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GEBIET DER OFFENBARUNG
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Die
vorliegende Offenbarung betrifft allgemein ein Verfahren zum Ausbessern
eines Werkstücks
und, genauer, ein Verfahren zum Ausbessern eines Werkstücks unter
Verwendung einer Mikroplasma-Spritzbeschichtung.
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HINTERGRUND DER OFFENBARUNG
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Im
Allgemeinen sind konventionelle Plasma-Spritzbeschichtungsvorrichtungen
wegen der Größe und Breite
des Plasmastroms ungenau beim Aufbringen ihrer Plasmaspritzbeschichtungen.
Der Plasma-Spritzbeschichtungsprozess erfordert typischerweise,
dass das Werkstück
in Bereichen, wo die Materialübertragung
nicht erwünscht
und/oder nicht erforderlich ist, maskiert wird. Konventionelle Plasma-Spritzbeschichtungs-Verfahren
und -Vorrichtungen erfordern ein Maskieren des Werkstücks und Aufbringen
der Beschichtung, weil das Plasma-Spritzbeschichtungsbild zu breit
ist, um den Beschichtungsprozess genau zu kontrollieren. Ein konventioneller
Prozess, der die Verwendung einer Maskierung beinhaltet, ist beispielsweise
in der europäischen
Patentanmeldung
EP 0
808 913 A offenbart.
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Folglich
gibt es einen Bedarf an einem Verfahren zum Ausbessern eines Werkstücks unter
Verwendung einer Mikroplasma-Spritzbeschichtung, das in der Lage
ist, ohne das Erfordernis des Maskierens angewendet zu werden, während es
dennoch eine annehmbare Spritzbeschichtungsqualität bereitstellt.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung weist ein Verfahren zum Ausbessern eines Werkstücks unter Verwendung
von Mikroplasma allgemein die Schritte des Erzeugens eines Mikroplasmastroms,
der eine Breite von etwa 0,5 mm bis etwa 5 mm aufweist; des Aufbringens
des Mikroplasmastroms auf ein Werkstück; und des Beschichtens eines
Bereichs des Werkstücks
mit dem Mikroplasmastrom ohne Maskieren des Werkstücks auf.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung weist ein Verfahren zum Ausbessern einer Schneidendichtung eines
Werkstücks
unter Verwendung von Mikroplasma allgemein die Schritte des Erzeugens
eines Mikroplasmastroms, der eine Breite von etwa 0,5 mm bis etwa
5 mm aufweist; des Aufbringens des Mikroplasmastroms auf eine Schneidendichtung
eines Werkstücks;
und des Beschichtens mindestens eines Bereichs der Schneidendichtung
mit dem Mikroplasmastrom ohne Maskieren des Werkstücks auf.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung weist ein Verfahren zum Ausbessern eines Endes einer Laufschaufel
unter Verwendung von Mikroplasma allgemein die Schritte des Erzeugens
eines Mikroplasmastroms, der eine Breite von etwa 0,5 mm bis etwa
5 mm aufweist; des Aufbringens des Mikroplasmastroms auf ein Ende
einer Laufschaufel; und des Beschichtens mindestens eines Bereichs
des Laufschaufelendes mit dem Mikroplasmastrom ohne Maskieren der
Laufschaufel auf.
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Die
Einzelheiten einer oder mehrerer Ausführungsformen der Erfindung
sind in den begleitenden Zeichnungen und der Beschreibung unten
dargelegt. Andere Merkmale, Aufgaben und Vorteile der Erfindung
werden aus der Beschreibung und den Zeichnungen und aus den Ansprüchen deutlich
werden.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine Abbildung, die eine Mikroplasma-Spritzbeschichtungsvorrichtung
der vorliegenden Erfindung darstellt;
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2 ist
eine perspektivische Explosionsansicht der Mikroplasma-Spritzbeschichtungsvorrichtung
von 1;
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3 ist
eine vergrößerte Ansicht
einer in der Mikroplasma-Spritzbeschichtungsvorrichtung von 2 veranschaulichten
Elektrode;
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4 ist
ein Ablaufdiagramm, das einen Prozess zum Aufbringen einer Mikroplasma-Spritzbeschichtung
auf ein Werkstück
gemäß der vorliegenden
Erfindung darstellt;
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5 ist
ein Werkstück
mit einer durchgehenden Kante;
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5A ist
eine Explosionsansicht einer durchgehenden Kante des Werkstücks von 5, die
die Beschichtungsschichten veranschaulicht;
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6 ist
eine zusammengesetzte perspektivische Ansicht der Mikroplasma-Spritzbeschichtungsvorrichtung
von 1 im Betrieb;
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7 ist
eine weitere zusammengesetzte perspektivische Ansicht der Mikroplasma-Spritzbeschichtungsvorrichtung
von 1 im Betrieb; und
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8 ist
eine Explosionsansicht des Bereichs 8 in 7 eines
Laufschaufelendes, die die Beschichtungsschichten veranschaulicht;
Gleiche Bezugsziffern und Bezeichnungen in den verschiedenen Zeichnungen
geben ähnliche
Elemente an.
