EP1115894B1 - Verfahren und vorrichtung zur beschichtung von hochtemperaturbauteilen mittels plasmaspritzens - Google Patents

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EP1115894B1
EP1115894B1 EP99952248A EP99952248A EP1115894B1 EP 1115894 B1 EP1115894 B1 EP 1115894B1 EP 99952248 A EP99952248 A EP 99952248A EP 99952248 A EP99952248 A EP 99952248A EP 1115894 B1 EP1115894 B1 EP 1115894B1
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EP
European Patent Office
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component
temperature
infrared camera
temperature distribution
surface region
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EP99952248A
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Helge Reymann
Dieter Raake
Franz Kirchner
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Siemens AG
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Siemens AG
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Publication date
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    • B05B7/222—Spraying apparatus for discharge of liquids or other fluent materials from two or more sources, e.g. of liquid and air, of powder and gas incorporating means for heating or cooling the material to be sprayed electrically, magnetically or electromagnetically, e.g. by arc using an arc
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    • C23C4/12—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge characterised by the method of spraying

Definitions

  • the invention relates to a method for coating High temperature components by means of plasma spraying, in particular of gas turbine components, according to the preamble of claim 1.
  • the invention further relates to a coating device with an infrared camera, according to the generic term of Claim 14.
  • Plasma spraying has, among other thermal coating processes due to its flexible application options and a good economic balance sheet is of great importance at Manufacture of coatings to protect components, e.g. against hot gas corrosion.
  • Various known methods include vacuum plasma spraying (VPS), low pressure plasma spraying (LPPS) and atmospheric plasma spraying.
  • this creates a coating generates a very hot plasma jet while feeding from the material to be applied to the material to be coated Substrate is directed.
  • the coating material is there mostly as powder or wire and is used during the Transport through the plasma jet before hitting the Melted substrate.
  • This is the manufacture different layer thicknesses with very different Coating and substrate materials possible. It can be metal powder and ceramic powder in various mixtures and grain sizes can be used as long as the starting material has a defined melting point.
  • Gas turbine blades with a hot gas corrosion layer e.g. an MCrAlY layer is used, M being a placeholder stands for the metals Ni and Co.
  • the type and quality of the layer will include through the pore content, the oxide and nitride content and their adhesive properties affected. Important liability mechanisms are next to the mutual roughness of the surface roughness of different materials or chemical reactions. It is often necessary before the actual protective layer is applied to apply an adhesion promoter layer, in particular then when different coefficients of thermal expansion are to be balanced.
  • infrared technologies are based on the fact that every matter correlates with temperature of the component absorbs electromagnetic radiation and emits, which is registered by infrared detectors.
  • the infrared methods can be used quickly and flexibly can easily be connected to controls or regulations become.
  • control procedures outlined above and others will generally after finishing the coating carried out.
  • online controls are desirable to be carried out during the coating process, if necessary intervene in a controlling manner or the process based on the results to regulate.
  • the surface temperature has to be coated
  • Component for the formation of the various protective functions of the coating is of fundamental importance.
  • the MCrAlY layers mentioned above achieve their protective function for example by the formation of aluminum oxide or chromium oxide layers. This in particular leads to an oxidation attack prevented in the base material.
  • the oxide layers are depending on the surface temperature of the component educated.
  • Results of the surface temperature of the substrate and the Temperature gradients on the component surface increased importance to (see e.g. Proc. Int. Therm. Spr. Conf. 1998, Nice, France, p. 1555 ff.).
  • Pyrometers are often used for temperature measurement in plasma spraying at a freely definable point on the surface of the component used. However, these only provide point measurements and there is movement of the bucket during the process control the risk that the pyrometric temperature measurement performed at different locations on the blade surface becomes. The temperature measured in this way is therefore subject to large, incalculable fluctuations.
  • the object is achieved by a method according to claim 1 / a Device according to claim 14 solved.
  • the component using an infrared camera By measuring the heat distribution of a surface area the component using an infrared camera in the sense of present invention is an areal overview of the component surface is possible in real time.
  • a measurement of the Thermal radiation with an infrared camera is already an example in the above-mentioned known method according to US 5 047 612 for checking the powder application during the plasma coating used.
  • the present Invention the determination of the exact absolute temperature distribution the entire component surface or selected, predetermined sections of the component surface accurately and in Depends on the time performed.
  • An inventive Infrared camera corresponds to an infrared-sensitive CCD field with optics for imaging the component on the CCD field and intensity or frequency-dependent evaluation devices.
  • the determination of the temperature distribution from the heat distribution happens in that with the infrared camera measured thermal radiation of the component surface with the radiation reference means is compared.
  • Essential for the present Invention is one with the measurement of heat distribution or the temperature distribution related setting of Heat distribution or the temperature distribution determined from it by means of an adjustable process parameter. By the setting of the process parameter becomes a correction the surface temperature in terms of its absolute size to achieve a threshold temperature.
  • the radiation reference medium is heated by a heater adjustable temperature brought by as needed a temperature control element is precisely determined.
  • the one with thermal images of the radiation reference means recorded by the camera can be easily, e.g. by Color comparisons or, for example, with an upstream radiation filter through intensity comparisons absolute temperature values assign and transfer to the thermal image of the component.
  • the surface temperature of the component is then set adapted to the process parameter and taking into account the special properties of the present Surface area reproducible and exactly in one Area brought up for layer formation and adhesion is advantageous. By exceeding the threshold temperature is then an essential condition for good attachment reached.
  • color comparisons can be done "by eye” with a high Sensitivity can be made.
  • a predetermined temperature of the radiation reference means close to the threshold temperature to be set a simple, quick and safe control criterion for exceeding or falling below the threshold temperature already through a visual comparison of the heat radiation recordings of the component and the radiation reference element given.
  • an evaluation using EDP is also useful applicable, e.g. an electronic color value or intensity comparison.
  • the process offers reproducible results and ensures an exact one already during the coating process and variable control over the adhesion properties the layer to be applied. Due to the The temperatures can be kept clear while maintaining the Accuracy and reproducibility even set by hand become. Especially with complex surface areas to be coated affects the great spatial accuracy or the very good resolution cheap.
  • the detection of heat radiation using an infrared camera can further fluctuations in temperature distribution over time, which, for example, from fluctuations in the output of the heating source result, make visible and in-situ and with the highest temporal resolution, e.g. 10-50 frames / sec.
  • the setting is advantageous based on empirical values or measured values and by coordination with the measured, time-dependent temperature distribution.
  • the threshold temperature is advantageously taken into account for optimal adhesion of the coating on the Component set and / or the temperature differences and / or temperature gradients are used for the same purpose only allowed within predetermined limits. Different materials, especially material combinations made of layer material and substrate material the setting of the temperature distribution of the surface areas of the components necessary, different threshold temperatures achieve what by changing attitudes of the process parameter is possible.
  • a predetermined threshold temperature is set on several areas of the surface of the component in each case. Especially in later use stressed areas of the component, e.g. hottest and strongest Exposed to currents and mechanical loads Parts of gas turbines need optimal adhesion ensure to ensure functionality.
  • the present invention always makes it possible To meet requirements as required. One for heating up
  • the beam used by the component can be adjusted as required over certain, faster cooling points become.
  • a simultaneous control is through observation and control with the infrared camera given at any time.
  • the process parameters are compared the temperature distribution of the surface area of the Component is controlled with a target temperature distribution. If there are certain temperature distributions during test measurements and test runs, but also during the actual coating have proven to be particularly advantageous, it is desirable use this for subsequent coatings can. So there can also be a constant temperature distribution with temperatures higher than the threshold temperature as reasonable have highlighted. The temperature distribution is then in the sense of this constant temperature for the entire surface set. This can be done quickly by hand. The setting of a temperature distribution can continue by using and stored in a control loop verified parameters of the process parameter after comparison with the temperature distribution provided by the infrared camera happen on the component surface.
  • the component is advantageously preheated and / or during of plasma spraying with a plasma jet and a parameter of the plasma jet is used as a process parameter set.
