EP1360342B1 - Method for plasma coating a turbine blade and coating device - Google Patents

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EP1360342B1
EP1360342B1 EP02722074A EP02722074A EP1360342B1 EP 1360342 B1 EP1360342 B1 EP 1360342B1 EP 02722074 A EP02722074 A EP 02722074A EP 02722074 A EP02722074 A EP 02722074A EP 1360342 B1 EP1360342 B1 EP 1360342B1
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EP
European Patent Office
Prior art keywords
blade
axis
coating
vane
turbine blade
Prior art date
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Expired - Lifetime
Application number
EP02722074A
Other languages
German (de)
French (fr)
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EP1360342A1 (en
Inventor
Helge Reymann
Gerhard Johner
Claus Heuser
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Coatec & Co KG GmbH
Coatec & Co KG GmbH
Siemens AG
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Publication date
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C4/00—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge
    • 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
    • C23C4/134—Plasma spraying

Definitions

  • the invention relates to a process for plasma coating a turbine blade directed along a blade axis by means of thermal plasma spraying.
  • the invention relates also a coating device for carrying out of the procedure.
  • a coating process for plasma coating a turbine blade is apparent from EP 1 033 417 A1.
  • One of the possible, applied to the turbine blade coatings consists of an MCrAlX alloy, where M stands for a or several elements comprising iron, cobalt or nickel, Cr for chromium, Al for aluminum and X for one or more elements the group comprising yttrium, rhenium as well as the elements the rare earths stand.
  • This metallic layer is obtained by thermal spraying with the method VPS (Vacuum Plasma Spraying) or LPPS (Low Pressure Plasma Spraying) the turbine blade applied.
  • the gas turbine blade is made in particular of a nickel or iron or cobalt base superalloy.
  • the MCrAlX alloy is used in particular a corrosion and oxidation inhibition.
  • a layer is usually followed by a heat post-treatment at.
  • a process time of about 30 minutes while the postheat treatment the gas turbine blade a process duration of about Has 120 minutes.
  • the plasma coating is done with a plasma gun or a plasma torch. Such a Plasma torch is also often before the coating process used to heat the component to be coated.
  • the turbine blade to be coated is usually on one Turntable arranged while the plasma torch on one multi-axis robot is arranged. During the coating the turbine blade is at a coating temperature held from about 1100 ° K to 1200 ° K.
  • U.S. Patent 4,683,148 discloses the use of two Plasma torches.
  • DE 40 40 893 A1 discloses that more than two burners can be used to produce different, surprisingly advantageous structures by the development of vortex-like mixed microstructure. To what extent three burners can be controlled, about it no indications are given. The two or more burners are used to irradiate one and the same area with streams of particles containing different materials.
  • the object of the invention is to specify a method for Plasma coating of a turbine blade, in particular an improved quality of thermal plasma spraying applied coating has resulted. Further task
  • the invention is the specification of a coating device to carry out this process.
  • the object directed to a coating apparatus is solved according to the invention by specifying a coating device for coating a turbine blade by means of a Method according to one of the possibilities described above.
  • FIG. 1 shows a coating device 1.
  • the coating device 1 has a coating chamber 3. With the coating chamber 3 is a pre-chamber 5 vacuum-tight connected. In the coating chamber 3 is one along a Blade axis 9 directed turbine blade 11 is arranged. The turbine blade 11 is on a in the coating chamber 3 leading blade manipulator 13 arranged. Via an expansion chamber connected to the coating chamber 3 15 also performs a burner manipulator 17 in the coating chamber 3. A first plasma torch 19 and a second plasma torch 21 are on a burner carrier 25th arranged. A third plasma torch 23 is on the burner manipulator 17 arranged. The three plasma torches 19, 21, 23 are decoupled from each other and thus independently controllable and movable.
