DE4427259A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Reinigung oder Vorwärmung von Bauteiloberflächen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Reini­ gung oder Vorwärmung von Bauteiloberflächen durch Beschuß mit Partikeln.

Der Partikelbeschuß von Oberflächen ist eine bekannte Maßnahme zum Reinigen von Oberflächen. Dabei werden oberflächennahe Schichten und insbesondere Oberflächenkontaminationen abgetragen. Die ent­ sprechenden Verfahren und Verfahrensparameter sind unter den Ver­ fahrensbezeichnungen Sandstrahlen oder Kugel strahlen hinreichend bekannt und werden einer Plasmastrahlbeschichtung oder anderen Be­ schichtungsverfahren unter Inertgas in getrennten Vorrichtungen vor­ geschaltet. Die Trennung ist aufgrund des Strahlgutes, wie zum Bei­ spiel Sand, Stahlkugeln oder Glaskugeln nachteilig erforderlich, da sonst der Behälter für die Plasmaabscheidung mit Strahlmaterial ver­ seucht wird.

Aus US-PS-3 654 108 ist ein Verfahren zur Reinigung mittels Glimment­ ladung bekannt, wobei ein physisches Bombardement von reaktiven redu­ zierenden negativen Ionen die Oberfläche eines Bauteils von Verun­ reinigungen befreit. Dazu muß die Bauteiloberfläche auf positives Potential gelegt werden. Dieses Reinigungsverfahren hat den Nachteil, daß es mit einem plasmabeschichtungsverfahren, bei dem das Werkstück auf negativem Potential als Kathode geschaltet ist, nicht kompatibel ist und folglich ein hoher apparativer Aufwand zu treiben ist, wenn dieses Verfahren einer Vakuumplasmabeschichtung vorgeschaltet wird. Auch das Erfordernis eines speziellen reaktiven und reduzierenden Gases vermindert die Verträglichkeit dieser Glimmentladung mit einer Vakuumplasmabeschichtung.

Es sind auch Verfahren bekannt, die unmittelbar den Ionenstrahl des Plasmabrenners zur Reinigung und Vorwärmung eines Bauteils einsetzen. Dazu wird das zu reinigende Werkstück unmittelbar vor der Beschich­ tung als Kathode geschaltet und der Plasmabrennen als Anode. Die Reinigung der Oberfläche basiert hier auf einer Funkenerosion, wozu ein Lichtbogen zwischen Anode und Werkstück gezündet wird. Das führt nachteilig zu lokalen Überhitzungen, so daß Anschmelzungen an der zu beschichtenden Oberfläche in Mikrobereichen auftreten. Da der Fuß­ punkt des Lichtbogens nur sehr eingeschränkt beeinflußt werden kann, kommt es häufig zu örtlich sehr starker Energieeinbringung, was zum Teil zum örtlichen Anschmelzen und damit zur Zerstörung des Bauteils führen kann.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein gattungsgemäßes Verfahren und eine Vorrichtung zur Reinigung von Bauteiloberflächen unmittelbar vor einer Vakuumplasmabeschichtung anzugeben, das unter den Bedingungen des Plasmaspritzens im Vakuum funktioniert, wobei Lichtbogenein­ schläge an der Bauteiloberfläche vermieden werden.

Gelöst wird diese Aufgabe mit einem Verfahren, das folgende Ver­ fahrensschritte umfaßt: Erzeugen und Aufrechterhalten einer gleich­ mäßigen Glimmentladung unter Grobvakuum in einem Inertgas unter ge­ genüber Normaldruck geringfügig vermindertem Druck zwischen einer Anode und dem als Kathode geschalteten Bauteil.

Dieses Verfahren hat den Vorteil, daß die Partikel mit geringer kine­ tischer Energie auf der Oberfläche einschlagen und äußerst schonend die Oberflächenschichten gleichmäßig abtragen. Dabei wird vorteilhaft das Bauteil von einem Plasma aus Inertgasionen umhüllt. Gleichzeitig wird das Bauteil durch die zugeführte Energie erwärmt, was für die Durchführung des nachfolgenden Plasmaspritzprozesses vorteilhaft ist. Selbst geometrisch komplizierte und dünnwandige Bauteile sowie Bau­ teile aus Einkristallen können ohne Veränderung ihres Gefüges und ohne Beschädigungen im Grobvakuum gereinigt und vorgewärmt werden. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß das Grobvakuum für ein sich anschließendes Plasmaspritzverfahren in gleicher Größenordnung ein­ setzbar ist, so daß ein zusätzlicher Abpumpschritt entfällt, wenn das Plasmaspritzverfahren im gleichen Verfahrensraum durchgeführt wird.