  • the adhesion of the layer to the base material is positively influenced by a high preheating temperature.
  • the preheating temperature is not decisive for the adhesion only the first, but also all later on applied layers, as these can only adhere so well like the first.
  • a temperature comparable to the preheating temperature should also be observed during plasma spraying be and is advantageously by heating with the To reach plasma jet. Heating with the plasma jet guarantees, for example, compared to an inductive one Resistance heating that is essentially for coating important outer layers are warmed up.
  • the component material that may be the high temperatures unable to withstand for a long time becomes minimal damaged.
  • the surface can be sprayed with the plasma jet under certain polarity, explained in more detail below of the component to be cleaned, which in turn increases liability improved.
  • it can easily happen that stronger gradients occur in the temperature distribution, that counteract good liability.
  • it is therefore advantageous the entire component in the To have a view and regulate the process parameters accordingly to be able to.
  • the two processes of heating and the coating that occurs during the plasma coating process often overlay in an uncontrollable way, by the presented Processes are monitored and regulated separately become.
  • the performance of the plasma jet can be adjusted its process parameters are regulated as required become. This enables a quick response to that of results obtained with the infrared camera regarding the temperature distribution.
  • With the same route or the same scanning method of the beam on the component surface by storing and evaluating the data for the plasma jet a good reproducibility of the process is ensured become. This is a better quality of the layers and ensures increased productivity.
  • the current of a Beam source of the plasma beam can be set. This size can be controlled with little effort and enables precise Adjustments of the energy input of the plasma jet into the Surface of the component according to the specified temperature distribution.
  • the position of the component can in the present method be changed relative to the plasma jet and the determination the temperature distribution of the surface area of the component in different positions relative to the plasma jet. In this way it is possible to create an individual Control of the different surface areas of the component carry out without having to remove the component.
  • the different Component positions can be saved. This enables a reproducible assignment of the component position to a size of the process parameter. To achieve a It is useful for other components of the same shape and type it makes sense to use stored data, e.g. starting point or assignment of the component position to regulate the Process parameters for each component in the series.
  • the component can be optimally aligned during plasma spraying the axis of rotation of the component rotates to the infrared camera become. So without changing the setting of the Plasma jets the entire surface of the component completely and coated evenly while maintaining control the surface temperature distribution using the infrared camera be made.
  • This control function can be done in Form of short-term measurements, i.e. for every surface area separately taking into account the speed of rotation be made.
  • the spatial resolution is very precise. It can be a setting adapted to the surface conditions the process parameters in order to reach the threshold temperature be made.
  • the present plasma spray device preferably comprises a holding device for the continuous rotation of the component around its longitudinal axis.
  • This type of rotation is stable feasible and ensures the greatest possible effectiveness in In terms of coating speed and one uniform layer application.
  • an optimal measurement of the temperature distribution to ensure the component surface are advantageous special conditions for the angular relationships from axis of rotation to plasma beam and camera orientation set. It is particularly important to avoid that the solid angle at which the plasma radiation reflects will overlap with the viewing angle of the infrared camera. This setting would outshine the whole Recording essentially through the direct or reflected Bring radiation from the plasma beam.
  • the infrared camera is therefore outside the solid angle of the reflection of the Plasma jets arranged.
  • the temperature distribution of the surface area of the component is advantageously determined as a function of time and the process parameter according to the temporal behavior of the Temperature distribution set.
  • the infrared camera enables a registration of the entire temperature distribution in one step. It is in terms of constant surveillance the development of the layer quality advantageous To record temperature distribution as a function of time to assess the material behavior and the blasting behavior and a corresponding, time-dependent function to be able to set the process parameter.
  • the energy transfer pro Time unit remains the same, but is distributed more evenly. This reduces the temperature gradients. on the other hand Too little energy transfer can also result in the surface temperature drops too much. Then she can Power of the plasma jet can be increased. To achieve a high quality surface layer it is necessary according to the determined temperature distribution exact coordination of the different positions of the component and to make changes to the parameter.
  • the triggering is at a quarterly interval Revolution time or an integer multiple thereof carried out. This ensures that either the front or the back of the component or the Sides of the component are examined.
  • the two sides can e.g. with a turbine blade, different shapes and have material thicknesses of the component material and therefore the energy input of the plasma beam varies save heavily. So there are different forms of temperature gradients before what may be an adjustment of the process parameter of the plasma jet.
  • the on a coating device for high temperature components task directed by plasma spraying is accomplished by solved a device according to claim 14.
  • the radiation reference means be independent heated by the heater for plasma spraying is. This enables the material of the radiation reference means e.g. by inductive heating or direct heating, for example resistance heating, is heated completely and in particular evenly. This provides an important prerequisite for a correct, Surface-independent comparison of the temperatures of reference agents and component to be coated.
  • the temperature of the radiation reference means to measure advantageously with a thermocouple.
  • the Measurement with the thermocouple or another independent one After a calibration, the temperature measuring element delivers reliable Absolute temperature values for comparison with the results of the heat radiation measurements of the Component can be used by means of the infrared camera.
  • the radiation reference means in Measuring field of the camera inside the chamber next to the one to be coated Component is arranged.
  • This enables one simultaneous detection of the radiation reference means and of the component to be coated by the infrared camera. This can be particularly beneficial for rapidly changing Radiation conditions and reflections reflecting the measurement results can influence.
  • a detection in the same measuring field enables measurement under the same environmental conditions, which is particularly the case with rotated or relocated Components is advantageous due to the rapidly changing visible surfaces.
  • the environmental conditions are also significantly due to contamination from coating material at the observation window or through the infrared components influenced in the radiation of the plasma beam. It is therefore to guarantee unadulterated measurement results particularly advantageous, the radiation reference means within the coating chamber.
  • the camera is arranged and designed so that at least with it the entire surface of a turbine blade facing her is detectable. Especially if due to big differences the component properties, for example the component material thickness, large temperature gradients to be expected it is advantageous to capture the entire surface can.
  • the special arrangement of the camera of the present Invention makes this possible without problems. Particularly advantageous is the easy to carry out registration and control the temperature distributions of peripheral areas or areas with small radii of curvature, such as those found in turbine blades occur in the area of the blade ends. This is important because there on the coating in use in the Compared to flat surface areas, additional strong ones mechanical and thermal loads act.
  • the infrared camera is projecting outward at one end Neck of the coating chamber attached. On attached at the end of the nozzle, an insight into the coating chamber enabling stained glass window with a Seal is provided to ensure a good vacuum, is very little contaminated by process dusts in this way.
  • the proposed device reduces the frequency for maintenance and cleaning of the equipment.
  • Favorable for the Infrared camera shots are when the nozzle is conical Has a shape with a wide, free opening angle range. This shape is then the field of view of the infrared camera adapted and enables optimal recordings of the component.
  • the glass window advantageously consists of a special glass with a transmission adapted to the measuring range of the camera for wavelengths between 2-5 ⁇ m.
  • This measuring range corresponds that infrared radiation range in which a large proportion of the radiation emitted from the component surface becomes.
  • This area of radiation is sufficiently good of the overlapping, broadband infrared portion of the Plasma beams distinguishable.
  • the examined wavelength range of 2-5 ⁇ m is far from the maximum of the thermal radiation of the plasma jet removed and compared to the other radiation areas of the plasma beam less Intensity. This is particularly the case with the present Online controls of the coating are essential to ensure that the well resolved and clear mapping of the temperature distribution the surface of the component.
  • the glass window advantageously consists of sapphire glass.
  • This type of glass which contains Al 2 O 3 , has optimal transmission properties in the desired range.
  • the glass is commercially available and can be functionally adapted to the device according to the invention.
  • FIG. 1 is a schematic and not to scale a principle Structure of a coating device 1 for implementation of a plasma spraying process.
  • the coating device 1 has a coating chamber 17 with a Suction nozzle 18, with a vacuum device, not shown connected is. Inside the coating chamber 17, a plasma spray device 16 is arranged. The in the plasma spray device 16 generated plasma jet 12 on one to be coated arranged in the coating chamber 17 Component 10 directed.