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GENAUE BESCHREIBUNG
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Bei
der Durchführung
des (der) hier beschriebenen Verfahren(s) ist beabsichtigt, dass
eine stationäre
Mikroplasma-Spritzbeschichtungsvorrichtung, eine automatische Mikroplasma-Spritzbeschichtungsvorrichtung,
eine fernbediente Mikroplasma-Spritzbeschichtungsvorrichtung, eine
Roboter-implementierte Mikroplasma-Spritzbeschichtungsvorrichtung und eine
tragbare Mikroplasma-Spritzbeschichtungsvorrichtung verwendet werden
können.
Die stationären,
automatischen, fernbedienten und Roboter-implementierten Modelle
werden typischerweise in einer Umschließung wie einem zweckbestimmten
Raum verwendet, wo der Lärmpegel
kontrolliert werden kann und überschüssiges Mikroplasma-Spritzmaterial
und/oder pulverförmiges Material
leicht gesammelt werden kann. Es ist auch beabsichtigt, dass eine
tragbare Mikroplasma-Spritzbeschichtungsvorrichtung auf einer mobilen
Plattform wie einem Fahrzeug montiert und zu Plätzen vor Ort trans portiert
werden kann, um eine Ausbesserungsarbeit schnell zu erleichtern.
Eine derartige tragbare Mikroplasma-Spritzbeschichtungsvorrichtung
ist in der
US-Patentanmeldung
Nr. 11/1 90135 beschrieben.
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Zu
Veranschaulichungszwecken, und nicht in beschränkendem Sinne zu verstehen,
werden die hierin beabsichtigten Verfahren zum Ausbessern von Werkstücken bezüglich der
Verwendung der vorgenannten tragbaren Hand-Mikroplasma-Spritzbeschichtungsvorrichtung
beschrieben. Es ist beabsichtigt, wie von einem Durchschnittsfachmann
erkannt werden wird, dass die vorgenannte tragbare Hand-Mikroplasmavorrichtung
zur Verwendung in den vorgenannten stationären, automatischen, fernbedienten
und Roboter-implementierten Modellen ausgerüstet werden kann. Es ist beabsichtigt,
dass die Werkstücke
verschiedene Gasturbinenmaschinen- und Turbomaschinen-Komponenten
in Beziehung zu einem Gebläse,
einer Turbine, einem Kompressor, einer Leitschaufel, einer Laufschaufel
und dergleichen, sowie andere ähnliche
Komponenten bei anderen industriellen Anwendungen aufweisen können, aber
ohne darauf beschränkt
zu sein.
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Es
wird nun auf die 1 und 2 Bezug genommen,
worin eine Mikroplasma-Spritzbeschichtungsvorrichtung 10,
die durch die gestrichelte Kästchen-Umrisslinie
schematisch dargestellt ist, veranschaulicht wird. Allgemein kann
eine Mikroplasma-Spritzbeschichtungsvorrichtung 10 einen
Mikroplasma-Spritzapparat 12 mit einem Gehäuse 13,
das einen Bogengasemitter 14, eine Anode 16 und
eine Kathode 28 enthält,
aufweisen. Ein Lichtbogen 20 wird zwischen der Anode 16 und
der Kathode 28 erzeugt. Ein Plasmastrom 21 wird
gebildet, wenn eine Menge an Bogengas von dem Bogengasemitter 14 durch
den Bogen 20 eingespritzt wird. Ein Pulvermaterial-Injektor 22 verteilt
eine Menge an Pulvermaterial in dem Plasmastrom, der das Pulvermaterial
zu einem Werkstück 24 transportiert.
Eine Bogengasquelle 15, ein Pulver-Einspeisesystem 23,
ein Kühlfluidsystem 11 und
eine Energiequelle 17 sind alle mit dem Mikroplasma-Spritzapparat 12 verbunden.
Die Energiequelle kann in einem Leistungsbereich arbeiten, der erforderlich
ist, um die beabsichtigte Anwendung der Mikroplasma-Spritzbeschichtungsvorrichtung 10 durchzuführen. Bevorzugt
arbeitet die Energiequelle in einem relativ niedrigen Leistungsbereich von
etwa 0,5 kW bis etwa 4 kW. Die Energiequelle kann irgendeine Energiequelle
aufweisen, die in der Lage ist, die vorgenannten gewünschten
Leistungsbereiche bereitzustellen, und umfasst eine Stromleitung,
die an Stromausgänge
verschiedener Größe angeschlossen
werden kann. Ein Filtersystem 19 zum Sammeln von überschüssigem Mikroplasma-Sprühnebel und/oder
Pulvermaterialien kann in der Vorrichtung 10 enthalten
sein. Das Filtersystem 19 weist im Allgemeinen einen zum
Entfernen von überschüssigem Pulver
aus der Luft fähigen
Hochleistungs-Teilchen-Luftfilter mit einem Handvakuum auf, der
an einem Beutel oder einem Behälter
befestigt ist, wo das überschüssige Pulver
gesammelt wird. Das Filtersystem 19 wird bevorzugt zusammen
mit der Vorrichtung 10 an der mobilen Plattform montiert.