In einer bevorzugten Durchführung des Verfahrens wird die Glimmentla­ dung durch Stromimpulse erzeugt und aufrechterhalten. Das hat den Vorteil einer ständig sich wiederholenden Zündung der Glimmentladung, womit ein vermehrter oder beschleunigter Abtrag von verunreinigten Oberflächenbereichen ermöglicht wird.

Das Verfahren wird vorzugsweise über eine Lichtbogenabschaltung ge­ steuert, bei der ein Stromimpuls dann abgeschaltet wird, wenn ein vorgegebener Schwellenwert beim Stromanstieg während der Glimmentla­ dung überschritten wird. Dieses verhindert vorteilhaft, daß un­ kontrollierbare Lichtbogen oder Funkenentladungen entstehen und die Bauteiloberfläche schädigen.

Zur Durchführung des Verfahrens dient eine Vorrichtung zur Reinigung oder Vorwärmung von Bauteiloberflächen, die einen evakuierbaren und mit Inertgas befüllbaren Behälter aufweist, in den eine Anode elek­ trisch isoliert hineinragt und der in seinem Inneren Mittel zur Hal­ terung eines Bauteils aufweist, die elektrisch isoliert mit einem Kathodenpotential verbindbar sind, wobei außerhalb des Behälters Mittel angeordnet sind, die Stromimpulse generieren und mit einer Lichtbogenabschaltung ausgestattet sind und die Lichtbogenabschaltung über einen Schwellenwertgeber für den gepulsten Anodenstrom verfügt.

Diese Vorrichtung hat den Vorteil, daß im wesentlichen die Reinigung oder Vorwärmung von Bauteiloberflächen schonend unter Inertgas durch­ führbar wird. Dabei hat es sich gezeigt, daß besonders bei Grob­ vakuumbedingungen eine intensive Reinigungswirkung mit dieser Vor­ richtung erzielbar ist. Die Restgasatmosphäre besteht vorzugsweise aus Argon, das vorteilhaft auch bei einer sich anschließenden Plasma­ spritzbeschichtung verwendbar ist. Vorzugsweise ist der Behälter der Vorrichtung eine Vor- oder Chargierkammer einer Vakuumplasmabeschich­ tungsanlage, so daß das Werkstück unmittelbar nach der Reinigung und/oder Vorwärmung in den Beschichtungsbereich überführt werden kann.

Bei einer bevorzugten Ausbildungsform der Erfindung ist der Behälter das Gehäuse des Beschichtungsraums einer Vakuumplasmabeschichtungsan­ lage und die Anode eine zusätzliche zu der Anode des Plasmabrenners angeordnete Hilfsanode. Das hat den Vorteil, daß die Hilfsanode ohne eine zusätzliche Energieversorgung betrieben werden kann und außer einer Halterung für das Werkstück keine weiteren zusätzlichen Einbau­ ten in eine bestehende Vakuumplasmabeschichtungsanlage erforderlich sind. Eine preiswerte Umrüstung bestehender Anlagen beschränkt sich damit im wesentlichen auf die zusätzliche Ausstattung der Energie­ quelle mit einem Impulsgenerator, einem Schwellenwertgeber und einer Lichtbogenlöschautomatik.

Die folgenden Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den anliegenden Zeichnungen soll die Erfindung näher erläutern.

Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform der Vorrichtung zum Reinigen und Vorwärmen von Bauteilen vor einem Plasmaspritzen im Vakuum.

Fig. 2 zeigt eine alternative Ausführungsform der Vorrichtung zum Reinigen und Vorwärmen von Bauteilen vor einem Plasmaspritzen im Vakuum.