  • the schematic structure the plasma spray device 16 is shown in FIG.
  • the plasma jet 12 enables both the heating of the component 10 as well as a coating with a powder load 95.
  • the components 10 to be coated are in essential to high temperature components for use in Gas turbines, for example turbine blades or combustion chamber linings.
  • the complex geometries cause inhomogeneities in heating and thus in the heat radiation distribution 30 of surface areas 40 of a component to be coated 10.
  • a moving device for two vertical directions 101 or a rotating device 100 enables all to be coated to be reached Surface areas 40 of the component 10, so that the plasma jet 12 does not have wide surface areas 40 must be distracted.
  • Each surface area 40 of the component 10, including the narrow sides, can be rotated or Moving quickly in directions perpendicular to each other become.
  • the location of the plasma jet 12 to the component surface 40 by shifting the position of the Plasma spraying device 16 can be changed.
  • the beam cone can also cover the entire, facing surface of component 10 cover.
  • An example of one Recording 25 with the infrared camera 20 is shown in FIG 2a.
  • the infrared camera 20 is attached to a glass window 19, which is attached to a nozzle 11, which in turn the coating chamber 17 is attached.
  • the nozzle 11 prevents the glass window 19 and thus the view of the Infrared camera 20 is heavily contaminated by process dusts.
  • the angle of the viewing area 29 of the infrared camera 20 and the Opening angles of the conically shaped nozzle 11 are against each other customized.
  • the infrared camera 20 is arranged on the coating chamber 17, that reflections of the radiation from the plasma beam 12 the infrared camera 20 of the component surface. It must also be ensured that the infrared camera 20 shows a complete picture of the heat radiation distribution 30 of the component 10 can be determined in all positions. For this purpose, an angle adjustment must be carried out so that the Component 10 always in the viewing area 29 of the infrared camera 20 lies and at the same time that of the viewing area 29 of the infrared camera 20 swept solid angles preferably outside the Solid angle of the reflection of the plasma beam 12 is.
  • a radiation reference means 60 is arranged next to the component 10 to be coated. Since both the component 10 and the radiation reference means 60 are located simultaneously in the field of view 29 of the infrared camera 20, the heat radiation distributions 30 of the two can be detected simultaneously by means of a recording 25.
  • the radiation reference means 60 is heated by a heater 61 which is independent of the heating of the component 10 and its temperature is determined by a thermocouple 62. This temperature is used as the reference temperature T R for determining the temperatures of the heat radiation distribution 30 of the surface area 40 of the component 10.
  • FIG. 1 shows the schematic sequence of the measuring, converting and regulating process for the temperature control of the surface area 40 of the component 10.
  • the thermal radiation distribution 30 of the surface region 40 and the radiation reference means 60 recorded by the infrared camera 20 and the temperature T R of the radiation reference means 60 measured by the thermocouple 62 are fed to the converter 31. From this, the latter determines the absolute temperature distribution 70 of the examined component surface 40 and supplies this to the control device 32.
  • the control device 32 determines, depending on supplied Sollemperaturverotti T set (x, y), the movement of the component 10, in particular by regulating the power supply of the rotator 102, the power supply of controllable current source 64 of the heater 62 of the radiation reference means 60 and the size of the adjustable process parameter p of the plasma spray device 16.
  • the infrared camera 20 can, for example, also have an internal, i.e. radiation reference means located within the infrared camera 20 own, with which also a temperature determination and assignment can be performed.
  • the measurement errors can, for example, be superimposed by different ones Infrared radiation sources as scattered radiation and Background radiation or by a time-dependent increase the degree of contamination of the glass window 19 by process dusts arise.
  • the glass window 19 preferably contains Al 2 O 3 .
  • This type of glass also called sapphire glass, has good transmission properties in the range of electromagnetic waves with wavelengths between 2-5 ⁇ m, which corresponds to the measuring range of the infrared camera 20. This is necessary for the precise, distinctive characterization of the radiating surface area 40 of the component 10, since the plasma beam 12 represents a very broadband radiation source which can be superimposed on the radiation of the component, as shown above. If the radiation in the infrared range caused by the plasma beam 12 is too intense, suitable filters or other optics are connected upstream of the infrared camera 20.
  • the high-temperature component 10 is brought to a predetermined preheating temperature, the threshold temperature T s , on the surface area 40 in order to ensure better adhesion of the coating 15 to be applied.
  • This preheating or heating during the coating process is preferably carried out with the “pure” plasma jet 12 without powder load 95.
  • Several surface areas 40 can also be brought at least locally to predetermined threshold temperatures T S.
  • a target temperature distribution Tsoll (x, y) in the surface area 40 a method parameter p of the plasma spraying process is set in accordance with the determined temperature distribution 70 in the method presented. It is also possible to set a target temperature distribution Tsoll (x, y), which can be obtained, for example, from material and component-specific measured values.
  • FIG. 2a shows a schematic drawing of a receptacle 25 of a Heat radiation distribution 30 of a surface area 40 of a heated component 10 and a radiation reference means 60, which was determined with an infrared camera 20.
  • the differently hatched areas indicate differently strong heat radiation or differences in the frequency distributions.
  • FIG. 2 b shows a schematic temperature distribution 70, which is obtained by evaluating the recording 25 of the heat distribution 30 of a surface area 40 of the component 10 and of the radiation reference means 60 with the infrared camera 20.
  • predetermined, maximum temperature differences T 1 -T 2 and temperature gradients T as low as possible should preferably be maintained.
  • By adjusting the process parameter p of the plasma jet 12 these areas can be subjected to a treatment that compensates for the temperature distribution 70. This setting can be made by hand or with an electronic regulation or control device.
  • FIG. 3 shows a cross section through a typical layer structure.
  • a first layer 15a is applied to a component 10 using the VPS method, for example a CoCrAlY corrosion protection layer.
  • a Y-stabilized ZrO 2 layer 15b (ZrO 2 + Y 2 O 3 ) serving as a thermal insulation layer is applied.
  • a roughened, clean surface of the component 10 is an important requirement.
  • the component 10 can be cleaned by sputtering with negative polarity of the component 10.
  • matched thermal expansion coefficients of the materials are an important requirement. Otherwise, internal stresses cause the coating 15 to flake off.
  • FIG. 4 schematically shows a plasma beam source 13, a Conversion device 31 for the conversion of the infrared camera 20 registered heat radiation distribution 30 des Component 10 for temperature distribution 70 and a control device 32 for setting up the plasma beam source 13 the process parameter p in accordance with the temperature distribution 70 and the target temperature distribution Tsoll (x, y).
  • the plasma jet source 13 consists of two as nozzles shaped electrodes - negative polarized cathode 8 and positive polarized anode 9 - with a high, applied voltage u and a working gas as an atmosphere. Due to high wall temperatures (approx. 3000K) on the cathode 8 sets a thermal field emission of electrons. The plasma electrons are through the E field accelerates in the direction of the anode 9.
  • the working gas is heated by the arc discharge and by bumps of atoms that are longer than the free ion-neutral particle exchange length are removed from the cathode 8, ionized.
  • a local arc discharge occurs in the electrode nozzle 12 with the arc current i.
  • the plasma jet 12 is free of current.
  • This plasma jet 12 is supplied by applying Powder load 95 used for coating.
  • the stability of the arc discharge 12 affects the entire plasma spraying process. fluctuations in the plasma generation act immediately the state of the outflowing plasma jet 12, and thus et al also on the temperature distribution 70 of the surface area 40 of the component to be coated 10.
  • the arc base on the anode 9 with the smoothed arc current i the arc is shortened or extended, which can result in voltage fluctuations. This in turn creates fluctuations in the plasma enthalpy h and thus a thermal and dynamic influence on the Spray particles. Control of these fluctuations is in the Necessary for the safe setting of the process parameter p.