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Es
wird nun auf 2 Bezug genommen, worin das
Gehäuse
des Mikroplasma-Spritzapparats 12 einen
Griffbereich 47, eine Vorderwand 48, eine erste
Seitenwand 49, eine obere Wand 51, eine Rückwand (nicht
gezeigt) und eine zweite Seitenwand (nicht gezeigt) aufweisen kann.
Das Gehäuse weist
bevorzugt eine erste Hälfte 13a und
eine zweite Hälfte 13b auf;
jede Hälfte 13a, 13b enthält einen wechselseitigen
männlich/weiblichen
Befestigungsmechanismus wie, aber ohne darauf beschränkt zu sein,
Schnappverschlüsse,
ineinander greifende Teile, abgesenkten Stift und Aussparung, Klemmen, Klammern,
Kombinationen davon und dergleichen, die einstückig damit ausgebildet sind.
Ein Düsenmantel 46,
der an einer Vorderwand 48 des Mikroplasma-Spritzapparats 12 vorgesehen
ist, kann einen Düseneinsatz 50 und
eine mittige Öffnung 52 enthalten.
Der Düseneinsatz 50 kann
mittels Gewinde an einem Ende des Düsenmantels 46 befestigt sein.
Eine Schutzgaskappe 54 kann dem Düsenmantel 46 benachbart
vorgesehen sein. Ein Isolator 56 kann zwischen einer Schutzgaskappe 54 und
einem Düsenmantel 46 vorgesehen
sein, um die Schutzgaskappe 54 von dem Düsenmantel 46 elektrisch
zu isolieren. Die Schutzgaskappe 54 kann so gedrückt werden,
dass sie über
den Isolator 56 und auf den Düsenmantel 46 passt.
Die Schutzgaskappe 54 enthält eine mittige Öffnung 60,
um es Hochgeschwindigkeits-Bogengas zu erlauben, hindurch zu gehen und
in den Lichtbogen hinein zu gehen. Die Schutzgaskappe 54 enthält auch
eine Mehrzahl von durchgehenden Öffnungen 58,
um es Schutzgas zu erlauben, hindurch zu strömen und das Bogengas von der umgebenden
Atmosphäre
abzuschirmen. Die Schutzgas-Strömungsgeschwindigkeit
kann, abhängig
von der beabsichtigten Anwendung, etwa 2 bis 4 l/min betragen. Das
genaue bzw. enge Spritzbild des Mikroplasmastroms 21 kann
auch durch die Düsen-Öffnungsgröße kontrolliert
werden.
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Es
wird nun auf die 2 und 3 Bezug genommen,
worin ein Kathodenhalter 26, der eine Kathode 28 enthält, konzentrisch
in einer isolierenden Hülse 18 an geordnet
und durch ein (nicht gezeigtes) Pass-Verbindungsstück mit Innengewinde befestigt
sein kann. Der Kathodenhalter 26 enthält eine isolierende Kappe 27 zum
Einsetzen und zum Entfernen des Halters, und eine Mehrzahl von Gewinden 30 zum
Einschrauben der isolierenden Hülse 18 und
der Kathode 28 in den Mikroplasma-Spritzapparat 12.
Die isolierende Kappe 27 und die isolierende Hülse 18 weisen
bevorzugt ein nicht leitfähiges, isolierendes
Material auf wie phenolische Materialien, keramische Materialien,
Polyetheretherketon-Materialien, Kombinationen davon und dergleichen.
Wenn die Elektrode 28 eingesetzt ist, erstreckt sie sich
durch die mittige Öffnung 52 des
Düsenmantels 46.
Die isolierende Hülse 18 kann
auch eine O-Ring-Dichtung 32 enthalten, um den Leckweg
abzudichten, der an der Grenzfläche
zwischen der isolierenden Hülse 18 und
dem Mikroplasma-Spritzapparat 12 geschaffen wird. Es wird
nun speziell auf 3 Bezug genommen, worin eine
Kathode 28 einen Körper
mit einer Spitze mit einem distalen Ende aufweisen kann. Die Spitze
kann eine im Wesentlichen flache obere Oberfläche aufweisen, die in einem
Winkel von zwischen näherungsweise
8° bis 30°, bevorzugt
näherungsweise
8° bis 20°, und bevorzugter
näherungsweise
8° bis 10°, ausgebildet
ist. Das distale Ende der Spitze weist eine Höhe von etwa 0,008 inch bis
0,030 inch (0,2 bis 0,76 mm), bevorzugt etwa 0,008 inch bis 0,020
inch (0,2 bis 0,5 mm), und am meisten bevorzugt etwa 0,008 inch
bis 0,010 inch (0,2 bis 0,25 mm), oder alternativ eine Höhe auf,
die näherungsweise
10% bis 20% des Durchmessers der Kathode 28 misst.