Beispiel 1

Auf ein Bauteil 1, wie Fig. 1 zeigt, wird in einer Vakuum­ plasmabeschichtungsanlage 2 eine Haftschicht aus MCrAlY und anschlie­ ßend eine Zirkonoxidschicht unter Grobvakuum aufgebracht, wobei das Restgas aus einem Inertgas besteht. Das Bauteil 1 ist in diesem Fall eine Triebwerksschaufel. Zur Reinigung und Vorwärmung der Bauteil­ oberflächen vor der Plasmabeschichtung wird das Bauteil im gleichen Grobvakuum wie beim Beschichten mit Partikeln beschossen. Dazu wird eine gleichmäßige Glimmentladung unter gegenüber Normaldruck ge­ ringfügig vermindertem Druck in dem Inertgas erzeugt und aufrecht­ erhalten. Die Glimmentladung erfolgt zwischen einer Anode 3 und dem als Kathode geschalteten Bauteil 1. Die Glimmentladung kann entweder die zu reinigenden Oberflächen des Bauteils 1 vollständig umhüllen, oder es wird das Bauteil 1, wie in Fig. 1 gezeigt, mit seinen zu reinigenden Oberflächen in Pfeilrichtung A im Glimmentladungsbereich 4 gedreht und/oder in Pfeilrichtung B verschoben, bis alle Oberflä­ chen gereinigt sind.

Beispiel 2

Ein Bauteil 5, wie Fig. 2 zeigt, wird vor einer Plasmabeschichtung zur Reinigung mit Argonionen unter Grobvakuum in einer Vorkammer 20 zu einer Vakuumplasmabeschichtungsanlage 2 beschossen. Dazu wird das Bauteil 5 als Kathode geschaltet und eine Anode 7 über dem Bauteil angeordnet und eine Glimmentladung gezündet. Das Bauteil 5 kann in Pfeilrichtung C gedreht werden, um die gesamte anschließend zu be­ schichtende Oberfläche zu reinigen. In diesem Beispiel erfolgt die Beschichtung eines weiteren Bauteils 8 zeitlich synchron und räumlich getrennt von der Reinigung des nachfolgenden Bauteils 5. Das Glim­ mentladungsplasma 9 wird von einer kurzschlußfesten Pulsstromquelle 20 gespeist, die über eine Lichtbogenabschaltung verfügt. Bei Anstieg des Glimmentladungsstromes über einen vorgegebenen Schwellenwert wird der sich sonst ausbildende Lichtbogen innerhalb von wenigen Mikro­ sekunden abgeschaltet, so daß sich kein Lichtbogenüberschlag aus­ bilden kann. Durch die Lichtbogenabschaltung können hohe Leistungen überschlagsfrei übertragen werden. Spannungen im Bereich von 100 bis 1000 V zwischen dem Bauteil 5 und der Anode 7 bei einem Effektivstrom unter 40 A und einer Pulsfrequenz zwischen 5 und 33 kHz führen im Gegensatz zur Reinigung unter Lichtbogen zu einer gleichmäßigen Um­ hüllung des Bauteils mit einem Glimmentladungsplasma 9, was eine sehr effektive, gleichmäßige und schonende Reinigung der Bauteiloberfläche bewirkt. Gleichzeitig wird das Bauteil 5 durch die zugeführte Energie erwärmt, was für den anschließenden Plasmaspritzprozeß vorteilhaft ist.

Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform der Vorrichtung zum Reinigen und Vorwärmen von Bauteilen 1 vor einem Plasmaspritzen im Grobvakuum. Die Vorrichtung weist einen evakuierbaren und mit Inertgas befüllbaren Behälter 19 auf, in den eine Anode 3 elektrisch isoliert hineinragt und der in seinem Inneren Mittel 11 zur Halterung eines Bauteils 1 aufweist, die elektrisch isoliert mit einem Kathodenpotential ver­ bindbar sind, wobei außerhalb des Behälters 19 Mittel 12 angeordnet sind, die Stromimpulse generieren und mit einer Lichtbogenabschaltung ausgestattet sind, wobei die Lichtbogenabschaltung über einen Schwel­ lenwertgeber für den gepulsten Anodenstrom verfügt. Die Anode 3 ist mit der Plasmastrahlkanone 13 elektrisch verbunden. Bei der Reinigung der zu beschichtenden Bauteiloberflächen kann das Bauteil 1 unter dem Glimmentladungsbereich 4 in Pfeilrichtung A gedreht und in Pfeilrich­ tung B bewegt werden. Das Grobvakuum mit einer Inertgas-Restatmosphäre während der Reinigung kann für die Vakuum­ plasmabeschichtung unmittelbar beibehalten werden. Eine Bewegungsein­ heit 14, die ein Verschieben der Plasmastrahlkanone 13 ermöglicht, kann gleichzeitig für die Verschiebung der Anode 3 für die Glimment­ ladung eingesetzt werden.