  • the process parameter p used in the setting process the desired temperature distribution according to the determined temperature distribution 70 is changed is how shown above, preferably the arc current i of the arc discharge. This can be done with not very complex circuits keep constant. The one for a good coating quality responsible variables such as beam temperature and intensity - and homogeneity and melting of the powder load to be applied However, 95 still depend in a complex way on the various others, for setting the plasma jet 12 necessary process parameters p from. For example, the above mentioned voltage u by changing the voltage between the Electrodes or the emission of electrons from the cathode 8 changed by increasing the heating power at the cathode 8 become.
  • FIG. 5 shows an example of a triggering, ie a coordination of the recordings 25 of the infrared camera 20 with the rotation of the component 10.
  • the recordings 25 of the infrared camera 20 are indicated by a displacement of the infrared camera 20 over a time line t.
  • a more complex component 10 is rotated about its axis of rotation 105 in 90 ° steps. This makes it possible to receive the component 10 from all sides.
  • recording technology can also be time-dependent Setting the process parameter p may be useful in order to slow down the target To achieve the target temperature distribution Tsoll (x, y), for example to avoid the creation of thermal stresses and the surface properties of component 10 are not to change.

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 Beschichtungsvorrichtung mit einer Infrarotkamera, nach dem Oberbegriff von Anspruch 14.
Das Plasmaspritzen hat neben anderen thermischen Beschichtungsverfahren 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 Niedrigdruckplasmaspritzen (LPPS) und das atmosphärische Plasmaspritzen.
Bei der Plasmaspritztechnologie wird eine Beschichtung dadurch erzeugt, daß ein sehr heißer Plasmastrahl unter Zuführung von aufzutragendem Material auf das zu beschichtende Substrat gerichtet wird. Das Beschichtungsmaterial liegt dabei 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 Herstellung verschiedenster Schichtdicken mit sehr unterschiedlichen Beschichtungs- und Substratmaterialien möglich. Es können Metallpulver 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 Porengehalt, den Oxid- und Nitridgehalt und durch ihre Haftungseigenschaften beeinflußt. Wichtige Haftungsmechanismen sind neben der Rauheit der Oberfläche die wechselseitige Diffusion der verschiedenen Materialien oder chemische Reaktionen. Es ist häufig notwendig, vor Auftragung der eigentlichen Schutzschicht 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 Ultraschall- oder Infrarottechnologie geliefert werden. Nachteilig ist es bei den erstgenannten Verfahren oft, daß die Untersuchungsinstrumente die Oberfläche des Werkstücks berühren, wodurch die Einsatzmöglichkeiten z.B. auf bestimmte Bauteilgeometrien eingeschränkt werden. Weiterhin treten häufig Fehler durch Oberflächenverunreinigungen, -unebenheiten oder andere Oberflächenanomalien auf. Die Untersuchung des Bauteils besteht in einer großflächigen, mittelnden Beobachtung.
Bei Infrarottechnologien entfallen viele dieser Nachteile. Sie beruhen darauf, daß jede Materie, korreliert mit der Temperatur 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 angeschlossen 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 benutzt. Fehlerstellen zeigen gegenüber der ungestörten Oberfläche andere Absorptions- bzw. Emissionseigenschaften von elektromagnetischen Strahlungen. Nachteilig ist u.a., daß dieses Verfahren nicht für den Einsatz in einer Beschichtungskammer 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 beschichtete Bauteil durch einen kurzen Infrarotimpuls angestrahlt und die Strahlantwort von einer Infrarotkamera registriert. Der zu untersuchende Bereich ist dabei homogener ausgeleuchtet als in der oben beschriebenen Methode. Nachteilig ist unter anderem, daß sich bei höheren Prozeßtemperaturen die Infrarotstrahlung des aufgeheizten Bauteils und der Blitzlichtlampe für eine in der Meßmethode vorgesehene Detektion und Auswertung schlecht trennbar überlagern.
Die oben dargestellten Kontrollverfahren und auch andere werden im allgemeinen nach der Fertigstellung der Beschichtung durchgeführt. Es ist aber wünschenswert, Online-Kontrollen bereits während der Beschichtung durchzuführen, um nötigenfalls steuernd einzugreifen bzw. das Verfahren anhand der Ergebnisse 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 beschrieben. Mittels eines Infrarotdetektors wird die Position des Strahlflecks des Plasmastrahls auf dem zu beschichtenden Bauteil ermittelt und der Beschichtungsauftrag während der Beschichtung durch eine Regelung des Pulverstromes und des Trägergases des Pulvers beeinflußt. Nachteilig ist dabei, daß die Einstellung von Prozeßparametern im wesentlichen für jedes Bauteil unabhängig erfolgt. Die Steuerung der Pulververteilung bietet darüberhinaus für sich genommen keine ausreichende Bedingung für eine den Betriebsanforderungen genügende, sichere Haftung der Beschichtung.
Demgegenüber hat die Oberflächentemperatur des zu beschichtenden Bauteils für die Ausbildung der verschiedenen Schutzfunktionen der Beschichtung eine grundlegende Bedeutung. Die oben erwähnten MCrAlY-Schichten erzielen ihre Schutzfunktion beispielsweise durch die Bildung von Aluminiumoxid bzw. Chromoxidschichten. Hierdurch wird insbesondere ein Oxidationsangriff 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 Bedeutung zu (s. z.B. Proc. Int. Therm. Spr. Conf. 1998, Nice, Frankreich, S. 1555 ff.).
Zur Temperaturmessung werden beim Plasmaspritzen häufig Pyrometer an einer frei zu definierenden Stelle der Oberfläche des Bauteils eingesetzt. Diese liefern jedoch nur Punktmessungen und es besteht bei einer Bewegung der Schaufel während der Prozeßführung die Gefahr, daß die pyrometrische Temperaturmessung an wechselnden Orten der Schaufeloberfläche durchgeführt wird. Die auf diese Weise gemessene Temperatur ist deshalb großen, nicht kalkulierbaren Schwankungen unterworfen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, das eingangs genannte Verfahren/die eingangs genannte Vorrichtung so zu verbessern, daß die Qualität der erzeugten Schichten zuverlässig 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 Oberflächenbereichs 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 beispielsweise in dem oben genannten bekannten Verfahren nach US 5 047 612 zur Kontrolle des Pulverauftrages während der Plasmabeschichtung benutzt. Demgegenüber wird in der vorliegenden Erfindung die Bestimmung der exakten absoluten Temperaturverteilung 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 Auswerteeinrichtungen. Die Bestimmung der Temperaturverteilung aus der Wärmeverteilung geschieht dadurch, daß die mit der Infrarotkamera gemessene Wärmestrahlung der Bauteiloberfläche mit dem Strahlungs-Referenzmittel verglichen wird. Wesentlich für die vorliegende Erfindung ist eine mit der Messung der Wärmeverteilung bzw. der Temperaturverteilung verbundene Einstellung der Wärmeverteilung bzw. der daraus bestimmten Temperaturverteilung 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 eine nach Bedarf einstellbare Temperatur gebracht, die durch ein Temperaturkontrollelement genau bestimmt wird. Den mit der Kamera aufgenommenen Wärmebildern des Strahlungs-Referenzmittels lassen sich auf einfache Weise, wie z.B. durch Farbvergleiche oder beispielsweise bei vorgeschaltetem Strahlungsfilter durch Intensitätsvergleiche absolute Temperaturwerte zuordnen und auf das Wärmebild des Bauteils übertragen. Die Oberflächentemperatur des Bauteils wird dann durch Einstellung des Verfahrensparameters angepaßt und unter Berücksichtigung der speziellen Eigenschaften des jeweils vorliegenden Oberflächenbereichs reproduzierbar und genau in einen Bereich gebracht, der für die Schichtbildung und -haftung vorteilhaft ist. Durch das Überschreiten der Schwellentemperatur ist dann eine wesentliche Bedingung für eine gute Anhaftung erreicht.