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Es
wird nun wieder auf 2 Bezug genommen, worin die
Anode 16 ein Metall oder eine Legierung mit einer Schmelzpunkt-Temperatur,
die höher als
die geplante Betriebstemperatur der Anode in dem Mikroplasma-Spritzapparat 12 ist,
aufweist. Bevorzugt weist die Anode 16 ein im Handel erhältliches reines
Sinterwolfram oder Sinterwolfram, das mit einem Oxid vermischt ist,
das Hitzebeständigkeitseigenschaften
zeigt, wie, aber nicht beschränkt
auf, Thoriumdioxid, Lanthanoxid, Cerdioxid, Zirconiumdioxid und
dergleichen, auf. Diese gemischten Wolfram-Oxid-Zusammensetzungen
können
kryogenisch behandelt werden, um ihr Verhalten in der Mikroplasma-Spritzapparat-Vorrichtung
zu verbessern und zu stabilisieren. Konventionelle Anoden sind typischerweise
aus einer Kupfer-Wolfram-Legierung hergestellt und bieten eine sehr
begrenzte Betriebslebensdauer von näherungsweise 10 bis 20 min
in der Mikroplasma-Spritzbeschichtungsvorrichtung 10. Kupfer
und andere ähnliche
Metalle haben Schmelzpunkt-Temperaturen, die niedriger sind als
die Anoden-Betriebstemperatur. Als ein Ergebnis kön nen diese
Metalle schmelzen und einen oberen Rand der Anode veranlassen, geschmolzen
zu werden, und Kavitation und Erosion einleiten. Um Beschichtungen hoher
Qualität
herzustellen, muss der Rand der Anode relativ scharf bleiben. Um
dies zu erreichen, wurde ein technisch reines Sinterwolfram-Material
entwickelt, um eine unempfindlichere Anode herzustellen. Testergebnisse
unter Verwendung von Anoden, die aus Sinterwolfram-Material gemacht
waren, haben merkliche Verbesserungen der Erosionsbeständigkeit
gegenüber
Anoden des Stands der Technik gezeigt. Die Verwendung von technisch
reinem Wolfram in der Anode 16 hat die Betriebslebensdauer
der Anode 16 so erhöht,
dass die Anode 16 für
näherungsweise
10 h bis 20 h im Betrieb benutzt werden kann.
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Ein
Lichtbogen 20 kann zwischen der Anode 16 und der
Kathode 28 des Mikroplasma-Spritzapparats 12 erzeugt
werden. Das Bogengas kann aus einer Bogengasquelle 15 stammen,
die ein einziges Gas oder ein Gemisch von Gasen, beispielsweise
ein Doppelgas, aufweist, kann aus mehreren Gasquellen, die durch
eine Mischvorrichtung miteinander verbunden sind, stammen, und der
Mikroplasma-Spritzbeschichtungsvorrichtung 10 zugeführt werden.
Die Bogengasquelle 15 ist mit dem Mikroplasma-Spritzapparat 12 über eine
Leitung verbunden, die eine ausreichende Länge hat, um ein Durchhängen zu
erlauben, so dass der Verwender der Vorrichtung 10 mit
dem Mikroplasma-Spritzapparat 12 eine ausreichende Strecke
gehen oder klettern, aufsteigend oder absteigend, kann, um die beabsichtigte
Anwendung durchzuführen,
ohne den Strom des Bogengases zu dem Mikroplasma-Spritzapparat 12 zu
unterbrechen. Bevorzugt ist wegen geringeren Kosten und weniger
Materialien und Teilen eine Bogengasquelle 15, die ein
einziges Gas enthält,
besonders vorteilhaft gegenüber
der Verwendung eines Doppelgasgemisches oder mehrerer Gasquellen
und einer Mischvorrichtung. Ein vorgemischtes Doppelgasgemisch, das
in einer einzigen Bogengasquelle enthalten ist, kann jedoch ebenfalls
wirkungsvoll und preiswert verwendet werden. Das Bogengas kann,
aber ohne darauf beschränkt
zu sein, irgendein inertes Gas aufweisen, und weist bevorzugt Argon
auf, und ein repräsentatives
Doppelgasgemisch kann Argon und Wasserstoff, und bevorzugt etwa
98% Argongas und etwa 2% Wasserstoffgas, aufweisen.
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Das
Bogengas kann in den Lichtbogen, der zwischen der Anode 16 und
der Kathode 28 gebildet wird, eingeführt werden. Fachleute werden
erkennen, dass das Bogengas in der Praxis vor dem Erzeugen des Lichtbogens
entlassen werden kann. Im Allgemeinen kann die Bogengas-Strömungsgeschwindigkeit
in die Mikroplasma-Spritzbeschichtungsvorrichtung 10 etwa
0,5 bis 3 l/min betragen. Der Lichtbogen ionisiert das Bogengas,
um den Mikroplasma-Gasstrom 21 zu erzeugen. Der Ionisierungsprozess
entfernt Elektronen aus dem Bogengas, wodurch er das Bogengas veranlasst,
zeitweilig instabil zu werden. Das Bogengas heizt sich auf etwa 20.000°F bis 30.000°F (11.097°C bis 16.426°C) auf, wenn
es sich wieder stabilisiert. Nach dem Hindurchgehen durch den Lichtbogen
kühlt sich
der Mikroplasma-Gasstrom dann schnell ab.