  • FIG 2 shows a structurally particularly simple way of installation the three plasma torches 19, 21, 23.
  • the turbine blade 11 is thus a gas turbine blade made of a nickel or cobalt base superalloy base material 30. It has an airfoil 33, to which at her Blade tip a top platform 31 and blade foot side a foot platform 35 is adjacent. Between the platforms 31, 35, The blade 33 results in rounded areas 37, in which is especially the overspray when using only one Plasma torch can come as described above.
  • the turbine blade 11 is attached to the blade manipulator 13 so by means of the blade manipulator 13 in a direction of rotation 43 is rotatable about the blade axis 9. moreover it is in an axial direction 41 along the blade axis. 9 axially displaceable.
  • a first plasma torch 19 is injected along a first injection direction 67 on the turbine blade 11.
  • the first plasma torch 19 is about a first axis of rotation 66 rotatable in the direction of rotation 65.
  • a second Plasma torch 21 injects along a second spray direction 63 on the turbine blade 11.
  • the second plasma torch 21st is along a second axis of rotation 62 in a direction of rotation 61 rotatable.
  • the first plasma torch 19 is along a direction parallel to the blade axis 9 in the foot area the turbine blade 11, while the second Plasma torch 21 along this direction at the height of Blade tip of the turbine blade 11 is arranged.
  • the first injection direction 67 forms with the second injection direction 63 an angle ⁇ , which is greater than 90 °. In this configuration serves the first plasma torch 19 of a coating the top platform 31, while the second plasma torch 21st a coating of the foot platform 35 is used.
  • a third Plasma torch 23 Approximately at the height of the intersection of the first injection direction 67th with the second injection direction 63 and on the opposite Side of the turbine blade 11 is arranged a third Plasma torch 23.
  • This third plasma torch 23 injects along a third spraying direction 53 onto the turbine blade 11.
  • the third plasma torch 23 is along a Rotation axis 56 rotatable about the rotational direction 55.
  • the turbine blade 11 Before coating the turbine blade 11 with a Coating 81, preferably an MCrAlX oxidation corrosion protection layer, the turbine blade 11 is heated. This happens in particularly uniform way through all three plasma torches 19, 21, 23 at the same time. After reaching the desired temperature the coating material is applied, wherein as described, the first plasma torch 19 and the second Plasma torches 21 serve the coating of the platforms 31, 35, while on the third plasma torch 23, a coating of the blade 33 is made.
  • a Coating 81 preferably an MCrAlX oxidation corrosion protection layer
  • the blade manipulator 13 is along the axial direction 41 movable, wherein the burner manipulator 17 synchronized can move so that from the burner 23 always the same Radius on the turbine blade 11 is coated.
  • the Burner 19, 21 are decoupled from this synchronous movement.
  • FIG. 3 shows a modification of the coating device 1 of Figure 2, this modification the third plasma torch 23 concerns. This is now in one direction 51 perpendicular to the plane E movable through the blade axis 9 and the third injection direction 53 is fixed. Furthermore, the third plasma torch 23 is also in its distance to the turbine blade 11 via a mobility along the third injection direction 53 movably arranged. While the axis of rotation 56 of the third plasma burner 23 according to the Arrangement in Figure 2 parallel to the blade axis. 9 was aligned, it is now along the spray direction 53 and thus directed perpendicular to the blade axis 9. The rotation axis 56 lies in the plane E.
  • FIG. 4 shows a joint mobility the first plasma torch 19 and the second plasma torch 21 by means of a drive unit 71, the one Carrier 72 for the first and second plasma torch 19, 21 in parallel moved to the blade axis 9.
  • a chain 73 moved parallel to the blade axis 9.