Generell können Farbvergleiche "per Auge" mit einer hohen Empfindlichkeit vorgenommen werden. Beispielsweise ist durch Einstellung einer vorbestimmten Temperatur des Strahlungs-Referenzmittels nahe der einzustellenden Schwellentemperatur ein einfaches, schnell und sicher zu kontrollierendes Kriterium für ein Über- oder Unterschreiten der Schwellentemperatur bereits durch einen Sichtvergleich der Wärmestrahlungsaufnahmen des Bauteils und des Strahlungs-Referenzelements gegeben. Es ist jedoch auch eine Auswertung mittels EDV sinnvoll einsetzbar, z.B. ein elektronischer Farbwert- oder Intensitätsvergleich.
Das Verfahren bietet reproduzierbare Ergebnisse und gewährleistet bereits während des Beschichtungsvorganges eine exakte und variabel zu handhabende Kontrolle über die Haftungseigenschaften 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 Oberflächenbereichen 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 Verfahrensparameters eine Erhöhung der Reproduzierbarkeit der Beschichtungsergebnisse, eine Verbesserung der Zuverlässigkeit der Beschichtung und eine gleichbleibend hohe Qualität mit einfachen Schritten erreichbar. Dies ist auch zur Qualitätssicherung 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 eine Temperaturverteilung im Oberflächenbereich des Bauteils einzustellen, bei der vorbestimmte Temperaturdifferenzen und/oder Temperaturgradienten nicht überschritten werden. Inhomogenitäten der Temperaturverteilung, insbesondere starke örtliche Schwankungen, also große Temperaturgradienten können trotz einer allgemein recht hohen Durchschnittstemperatur zu einer verminderten Haftung der Beschichtung führen. Temperaturgradienten können z.B. durch eine ungleichmäßige Aufheizung oder wechselnde Bauteileigenschaften, wie beispielsweise unterschiedliche Dicken des Materials entstehen. Neben dem Einstellen des Parameters zwecks Erreichens einer Schwellentemperatur 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 höchster zeitlicher Auflösung, z.B. 10-50 Bilder/sec. Die Einstellung des Parameters erfolgt in diesem Fall vorteilhaft aufgrund von Erfahrungswerten oder Meßwerten und durch Abstimmung mit der gemessenen, zeitabhängigen Temperaturverteilung.
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 Materialkombinationen aus Schichtmaterial und Substratmaterial machen es bei der Einstellung der Temperaturverteilung der Oberflächenbereiche der Bauteile notwendig, verschiedene Schwellentemperaturen zu erreichen, was durch eine Veränderung der Einstellung des Verfahrensparameters möglich ist.
Mit der vorliegenden Erfindung ist eine flexible, schnelle und genaue Einstellung der Schwellentemperatur durch die Einstellung 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 Temperaturschwankungen reagiert werden und es können für die Haftung der Beschichtung notwendige Grenzen von Temperaturunterschieden eingehalten werden.
Es ist weiterhin möglich, bei der Prozeßkontrolle und -steuerung per Hand oder mittels EDV-Unterstützung bauteil- und materialcharakteristische Parameter heranzuziehen. Hierdurch kann auch der Einfluß unterschiedlicher Materialstärken beispielsweise aufgrund der Veränderungen in der Wärmeleitfähigkeit der Bauteile berücksichtigt werden. Bei der Auftragung mehrfacher, auch unterschiedlicher Beschichtungen eines Bauteils können die Schwellentemperaturen und damit die Beschichtungstemperaturen durch gespeicherte, materialspezifische Größen der Verfahrensparameter schnell und individuell angepaßt werden.
Es wird vorgeschlagen, daß an mehreren Bereichen der Oberfläche des Bauteils jeweils eine vorbestimmte Schwellentemperatur eingestellt wird. Gerade an im späteren Einsatz besonders belasteten Stellen des Bauteils, z.B. an heißesten und stärksten Strömungen und mechanischen Belastungen ausgesetzten Teilen von Gasturbinen ist es notwendig, eine optimale Haftung 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 entsprechend über bestimmte, schneller abkühlende Stellen geführt werden. Eine gleichzeitige Kontrolle ist durch die Beobachtung und Steuerung mit der Infrarotkamera praktisch zu jedem Zeitpunkt gegeben.
Es ist vorteilhaft, wenn der Verfahrensparameter durch Vergleich der Temperaturverteilung des Oberflächenbereichs des Bauteils mit einer Solltemperaturverteilung geregelt wird. Wenn sich gewisse Temperaturverteilungen bei Testmessungen und Probeläufen, aber auch während der eigentlichen Beschichtung als besonders vorteilhaft erwiesen haben, ist es wünschenswert, dies für nachfolgende Beschichtungen nutzen zu können. So kann sich auch eine konstante Temperaturverteilung mit Temperaturen größer als die Schwellentemperatur als sinnvoll herausgestellt haben. Die Temperaturverteilung wird dann im Sinn dieser konstanten Temperatur für die gesamte Oberfläche eingestellt. Dies kann von Hand schnell durchgeführt werden. Die Einstellung einer Temperaturverteilung kann weiterhin durch Benutzung in einem Regelkreis gespeicherter und überprüfter Größen des Verfahrensparameters nach Vergleich mit der von der Infrarotkamera gelieferten Temperaturverteilung der Bauteiloberfläche geschehen.
Das Bauteil wird vorteilhafterweise vorgewärmt und/oder während 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 Temperatur sollte auch während des Plasmaspritzens eingehalten werden und ist vorteilhafterweise durch Beheizen mit dem Plasmastrahl zu erreichen. Eine Aufheizung mit dem Plasmastrahl gewährleistet beispielsweise gegenüber einer induktiven Widerstandsheizung, daß im wesentlichen die für die Beschichtung 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 Plasmastrahl unter bestimmter, weiter unten näher erläuterten Polung des Bauteils gereinigt werden, was wiederum die Haftung verbessert. Allerdings kann es dabei auch leicht geschehen, daß sich stärkere Gradienten in der Temperaturverteilung einstellen, 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 regeln zu können.
Darüberhinaus können die beiden Vorgänge der Beheizung und der Beschichtung, die sich beim Plasmabeschichtungsvorgang häufig auf unkontrollierbare Weise überlagern, durch das vorgestellte Verfahren getrennt voneinander überwacht und geregelt werden. Die Leistung des Plasmastrahls kann durch Einstellung seiner Verfahrensparameter bedarfsgerecht geregelt werden. Dies ermöglicht eine schnelle Reaktion auf die von der Infrarotkamera erhaltenen Ergebnisse bezüglich der Temperaturverteilung. Bei gleichem Fahrweg bzw. gleichem Abrasterungsverfahren des Strahls auf der Bauteiloberfläche kann durch Speicherung und Auswertung der Daten für den Plasmastrahl eine gute Reproduzierbarkeit des Verfahrens sichergestellt werden. Damit ist eine bessere Qualität der Schichten und eine erhöhte Produktivität gewährleistet.
Insbesondere kann als Verfahrensparameter der Strom einer Strahlquelle des Plasmastrahls eingestellt werden. Diese Größe ist mit geringem Aufwand zu steuern und ermöglicht genaue Abstimmungen des Energieeintrags des Plasmastrahls in die Oberfläche des Bauteils nach Vorgabe der ermittelten Temperaturverteilung.
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 erfolgen. Auf diese Weise ist es möglich, eine individuelle Kontrolle der verschiedenen Oberflächenbereiche des Bauteils vorzunehmen, ohne das Bauteil ausbauen zu müssen. Die verschiedenen 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. Startpunkt oder Zuordnung der Bauteilstellung zur Regelung des Verfahrensparameters für jedes Bauteil der Serie.
Das Bauteil kann beim Plasmaspritzen mit optimaler Ausrichtung der Rotationsachse des Bauteils zur Infrarotkamera rotiert werden. So kann ohne eine Änderung der Einstellung des Plasmastrahls die gesamte Oberfläche des Bauteils vollständig und gleichmäßig beschichtet werden und gleichzeitig die Kontrolle der Oberflächentemperaturverteilung mittels der Infrarotkamera 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 Einstellung der Verfahrensparameter zwecks Erreichung der Schwellentemperatur 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 Messung ist schnell und mit geringem Aufwand möglich. Die Ergebnisse können dann wiederum mit der Schwellentemperatur verglichen werden.