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Ein
Pulvermaterial-Injektor 22 spritzt eine Menge an pulverförmigem Material 34 in
den Plasma-Gasstrom 21 ein. Das pulverförmige Material 34 wird
in dem Mikroplasmastrom erhitzt und superplastifiziert und auf einem
Werkstück
abgeschieden, wo das abgeschiedene pulverförmige Material abkühlen und
wieder fest werden kann, um die Mikroplasma-Spritzbeschichtung zu
bilden. Der Pulvermaterial-Injektor 22 kann
einen Pulverbehälter 36 aufweisen.
Der Pulverbehälter 36 enthält die pulverförmigen Materialien 34,
bevor sie von dem Pulver-Injektor 22 in den Mikroplasma-Gasstrom 21 eingespritzt werden.
Der Behälter 36 kann über ein
Verbindungsstück 38,
das an dem Mikroplasma-Spritzapparat 12 ausgebildet ist,
an dem Mikroplasma-Spritzapparat 12 befestigt werden. Das
pulverförmige
Material 34 kann durch einen Auswurfschacht 40 gelenkt
und durch ein darin vorgesehenes Ventil 42 kontrolliert werden.
Das pulverförmige
Material 34 kann entweder durch Schwerkrafteinspeisung
oder durch ein druckbeaufschlagtes System (nicht bekannt) in den Mikroplasma-Gasstrom 21 eingespritzt
werden. Alternativ können
Pulvermaterialien 34 auch über einen Pulver-Einspeiseschlauch
aus einer Standard-Pulvereinspeisevorrichtung (nicht gezeigt) in den
Mikroplasmastrom 21 eingespritzt werden. Ob eine Schwerkrafteinspeisung,
ein druckbeaufschlagtes System oder eine Standard-Pulvereinspeisevorrichtung
verwendet wird, das Verbindungsstück 38 oder die Druckgasleitung
(nicht gezeigt) hat bevorzugt eine ausreichende Länge, um
ein Durchhängen zu
erlauben, so dass der Verwender der Vorrichtung 10 eine
ausreichende Strecke gehen oder klettern kann, um die geplante Anwendung
durchzuführen. Der
Mikroplasma-Spritzapparat kann zwischen einem positiven 45°-Winkel und
einem negativen 45°-Winkel
bezüglich
einer normalen Achse des Werkstücks
ausgerichtet werden, während
er noch für
eine angemessene Materialbeschichtung mit einem Schwerkraft-Einspeisungssystem
sorgt. Ein Druck-Einspeisungssystem sorgt für unbeschränkte Winkel und/oder eine unbeschränkte Ausrichtung
für den
Mikroplasma-Spritzapparat 12.
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Ein
Absperr-Kontrollventil 42 kontrolliert auch die Einspeisegeschwindigkeit
der Pulvermaterialien 34 in den Plasma-Gasstrom 21.
Die Pulvermaterialien 34 können mit einer Geschwindigkeit
von etwa 1 bis 30 g/min zu dem Werkstück überführt werden. Der Mikroplasma-Spritzapparat 12 kann
die Mikroplasma-Spritzbeschichtung typischerweise aus Distanzen
im Bereich von etwa 1,5 inch bis 8 inch (38 bis 203 mm) auf das
Werkstück
aufbringen, aber sie können
in Abhängigkeit
von den Erfordernissen der Beschichtungsaufbringung variieren.
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Kühlmittelfluid,
wie Wasser oder dergleichen, kann verwendet werden, um den Mikroplasma-Spritzapparat 12 zu
kühlen.
Das Kühlfluid
kann dem Mikroplasma-Spritzapparat 12 über einen
Kühlfluidschlauch 62 zugeführt werden.
Das Kühlfluid fließt durch
innere Durchgänge
(nicht gezeigt) in dem Mikroplasma-Spritzapparat 12 und
fließt
durch einen Eingangdurchgang 64 in einen Anodenhalter 66 und zurück durch
einen Auslassdurchgang 68. Das Kühlfluid verringert die Temperatur
der Anode 16 während des
Betriebs des Mikroplasma-Spritzapparats 12. Die Kühlmittel-Strömungsgeschwindigkeit
kann näherungsweise
0,1 bis 1,0 Gallonen pro Minute betragen. Eine zweite Leitung 70 kann
mit dem Mikroplasma-Spritzapparat 12 verbunden
sein, um den Mikroplasma-Spritzapparat 12 mit elektrischer
Energie, Bogengas und Kühlgas
zu versorgen. Die zweite Leitung 70 hat bevorzugt eine
ausreichende Länge,
um ein Durchhängen
zu erlauben, so dass der Verwender der Vorrichtung 10 mit
dem Mikroplasma-Spritzapparat 12 eine ausreichende Strecke
gehen oder klettern kann, um die beabsichtigte Anwendung durchzuführen.