Fig. 2 zeigt eine alternative Ausführungsform der Vorrichtung zum Reinigen und Vorwärmen von Bauteilen 5 vor einem Plasmaspritzen im Vakuum. Die Vorrichtung weist einen evakuierbaren und mit Inertgas befüllbaren Behälter 6 auf, in den eine Anode 7 elektrisch isoliert hineinragt und der in seinem Inneren Mittel 15 zur Halterung des Bauteils 5 aufweist, die elektrisch isoliert mit einem Kathodenpoten­ tial verbindbar sind, wobei außerhalb des Behälters 6 Mittel 10 ange­ ordnet sind, die Stromimpulse generieren und mit einer Lichtbogenab­ schaltung ausgestattet sind, wobei die Lichtbogenabschaltung über einen Schwellenwertgeber für den gepulsten Anodenstrom verfügt. Der Behälter 6 bildet eine Vorkammer 20 zu einer Vakuumplasmabeschich­ tungsanlage 2. Bei der Reinigung der zu beschichtenden Bauteilober­ flächen kann das Bauteil 5 unter dem Glimmentladungsplasma 9 in Pfeilrichtung C, um die Bauteiloberflächen allseitig gleichmäßig zu reinigen, gedreht werden. Das Grobvakuum mit einer Inertgas-Restatmosphäre während der Reinigung kann für die Vakuum­ plasmabeschichtung unmittelbar beibehalten werden. Während der Reini­ gung in der Vorkammer 6 befindet sich in dieser Ausführungsform ein weiteres Bauteil 8 bereits im Beschichtungsbereich 16 der Plasma­ strahlkanone 13. Nach Beendigung der Reinigung des Bauteils 5 in der Vorkammer 20 und der Beschichtung des Bauteils 8 in der Vakuumbe­ schichtungsanlage 2 wird der Schieber 17 geöffnet und unter Beibehal­ tung des Grobvakuums das Bauteil 5 in eine Beschichtungsposition und das Bauteil 8 in die Vorkammer 20 verbracht. Nach Schließen des Schiebers 17 kann die Beschichtung des Bauteils 5 in der Vakuumbe­ schichtungsanlage 2 beginnen, das Bauteil 8 der Vorkammer entnommen werden und ein weiteres Bauteil zur Reinigung in die Vorkammer 20 eingeführt werden.

Claims (6)

1. Verfahren zur Reinigung oder Vorwärmung von Bauteilober­ flächen durch Beschuß mit Partikeln mit folgenden Ver­ fahrensschritten, Erzeugen und Aufrechterhalten einer gleichmäßigen Glimmentladung (4, 9) unter Grobvakuum in einem Inertgas unter gegenüber Normaldruck geringfügig vermindertem Druck zwischen einer Anode (3) und dem als Kathode geschalteten Bauteil (1, 5).

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Glimmentladung (4, 9) durch Stromimpulse erzeugt und auf­ rechterhalten wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Stromanstieg bei der Glimmentladung (4, 9) über eine Lichtbogenabschaltung gesteuert wird, wobei ein Stromimpuls dann abgeschaltet wird, wenn ein vorgegebener Schwellenwert überschritten wird.

4. Vorrichtung zur Reinigung oder Vorwärmung von Bauteilober­ flächen, die einen evakuierbaren und mit Inertgas befüll­ baren Behälter (6, 19) aufweist, in den eine Anode (3) elektrisch isoliert hineinragt und der in seinem Inneren Mittel (11, 15) zur Halterung eines Bauteils (1, 5) auf­ weist, die elektrisch isoliert mit einem Kathodenpoten­ tial verbindbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß außer­ halb des Behälters Mittel (10, 12) angeordnet sind, die Stromimpulse generieren und mit einer Lichtbogenabschal­ tung ausgestattet sind, wobei die Lichtbogenabschaltung über einen Schwellenwertgeber für den gepulsten Anoden­ strom verfügt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter (6) eine Vor- oder Chargierkammer (20) einer Vaku­ umplasmabeschichtungsanlage (2) ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 5, dadurch gekennzeich­ net, daß der Behälter (19) das Gehäuse des Beschichtungs­ raums einer Vakuumplasmabeschichtungsanlage (2) ist und die Anode (3) eine zusätzliche zu der Anode des Plasma­ brenners (13) angeordnete Hilfsanode (3) ist.