Vorzugsweise umfaßt die vorliegende Plasmaspritzeinrichtung eine Halteeinrichtung zur kontinuierlichen Rotation des Bauteils 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 Temperaturverteilung der Bauteiloberfläche zu gewährleisten, werden vorteilhafterweise spezielle Bedingungen für die Winkelverhältnisse von Rotationsachse zu Plasmastrahl und Kameraausrichtung eingestellt. Hierbei ist insbesondere zu vermeiden, daß der Raumwinkel, in welchen die Plasmastrahlung reflektiert wird, sich mit dem Sehwinkel der Infrarotkamera überschneidet. Diese Einstellung würde eine Überstrahlung der gesamten Aufnahme im wesentlichen durch die direkte bzw. reflektierte Strahlung des Plasmastrahls mit sich bringen. Die Infrarotkamera 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 Verfahrensparameter nach Maßgabe des zeitlichen Verhaltens der Temperaturverteilung eingestellt. Die Infrarotkamera ermöglicht eine Registrierung der gesamten Temperaturverteilung in einem Schritt. Es ist im Hinblick auf eine ständige Überwachung der Entwicklung der Schichtqualität vorteilhaft, die Temperaturverteilung in Abhängigkeit von der Zeit zu erfassen, um das Materialverhalten und das Strahlverhalten zu beurteilen und eine korespondierende, zeitabhängige Funktion des Verfahrensparameters einstellen zu können.
Die Stellungsveränderungen des Bauteils relativ zum Plasmastrahl einerseits und ein Verfahrensparameter des Plasmaspritzens andererseits können nach Maßgabe der Temperaturverteilung so aufeinander abgestimmt werden, daß Temperaturgradienten 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 relativ zur Bauteiloberfläche geschehen. Der Energieübertrag pro Zeiteinheit bleibt gleich, wird jedoch gleichmäßiger verteilt. 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 einer qualitativ hochwertigen Oberflächenschicht ist es notwendig, 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 Aufnahmen mit der Infrarotkamera in Abhängigkeit von der Umdrehungsdauer 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 äuszuschließen.
Die Triggerung wird mit einem zeitlichen Abstand einer viertel Umdrehungsdauer oder einem ganzzahligen Vielfachen davon durchgeführt. Auf diese Weise ist sichergestellt, daß entweder die Vorderseite oder die Rückseite des Bauteils oder die Seiten des Bauteils untersucht werden. Die beiden Seiten können, z.B. bei einer Turbinenschaufel, unterschiedliche Formen und Materialstärken des Bauteilmaterials aufweisen und deshalb die eingetragene Energie des Plasmastrahls unterschiedlich stark speichern. Es liegen also unterschiedliche Formen von Temperaturgradienten vor, was eventuell eine Anpassung des Verfahrensparameters des Plasmastrahls erfordert.
Die auf eine Beschichtungsvorrichtung für Hochtemperaturbauteile mittels Plasmaspritzens gerichtete Aufgabe wird durch eine Vorrichtung nach Anspruch 14 gelöst.
Es wird vorgeschlagen, daß das Strahlungs-Referenzmittel unabhängig von der Heizvorrichtung für das Plasmaspritzen beheizbar ist. Dies ermöglicht, daß das Material des Strahlungs-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 Referenzmittel 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 unabhängigen Temperaturmeßelement liefert nach einer Eichung zuverlässige Werte der absoluten Temperatur, die für einen Vergleich 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 beschichtenden 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 Meßergebnisnisse beeinflussen können. Eine Erfassung in demselben Meßfeld ermöglicht eine Messung unter denselben Umgebungsbedingungen, was insbesondere bei gedrehten oder anders verlagerten Bauteilen vorteilhaft ist, aufgrund der sich schnell ändernden sichtbaren Oberflächen. Die Umgebungsbedingungen werden wesentlich auch durch Verschmutzungen durch Beschichtungsmaterial am Beobachtungsfenster oder durch die Infrarotanteile in der Strahlung des Plasmastrahls beeinflußt. Es ist deshalb zur Gewährleistung von unverfälschten Meßergebnissen besonders vorteilhaft, das Strahlungs-Referenzmittel innerhalb der Beschichtungskammer anzubringen.
Die Kamera ist so angeordnet und konzipiert, daß mit ihr mindestens die gesamte ihr zugewandte Oberfläche einer Turbinenschaufel erfaßbar ist. Insbesondere wenn aufgrund starker Unterschiede der Bauteileigenschaften beispielsweise der Bauteilmaterialdicke, 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 vorteilhaft ist dabei die einfach durchzuführende Erfassung und Regelung der Temperaturverteilungen von Randbereichen bzw. Bereichen mit kleinen Krümmungsradien, wie sie bei Turbinenschaufeln 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 vorspringenden Stutzens der Beschichtungskammer angebracht. Ein am Ende des Stutzens angebrachtes, einen Einblick in die Beschichtungskammer ermöglichendes Glasfenster, das mit einer Dichtung zur Gewährleistung eines guten Vakuums versehen ist, wird auf diese Weise sehr wenig von Prozeßstäuben verunreinigt. Die vorgeschlagene Vorrichtung verringert die Frequenz für Wartungen und Reinigungen der Apparatur. Günstig für die Infrarotkameraaufnahmen ist es, wenn der Stutzen eine konische Form mit einem weiten, freien Öffnungswinkelbereich besitzt. Diese Form ist dann dem Sichtbereich der Infrarotkamera angepaßt und ermöglicht optimale Aufnahmen des Bauteils.
Vorteilhafterweise besteht das Glasfenster aus einem Spezialglas mit einer dem Meßbereich der Kamera angepaßten Transmission für Wellenlängen zwischen 2-5 µm. Dieser Meßbereich entspricht 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 Wellenlängenbereich von 2-5 µm ist weit von dem Maximum der Temperaturstrahlung des Plasmastrahls entfernt und hat im Vergleich zu den anderen Strahlungsbereichen des Plasmastrahls eine geringere Intensität. Dies ist insbesondere bei den vorliegenden Online-Kontrollen der Beschichtung wesentlich, um eine unverfälschte, gut aufgelöste und eindeutige Abbildung der Temperaturverteilung der Oberfläche des Bauteils zu erhalten.
Vorteilhafterweise besteht das Glasfenster aus Saphirglas. Diese Glassorte, die Al2O3 enthält, besitzt optimale Transmissionseigenschaften in dem gewünschten Bereich. Das Glas ist kommerziell erhältlich und kann der erfindungsgemäßen Einrichtung funktionell angepaßt werden.
Anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele werden das Verfahren und die Vorrichtung zur Beschichtung 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 Figur 1 ist schematisch und nicht maßstäblich ein prinzipieller Aufbau einer Beschichtungsvorrichtung 1 zur Durchführung eines Plasmaspritzverfahrens dargestellt. Die Beschichtungsvorrichtung 1 weist eine Beschichtungskammer 17 mit einem Absaugstutzen 18 auf, der mit einer nicht gezeigten Vakuumeinrichtung verbunden ist. Innerhalb der Beschichtungskammer 17 ist eine Plasmaspritzeinrichtung 16 angeordnet. Der in der Plasmaspritzeinrichtung 16 erzeugte Plasmastrahl 12 wird auf ein in der Beschichtungskammer 17 angeordnetes, zu beschichtendes Bauteil 10 gerichtet. Der schematische Aufbau der Plasmaspritzeinrichtung 16 ist in Figur 4 dargestellt. Der Plasmastrahl 12 ermöglicht sowohl die Beheizung des Bauteils 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 Brennkammerauskleidungen. Die komplexen Geometrien, wie hier beispielhaft gezeigt, bedingen Inhomogenitäten beim Beheizen und damit bei der Wärmestrahlungsverteilung 30 von Oberflächenbereichen 40 eines zu beschichtenden Bauteils 10. Eine Verfahreinrichtung für zwei senkrechte Richtungen 101 bzw. eine Rotationseinrichtung 100 ermöglicht das Erreichen aller zu beschichtenden Oberflächenbereiche 40 des Bauteils 10, so daß der Plasmastrahl 12 nicht über weite Oberflächenbereiche 40 abgelenkt werden muß. Jeder Oberflächenbereich 40 des Bauteils 10, auch die Schmalseiten, können durch Rotation bzw. Verschieben in zueinander senkrechten Richtungen schnell angefahren 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 Figur 2a. Die Infrarotkamera 20 ist an einem Glasfenster 19 angesetzt, 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 aneinander angepaßt.