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Der
Mikroplasma-Spritzapparat 12 kann in einem relativ niedrigen
Leistungsbereich von etwa 0,5 kW bis etwa 4 kW betrieben werden.
Die geringere Leistungsabgabe des Mikroplasma-Spritzapparats 12 und
der Mikroplasma-Spritzbeschichtungsvorrichtung 10 verringert
den Wärmefluss
in die Schneide gegenüber
dem konventioneller Beschichtungsverfahren signifikant. Abhängig von
der Größe des Werkstücks kann
die maximale Oberflächentemperatur
der Schneide, die bei der Anwendung des hierin beschriebenen Mikroplasma-Spritzbeschichtungsprozesses
erreicht wird, etwa 200°F
(93°C) betragen. Als
ein Ergebnis ist die Mikroplasma-Spritzbeschichtungsvorrichtung 10 in
der Lage, eine Mikroplasma-Spritzbeschichtung auf einen dünnen Wandbereich
der Schneide aufzubringen, ohne dass sich aufgrund örtlicher
Spannungen, die von hohen Wärmegradienten
verursacht werden, eine Verformung ergibt.
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Wegen
der niedrigen Leistungsabgabe der Mikroplasma-Spritzbeschichtungsvorrichtung 10 und der
schmalen Öffnung
des Mikroplasma-Spritzapparats 12 kann der Mikroplasma-Spritzapparat 12 pulverförmiges Beschichtungsmaterial
in einem örtlich begrenzten
Bereich auf einem Werkstück
mit einer Größe von näherungsweise
1/10 bis näherungsweise
1/20, und bevorzugt 1/15, derjenigen konventioneller Plasmastrom-Beschichtungsverfahren
und Plasmastrom-Beschichtungsvorrichtungen aufbringen. Die Größe und der
Durchmesser des Mikroplasmastroms der Mikroplasma-Spritzbeschichtungsvorrichtung 10 erlaubt
eine genaue Oberflächenbeschichtung
selbst mit einer von Hand gehaltenen Vorrichtung, wie sie hierin
ins Auge gefasst ist. Beispielsweise kann der Mikroplasmastrom,
der von einer Mikroplasma-Spritzbeschichtungsvorrichtung 10 erzeugt
wird, eine Breite von etwa 0,5 mm bis etwa 5 mm aufweisen. Wegen
der Größe des Mikroplasma-Spritzbeschichtungsstroms
der Mikroplasma-Spritzbeschichtungsvorrichtung kann der Strom in
schmalen Streifen oder in isolierten Punkten auf das Werkstück aufgebracht
werden, was das Erfordernis, das Werkstück in Bereichen, in denen die
Beschichtung nicht erwünscht
ist, zu maskieren oder in anderer Weise abzudecken, im Wesentlichen
beseitigt.
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Es
wird nun auf 4 Bezug genommen, worin ein
Blockdiagramm veranschaulicht ist, das den Betrieb der Mikroplasma-Spritzbeschichtungsvorrichtung 10 allgemein
veranschaulicht. Zu Beginn wird, bei Block 80, Bogengas
aus dem Düseneinsatz 50 emittiert.
Zwischen der Anode 16 und der Kathode 28 des Mikroplasma-Spritzapparats 12 wird
eine elektrische Spannung erzeugt und durch das Bogengas geleitet,
wie in Block 82 beschrieben. Bogengas kann durch die elektrische
Spannung geführt
werden, um den Plasmastrom 21 zu erzeugen. Bei Block 84 werden
Pulvermaterialien 34 in den Plasmastrom 21 eingespritzt.
Bei Block 86 erhitzt der Mikroplasmastrom die Pulvermaterialien 34 in
einen "superplastifizierten" Zustand, so dass
die Pulvermaterialien 34 plastisch verformbar sind, wenn
sie auf das Werkstück
aufgebracht werden. "Superplastifiziert" bezieht sich auf
Pulvermaterial, das sowohl in einem geschmolzenen Zustand, z.B.
geschmolzenen Tröpfchen,
die beim Auftreffen auf das Substrat erstarren, als auch im Zustand
von mitgeführtem
festem Teilchenmaterial, das beim Auftreffen auf die Substratoberfläche schmilzt,
vorliegt. Bei Block 88 werden Pulvermaterialien 34 auf ein
unmaskiertes Werkstück aufgebracht.
Die Pulvermaterialien 34 kühlen dann ab und werden als
eine harte Beschichtung auf dem Werkstück fest. Im Allgemeinen kann
die Dicke der Mikroplasma-Spritzbeschichtung von der beabsichtigten
Anwendung, wie Beschichten eines OEM-Teils oder Aufbringen der Beschichtung
zu Ausbesserungszwecken, abhängen.
