dadurch gekennzeichnet, daß an der Kammer (1) oder auch innerhalb der Kammer (1) ein induktions- oder widerstandsbeheizter Ofen (7) vor­ handen ist.6. Plant for performing the method according to claim 1 or one of claims 2 to 5, in particular for loading layers of turbine blades, with a chamber for spraying on layers under vacuum or a predetermined gas pressure, characterized in that on the chamber ( 1 ) or an induction or resistance-heated oven ( 7 ) is also present within the chamber ( 1 ). 7. Anlage nach Anspruch 6 mit einem widerstandsbeheizten Ofen, dadurch gekennzeichnet, daß der widerstandsbeheizte Ofen ein Niederspannungsofen ist, vorzugsweise für Spannungen unter 100 V.7. Plant according to claim 6 with a resistance heated Oven, characterized in that the resistance heated furnace is a low voltage furnace, preferably for voltages below 100 V. 8. Anlage nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Ofen (7) ein Kammerofen ist, von dem wenigstens drei Innenflächen beheizt sind.8. Plant according to claim 6, characterized in that the furnace ( 7 ) is a chamber furnace, by which at least three inner surfaces are heated. 9. Anlage nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Ofen (7) ein Rohrofen ist.9. Plant according to claim 6, characterized in that the furnace ( 7 ) is a tube furnace. 10. Anlage nach Anspruch 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Wärmekapazität des Ofens (7) durch Teile aus Materialien großer Wärmekapa­ zität erhöht werden.10. Plant according to claim 6, characterized in that the heat capacity of the furnace ( 7 ) by parts made of materials with a high heat capacity are increased. 11. Anlage nach Anspruch 10, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Erhöhung der Wärme­ kapazität des Ofens (7) mit einer einschiebbaren massiven Metallplatte erfolgt.11. Plant according to claim 10, characterized in that the increase in the heat capacity of the furnace ( 7 ) with an insertable solid metal plate. 12. Anlage nach Anspruch 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Ofen (7) an der Kammer (1) angeflanscht ist und das Werkstück auf einem Werk­ stückträger aus dem Ofen (7) in eine Position zur Be­ schichtung bewegbar ist.12. Plant according to claim 6, characterized in that the furnace ( 7 ) is flanged to the chamber ( 1 ) and the workpiece on a workpiece carrier from the furnace ( 7 ) in a position for loading coating is movable. 13. Anlage nach Anspruch 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Ofen (7) sich innerhalb der Kammer (1) befindet und darin verfahrbar ist.13. Plant according to claim 6, characterized in that the furnace ( 7 ) is within the chamber ( 1 ) and is movable therein. 14. Anlage nach Anspruch 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß Kammer (1) und Ofen (7) über ein Verschlußelement (70), verbunden sind.14. Plant according to claim 6, characterized in that the chamber ( 1 ) and furnace ( 7 ) via a closure element ( 70 ) are connected. 15. Anlage nach Anspruch 14, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Verschlußelement (70) eine Schleuse ist.15. Plant according to claim 14, characterized in that the closure element ( 70 ) is a lock. 16. Anlage nach Anspruch 14, wobei die Atmosphäre zwischen Kammer (1) und Ofen (7) identisch ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Verschlußelement (70) eine Tür oder eine Klappe ist.16. Plant according to claim 14, wherein the atmosphere between the chamber ( 1 ) and the furnace ( 7 ) is identical, characterized in that the closure element ( 70 ) is a door or a flap.
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