Zur Verringerung einer Verschmutzung des Glasfensters 19 ist die Infrarotkamera 20 so an der Beschichtungskammer 17 angeordnet, daß Reflexionen der Strahlung des Plasmastrahls 12 an der Bauteiloberfläche nicht die Infrarotkamera 20 erfassen. Es muß weiterhin sichergestellt sein, daß mit der Infrarotkamera 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 Infrarotkamera 20 überstrichene Raumwinkel vorzugsweise außerhalb des Raumwinkels der Reflexion des Plasmastrahls 12 liegt.
Neben dem zu beschichtenden Bauteil 10 ist ein Strahlungs-Referenzmittel 60 angeordnet. Da sich sowohl das Bauteil 10 als auch das Strahlungs-Referenzmittel 60 gleichzeitig im Sichtbereich 29 der Infrarotkamera 20 befinden, können die Wärmestrahlungsverteilungen 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 Thermoelement 62 bestimmt. Diese Temperatur wird als Referenztemperatur TR für die Ermittlung der Temperaturen der Wärmestrahlungsverteilung 30 des Oberflächenbereichs 40 des Bauteils 10 verwendet.
In Figur 1 ist der schematische Ablauf des Meß-, Wandel- und Regelvorganges für der Temperaturführung des Oberflächenbereichs 40 des Bauteils 10 dargestellt. Die von der Infrarotkamera 20 aufgenommene Wärmestrahlungsverteilung 30 des Oberflächenbereichs 40 und des Strahlungs-Referenzmittels 60 und die von dem Thermoelement 62 gemessene Temperatur TR des Strahlungs-Referenzmittels 60 werden dem Wandler 31 zugeführt. Dieser ermittelt daraus die absolute Temperaturverteilung 70 der untersuchten Bauteiloberfläche 40 und führt dies der Regeleinrichtung 32 zu. Die Regeleinrichtung 32 bestimmt je nach zugeführter Sollemperaturverteilung Tsoll(x,y) die Bewegung des Bauteils 10 insbesondere durch die Regelung der Leistungszufuhr der Rotationseinrichtung 102, die Leistungszufuhr 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 Strahlungs-Referenzmittel besitzen, mit dem ebenfalls eine Temperaturbestimmung und -zuordung durchgeführt werden kann. Die Temperaturbestimmung durch ein Strahlungs-Referenzmittels 60 innerhalb der Beschichtungskammer 17 ist jedoch vorzuziehen, weil Meßfehler, die aufgrund des Plasmaspritzprozesses entstehen, bei einer gleichzeitigen Aufnahme 25 des Bauteils 10 und des Strahlungs-Referenzmittels 60 in demselben Maß vorliegen und sich so vernachlässigen bzw. herausmitteln lassen. Die Meßfehler können beispielsweise durch Überlagerung verschiedener Infrarotstrahlungsquellen als Streustrahlung und Hintergrundstrahlung oder durch eine zeitabhängige Erhöhung des Verunreinigungsgrads des Glasfensters 19 durch Prozeßstäube entstehen.
Das Glasfenster 19 enthält vorzugsweise Al2O3. Diese Glassorte, auch Saphirglas genannt, weist gute Transmissionseigenschaften im Bereich elektromagnetischer Wellen mit Wellenlängen zwischen 2 - 5 µm auf, welcher mit dem Meßbereich der Infrarotkamera 20 übereinstimmt. Dies ist zur genauen, unterscheidenden Charakterisierung des strahlenden Oberflächenbereichs 40 des Bauteils 10 notwendig, da der Plasmastrahl 12 eine sehr breitbandige Strahlungsquelle darstellt, die sich der Strahlung des Bauteils überlagern kann, wie oben dargestellt. Bei zu intensiver, durch den Plasmastrahl 12 verursachter Strahlung im Infrarotbereich werden der Infrarotkamera 20 geeignete Filter oder andere Optiken vorgeschaltet.
Vor der Beschichtung mit dem Plasmastrahl 12 wird das Hochtemperaturbauteil 10 auf dem Oberflächenbereich 40 auf eine vorbestimmte Vorwärmtemperatur, die Schwellentemperatur Ts, gebracht, um eine bessere Haftung der aufzubringenden Beschichtung 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 vorbestimmte Schwellentemperaturen TS gebracht werden. Um eine bestimmte Schwellentemperatur TS, eine Solltemperaturverteilung Tsoll(x,y) im Oberflächenbereich 40 zu erreichen, wird in dem vorgestellten Verfahren ein Verfahrensparameter p des Plasmaspritzprozesses nach Maßgabe der ermittelten Temperaturverteilung 70 eingestellt. Es ist auch eine Einstellung einer Solltemperaturverteilung Tsoll(x,y) möglich, die beispielsweise aus material- und bauteilspezifischen Meßwerten gewonnen werden kann.
Der Zusammenhang mit dem einzustellenden Verfahrensparameter p wird in Figur 4 näher erläutert. Bei dickeren Bauteilstellen und gut leitendem Material ist ein schnellerer Wärmeverlust zu erwarten, so daß dort ein längerer Wärmeeintrag, also eine von der üblichen Einstellung abweichende Parametereinstellung vorgenommen werden muß. Hieraus resultieren dann die erwünschten Temperaturen bzw. Schwellentemperaturen TS 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 eines beheizten Bauteils 10 und eines Strahlungs-Referenzmittels 60, die mit einer Infrarotkamera 20 ermittelt wurde. Die unterschiedlich schraffierten Bereiche kennzeichnen verschieden starke Wärmestrahlungen bzw. Unterschiede in den Frequenzverteilungen.
Figur 2b zeigt eine schematische Temperaturverteilung 70, die durch Auswertung der Aufnahme 25 der Wärmeverteilung 30 eines Oberflächenbereichs 40 des Bauteils 10 und des Strahlungs-Referenzmittels 60 mit der Infrarotkamera 20 erhalten wird. Bereiche mit Temperaturen T innerhalb vorbestimmter Grenzen T2<T<T1 sind durch Linien gleicher Temperatur Ti, i=1,2, sogenannte Isothermen, voneinander getrennt. Bereiche mit eng liegenden Isothermen sind durch große Temperaturgradienten grad T gekennzeichnet. Zur Erreichung einer optimalen Haftung sollen vorzugsweise vorbestimmte, maximale Temperaturdifferenzen 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 elektronischen Regelungs- bzw. Steuerungseinrichtung vorgenommen werden.
In Figur 3 ist ein Querschnitt durch einen typischen Schichtaufbau gezeigt. Auf ein Bauteil 10 wird eine erste Schicht 15a mit dem VPS-Verfahren, beispielsweise eine CoCrAlY-Korrosionsschutzschicht 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 aufgerauhte, saubere Oberfläche des Bauteils 10 eine wichtige Voraussetzung. Eine Reinigung des Bauteils 10 ist durch Sputterung bei negativer Polung des Bauteils 10 möglich. Weiterhin sind aneinander angepaßte Wärmeausdehnungskoeffizienten der Materialien eine wichtige Voraussetzung. Andernfalls verursachen innere Spannungen ein Abplatzen der Beschichtung 15.