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Es
wird nun allgemein auf die 5 bis 7 Bezug
genommen, worin verschiedene Werkstücke unter Verwendung von hierin
beschriebenen Ausbesserungsverfahren beschichtet werden können. Wiederum
ist beabsichtigt, dass die Werkstücke verschiedene Gasturbinenmaschinen-
und Turbomaschinen-Komponenten in Beziehung zu einem Gebläse, einer
Turbine, einem Kompressor, einer Leitschaufel, einer Laufschaufel
und dergleichen, sowie andere ähnliche
Bauteile bei anderen industriellen Anwendungen, aber ohne darauf
beschränkt
zu sein, aufweisen können.
Es wird nun auf die 5, 5A und 6 Bezug
genommen, wobei ein Werkstück 100 unter
Verwendung der hierin beschriebenen Mikroplasma-Spritzbeschichtungsverfahren mit Pulvermaterialien 34 spritzbeschichtet
und ausgebessert werden kann. Zu Zwecken der Veranschaulichung und
nicht in einem beschränkenden Sinne
zu verstehen, kann das Werkstück 100 eine Schneidendichtung 112 mit
einer Außenschicht
auf Keramikbasis, d.h., der Deckauftragsschicht 114, und
mit einer Zwischenbeschichtung auf Metallbasis, d.h., der Bindungsauftragsschicht 116,
die zwischen der Deckauftragsschicht 114 und einer Oberfläche 118 der
Schneidendichtung 112 angebracht ist, enthalten.
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Im
Allgemeinen können
die Pulvermaterialien 34 beliebige keramische Materialien
und metallische Materialien aufweisen, die zur Verwendung bei Temperaturen
von nicht mehr als etwa 1800°F (982°C) an der
Schneidendichtung geeignet sind. Für Ausbesserungen an Schneidendichtungen
können die
Pulvermaterialien 34 eine Kombination aus einem Bindungsauftragsmaterial,
das eine Metalllegierung wie Nickel-Legierungen, z.B. Nickel-Aluminium (95%/5%),
oder eine "M"CrAlY-Verbindung,
worin "M" Nickel, Kobalt,
Nickel-Kobalt-Legierungen und Kombinationen davon umfasst, aber
ohne darauf beschränkt
zu sein, aufweist, und einem Deckauftragsmaterial, das ein keramisches
Material wie ein keramisches Oxid, das Aluminiumoxid in Kombination
mit Titandioxid umfasst, aber ohne darauf beschränkt zu sein, aufweist, aufweisen.
Die Pulvermaterialien 34 können auch andere Materialien
für die
beabsichtigen Schneidendichtungs-Ausbesserungsanwendungen umfassen,
wie ein Durchschnittsfachmann wissen und anerkennen wird. Während des
Betriebs der Mikroplasma-Spritzbeschichtungsvorrichtung 10 werden
die pulverförmigen
metallischen und keramischen Materialien in dem Mikroplasmastrom 21 mitgeführt und
als ein Bindungsauftrag bzw. ein Deckauftrag aufgebracht. Bei bestimmten
Schneidendichtungs-Ausbesserungsanwendungen kann nur eine einzige
Beschichtungsschicht notwendig oder erforderlich sein. Eine einzige
Beschichtungsschicht, die irgendein geeignetes Beschichtungsmaterial
aufweisen kann, kann auch durch den Mikroplasma-Beschichtungsstrom
auf eine Schneidendichtung aufgebracht werden. Geeignete Beschichtungsmaterialien umfassen
Nickel-Chrom-Legierungen, Chromcarbide und Kombinationen davon,
aber ohne darauf beschränkt
zu sein.
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Die
Mikroplasma-Spritzbeschichtungsvorrichtung erzeugt einen Mikroplasma-Gasstrom 21 und
lenkt ihn auf den zu beschichtenden Bereich, z.B. die Schneidendichtung 112,
ohne das Werkstück zu
maskieren. Eines der vorgenannten metallischen Bindungsauftragsmaterialien
kann in dem Mikroplasma-Gasstrom 21 mitgeführt werden.
Es kann eine Bindungsauftragsschicht mit einer Dicke von etwa 0,002
inch bis 0,008 inch (0,05 bis 0,2 mm) aufgetragen werden, abhängig davon,
ob die Mikroplasmabeschichtung aufgebracht wird, um eine Schneidendichtung
auszubessern, oder als eine Beschichtung auf das Ende eines OEM-Teils aufgebracht
wird. Wenn die Bindungsauftragsschicht 116 aufgebracht ist,
kann das Bindungsauftrags-Pulvermaterial in dem Behälter 36 durch
eines der vorgenannten keramischen Deckauftragsmaterialien ersetzt
werden. Das zweite Pulvermaterial kann dann in dem Mikroplasma-Gasstrom 21 mitgeführt werden
und auf der Schneide 112 abgeschieden werden, ohne das Werkstück zu maskieren.