Beim Übergang von einer Beschichtung 15a zu einer Beschichtung 15b müssen bei der Vorwärmung des Oberflächenbereichs 40 in der Regel andere Temperaturwerte eingestellt werden, weil die Schwellentemperatur TS, die maximalen Temperaturdifferenzen 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 Figur 4 ist schematisch eine Plasmastrahlquelle 13, eine Wandlungseinrichtung 31 für die Umwandlung der von der Infrarotkamera 20 registrierten Wärmestrahlungsverteilung 30 des Bauteils 10 zur Temperaturverteilung 70 und eine Regelvorrichtung 32 zur Einrichtung der Plasmastrahlquelle 13 durch den Verfahrensparameter p nach Maßgabe der Temperaturverteilung 70 und der Solltemperaturverteilung Tsoll(x,y) dargestellt. 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 Wandtemperaturen (ca. 3000K) an der Kathode 8 setzt eine Thermo-Feldemission von Elektronen ein. Die Plasmaelektronen werden durch das E-Feld in Richtung der Anode 9 beschleunigt. Das Arbeitsgas wird durch die Bogenentladung aufgeheizt und durch Stöße von Atomen, die mehr als die freie Ionen-Neutralteilchen-Austauschlänge von der Kathode 8 entfernt sind, ionisiert. Innerhalb der Elektrodendüse entsteht eine lokale Bogenentladung 12 mit dem Bogenstrom i.
Außerhalb der Elektrodendüse ist der Plasmastrahl 12 stromfrei. Dieser Plasmastrahl 12 wird unter Zuführung von aufzutragender Pulverfracht 95 zur Beschichtung genutzt. Eine Verringerung des zugeführten Plasmagasflusses f führt bei gleichbleibender eingespeister elektrischer Leistung zur Temperaturerhöhung des Plasmas. Die Stabilität der Bogenentladung 12 beeinflußt den gesamten Plasmaspritzprozeß. Fluktuationen bei der Plasmaerzeugung wirken sich unmittelbar auf den Zustand des abströmenden Plasmastrahls 12 aus, und damit u.a. auch auf die Temperaturverteilung 70 des Oberflächenbereichs 40 des zu beschichtenden Bauteils 10. Durch die Bewegung des Bogenfußpunkts auf der Anode 9, bei konstant gehaltenem, geglättetem Bogenstrom i wird der Lichtbogen verkürzt oder verlängert, woraus Spannungsschwankungen entstehen können. 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 nötig.
Der Verfahrensparameter p, der in dem Verfahren zur Einstellung der gewünschten Temperaturverteilung nach Maßgabe der ermittelten Temperaturverteilung 70 verändert wird, ist, wie oben dargestellt, vorzugsweise der Bogenstrom i der Bogenentladung. Dieser läßt sich mit nicht sehr aufwendigen Schaltungen konstant halten. Die für eine gute Beschichtungsqualität verantwortlichen Größen wie Strahltemperatur, -intensität - und homogenität sowie Aufschmelzung der aufzutragenden Pulverfracht 95 hängen jedoch noch in komplexer Weise von den verschiedenen anderen, zur Einstellung des Plasmastrahls 12 notwendigen Verfahrensparamtern 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, Injektionsgeometrie 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, eingestellt werden.
In Figur 5 ist beispielhaft eine Triggerung, d.h. eine Abstimmung der Aufnahmen 25 der Infrarotkamera 20 mit der Rotation des Bauteils 10 dargestellt. Die Aufnahmen 25 der Infrarotkamera 20 sind durch eine Verschiebung der Infrarotkamera 20 über einem Zeitstrahl t angedeutet. Ein komplexeres Bauteil 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 Infrarotkamera 20 haben in dem dargestellten Fall einen bevorzugten zeitlichen Abstand Δt von ganzzahligen Vielfachen n eines Viertels oder Achtels der Zeitdauer tu einer vollständigen Rotation. Für den zeitlichen Abstand der Aufnahmen gilt also Δt=n· 1 / 4tu . Bei komplexeren Bauteilen 10 ist eventuell eine andere Aufteilung beispielsweise in Achtel notwendig. Durch geeignete Einstellung eines zeitlichen Abstandes Δt der Aufnahmen 25 werden auf diese Weise bei geeigneter Koordination in Abstimmung mit der Zeitdauer tu für eine vollständige Rotation 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 miteinander verglichen werden. Dies ist insbesondere bei Bauteilen 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 Einstellung des Verfahrensparameters p durch Mittelung der Temperatur über den Umfang durch eine hohe Rotationsgeschwindigkeit und Aufnahmen 25 mit längerer Belichtungszeit möglich. Die Temperatur ist dann ein Mittelwert über die gesamte Bauteiloberfläche.
Bei der oben dargestellten Triggerung und bei der mittelnden Aufnahmetechnik kann neben der sofortigen auch eine zeitabhängige Einstellung des Verfahrensparameters p sinnvoll sein, um auf diese Weise eine langsamere Einstellung der angestrebten Solltemperaturverteilung Tsoll(x,y) zu erreichen, beispielsweise um das Entstehen thermischer Spannungen zu vermeiden und die Oberflächeneigenschaften des Bauteils 10 nicht zu verändern.

Claims (22)

  1. Verfahren zum Beschichten von Hochtemperaturbauteilen (10) mittels Plasmaspritzens, insbesondere von Gasturbinenbauteilen, wie Turbinenschaufeln oder Brennkammerauskleidungen, bei dem das Bauteil (10) beheizt wird, wobei mit einer Infrarotkamera (20) die Verteilung der Wärmestrahlung (30) eines Oberflächenbereichs (40) des Bauteils (10) ermittelt und in Abhängigkeit von dieser Verteilung (30) ein Verfahrensparameter (p) beeinflußt wird,
    dadurch gekennzeichnet, daß aus der Wärmestrahlungsverteilung (30) des Oberflächenbereichs (40) des Bauteils (10) durch Vergleich mit einem Strahlungs-Referenzmittel (60) die Temperaturverteilung (70) des Oberflächenbereichs (40) bestimmt wird, und daß der Verfahrensparameter (p) zum Erreichen einer vorgegebenen Schwellentemperatur (TS) im Oberflächenbereich (40) nach Maßgabe der Temperaturverteilung (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 (TS) im Hinblick auf ein optimales Haftungsvermögen der Beschichtung (15) auf dem Bauteil (10) eingestellt 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 mehreren Oberflächenbereichen (40) des Bauteils (10) jeweils eine vorgegebene Schwellentemperatur (TS) eingestellt wird.
  5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Verfahrensparameter (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 Bauteil (10) vorgewärmt und/oder während des Plasmaspritzens mit einem Plasmastrahl (12) beheizt wird und daß als Verfahrensparameter (p) ein Parameter des Plasmastrahls (12) eingestellt wird.
  7. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Verfahrensparameter (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) verändert wird und daß die Ermittlung der Temperaturverteilung (70) des Oberflächenbereichs (40) des Bauteils (10) in unterschiedlichen Relativstellungen erfolgt.
  9. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauteil (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 Temperaturverteilung (70) des Oberflächenbereichs (40) des Bauteils (10) als Funktion der Zeit ermittelt und der Verfahrensparameter (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 Temperaturverteilung (70) so aufeinander abgestimmt werden, daß Temperaturgradienten (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 (tu) des Bauteils (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 (tu) oder einem ganzzahligen (n) Vielfachen davon durchgeführt wird.
  14. Vorrichtung zum Beschichten von Hochtemperaturbauteilen (10) mittels Plasmaspritzens insbesondere von Gasturbinenbauteilen, wie Turbinenschaufeln oder Brennkammerauskleidungen, mit einer Plasmaspritzeinrichtung (16), die eine Beschichtungskammer (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 Bauteils (10) oberhalb einer vorgegebenen Schwellentemperatur (TS) 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 Heizvorrichtung für das Plasmaspritzen beheizbar ist.
  16. Vorrichtung nach Anspruch 14 oder 15,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur des Strahlungs-Referenzmittels (60) mit einem Thermoelement (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 Infrarotkamera (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 Oberflächenbereich (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) angebracht 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 Meßbereich der Kamera (20) angepaßten Transmission für Wellenlängen 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.
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