Die sich ergebende Deckauftragsschicht 114 kann eine Dicke
von etwa 0,003 inch bis 0,015 inch (0,08 bis 0,38 mm) haben, abhängig davon,
ob die Mikroplasmabeschichtung aufgebracht wird, um eine Schneidendichtung
auszubessern oder als eine Beschichtung auf das Ende eines OEM-Teils
aufgebracht wird.
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Es
wird nun auf die 7 und 8 Bezug genommen,
wobei in einem weiteren Verfahren zum Ausbessern von Werkstücken unter
Verwendung der hierin beschriebenen Mikroplasma-Spritzverfahren das
Werkstück
eine Laufschaufel 90 aufweisen kann und der auszubessernde
Bereich ein Ende 92 sein kann, das eine Oberfläche 94,
eine metallische Zwischen-Bindungsauftragsschicht 96 und
eine keramische Außen-Deckauftragsschicht 98 aufweist.
Zu Veranschaulichungszwecken, und nicht in einem beschränkenden
Sinne zu verstehen, kann eine Kompressor-Laufschaufel zum Diskutieren
des (der) hierin beschriebenen Mikroplasma-Spritzbeschichtungsverfahren(s)
verwendet werden. Es ist beabsichtigt, dass das (die) hierin beschriebene(n)
Mikroplasma-Spritzbeschichtungsverfahren verwendet werden kann (können), um
jeden beliebigen Typ von Laufschaufelenden, der in der Technik bekannt
ist, zu beschichten und/oder auszubessern.
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Zum
Ausbessern von Laufschaufelenden können die Pulvermaterialien 34 eine
Kombination von metallischen Materialien und keramischen Materialien
aufweisen, die zur Verwendung bei Temperaturen von nicht mehr als
etwa 1800°F
(982°C)
geeignet sind. Die Pulvermaterialien 34 können eine
Kombination aus einem Bindungsauftragsmaterial, das eine Metall-Legierung,
die Nickel-Legierungen, z.B. Nickel-Aluminium (95%/5%), umfasst,
aber ohne darauf beschränkt
zu sein, oder eine "M"CrAlY-Verbindung,
in der "M" Nickel, Kobalt,
Nickel-Kobalt-Legierungen und Kombinationen davon umfasst, aber ohne
darauf beschränkt
zu sein, in Kombination mit kleinen Mengen an Silicium und Hafnium
aufweist; und einem Deckauftragsmaterial, das ein keramisches Material
wie ein keramisches Oxid, das mit Yttriumoxid stabilisiertes Zirconiumdioxid
und die Kombination von Aluminiumoxid und Titandioxid und dergleichen
umfasst, aber ohne darauf beschränkt
zu sein, aufweist, aufweisen. Das Pulvermaterial 34 kann
auch andere Materialien, die für
die geplante Laufschaufelenden-Ausbesserungsanwendung spezifisch
sind, umfassen. Während
des Betriebs der Mikroplasma-Spritzbeschichtungsvorrichtung 10 werden
die pulverförmigen
metallischen Materialien und keramischen Materialien in dem Mikroplasmastrom 21 mitgeführt und
als ein Bindungsauftrag bzw. als ein Deckauftrag aufgetragen.
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Die
Mikroplasma-Spritzbeschichtungsvorrichtung erzeugt einen Mikroplasma-Gasstrom 21 und
lenkt den Strom 21 zu dem zu beschichtenden Bereich, z.B.
dem Laufschaufelende 92, ohne die Laufschaufel 90 zu
maskieren. Eines der vorgenannten metallischen Bindungsauftragsmaterialien
kann in dem Mikroplasma-Gasstrom 21 mitgeführt werden. Eine
Bindungsauftragsschicht mit einer Dicke von etwa 0,001 inch bis
0,005 inch (0,025 bis 0,127 mm) kann aufgetragen werden, abhängig davon,
ob die Mikroplasmabeschichtung als eine Beschichtung auf das Ende
eines OEM-Teils oder zum Ausbessern eines Laufschaufelendes aufgetragen
wird. Wenn die Bindungsauftragsschicht aufgetragen ist, kann das Bindungsauftrags-Pulvermaterial
in dem Behälter 36 durch
eines der vorgenann ten keramischen Deckauftragsmaterialien ersetzt
werden. Das keramische Deckauftragsmaterial kann dann in dem Mikroplasma-Gasstrom 21 mitgeführt und
auf dem Laufschaufelende 92 abgeschieden werden, ohne die
Laufschaufel 90 zu maskieren. Die sich ergebende Deckauftragsschicht
kann eine Dicke von etwa 0,004 inch bis 0,025 inch (0,1 bis 0,635
mm) haben, abhängig davon,
ob die Mikroplasmabeschichtung als eine Beschichtung auf das Ende
eines OEM-Teils oder zum Ausbessern eines Laufschaufelendes aufgetragen wird.
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Es
wurden eine oder mehrere Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung beschrieben. Dennoch versteht es sich,
dass verschiedene Abwandlungen durchgeführt werden können, ohne
vom Umfang der Erfindung abzuweichen. Dementsprechend sind andere
Ausführungsformen
innerhalb des Umfangs der folgenden Ansprüche.