Abstract

The invention relates to a method for plasma coating a turbine blade (11), wherein at least three plasma torches (19, 21, 23) are used simultaneously with the aim of achieving a particularly high-quality coating (81), especially of McrAlX on a base body (30) made of a nickel or cobalt-based superalloy. The invention also relates to a coating device (1) to implement said method.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Plasmabeschichtung einer entlang einer Schaufelachse gerichteten Turbinenschaufel mittels thermischen Plasmaspritzens. Die Erfindung betrifft auch eine Beschichtungsvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.The invention relates to a process for plasma coating a turbine blade directed along a blade axis by means of thermal plasma spraying. The invention relates also a coating device for carrying out of the procedure.

Ein Beschichtungsverfahren zur Plasmabeschichtung einer Turbinenschaufel geht hervor aus der EP 1 033 417 A1. Eine der möglichen, auf die Turbinenschaufel aufzubringenden Beschichtungen besteht aus einer MCrAlX-Legierung, wobei M für eines oder mehrere Elemente umfassend Eisen, Kobalt oder Nickel, Cr für Chrom, Al für Aluminium und X für eines oder mehrere Elemente der Gruppe umfassend Yttrium, Rhenium sowie die Elemente der Seltenen Erden stehen. Diese metallische Schicht wird durch thermisches Spritzen mit dem Verfahren VPS (Vacuum Plasma Spraying) oder LPPS (Low Pressure Plasma Spraying) auf die Turbinenschaufel aufgebracht. Die Gasturbinenschaufel besteht insbesondere aus einer Nickel- oder Eisen- oder Kobaltbasis-Superlegierung. Die MCrAlX-Legierung dient insbesondere einner Korrosions- und Oxidationshinderung. Sie dient aber auch häufig als Haftvermittlerschicht zwischen einer keramischen Wärmedämmschicht und dem Grundwerkstoff. An das Aufbringen einer Schicht schließt sich in der Regel eine Wärmenachbehandlung an. Für das Aufbringen einer MCrAlX-Schicht nach dem VPS- oder LPPS-Verfahren erhält man typischerweise eine Prozessdauer von etwa 30 Minuten, während die Wärmenachbehandlung der Gasturbinenschaufel eine Prozessdauer von etwa 120 Minuten hat. Das Plasmabeschichten wird mit einer Plasmakanone oder einem Plasmabrenner durchgeführt. Ein solcher Plasmabrenner wird häufig auch vor dem Beschichtungsvorgang zur Aufheizung des zu beschichtenden Bauteils verwendet. Die zu beschichtende Turbinenschaufel ist normalerweise auf einem Drehteller angeordnet, während der Plasmabrenner auf einem mehrachsigen Roboter angeordnet ist. Während der Beschichtung wird die Turbinenschaufel auf einer Beschichtungstemperatur von etwa 1100 °K bis 1200 °K gehalten.A coating process for plasma coating a turbine blade is apparent from EP 1 033 417 A1. One of the possible, applied to the turbine blade coatings consists of an MCrAlX alloy, where M stands for a or several elements comprising iron, cobalt or nickel, Cr for chromium, Al for aluminum and X for one or more elements the group comprising yttrium, rhenium as well as the elements the rare earths stand. This metallic layer is obtained by thermal spraying with the method VPS (Vacuum Plasma Spraying) or LPPS (Low Pressure Plasma Spraying) the turbine blade applied. The gas turbine blade is made in particular of a nickel or iron or cobalt base superalloy. The MCrAlX alloy is used in particular a corrosion and oxidation inhibition. But she serves also often as a primer layer between a ceramic Thermal insulation layer and the base material. At the application A layer is usually followed by a heat post-treatment at. For applying a MCrAlX layer typically obtained by the VPS or LPPS method a process time of about 30 minutes, while the postheat treatment the gas turbine blade a process duration of about Has 120 minutes. The plasma coating is done with a plasma gun or a plasma torch. Such a Plasma torch is also often before the coating process used to heat the component to be coated. The turbine blade to be coated is usually on one Turntable arranged while the plasma torch on one multi-axis robot is arranged. During the coating the turbine blade is at a coating temperature held from about 1100 ° K to 1200 ° K.

Die US-PS 4,683,148 offenbart die Verwendung von zwei Plasmabrennern.U.S. Patent 4,683,148 discloses the use of two Plasma torches.

Die DE 40 40 893 A1 offenbart, dass mehr als zwei Brenner benutzt werden können, um unterschiedliche, überraschend vorteilhafte Strukturen durch die Entwicklung von wirbelartig vermischten Mikrostruktur herzustellen.
Inwieweit drei Brenner gesteuert werden können, darüber werden keine Hinweise gegeben. Die zwei oder mehr Brenner werden benutzt, um ein und dieselbe Fläche mit Teilchenströmen zu bestrahlen, die verschiedene Materialien enthalten.DE 40 40 893 A1 discloses that more than two burners can be used to produce different, surprisingly advantageous structures by the development of vortex-like mixed microstructure.
To what extent three burners can be controlled, about it no indications are given. The two or more burners are used to irradiate one and the same area with streams of particles containing different materials.

Aufgabe der Erfindung ist die Angabe eines Verfahrens zur Plasmabeschichtung einer Turbinenschaufel, das insbesondere eine verbesserte Qualität der durch thermisches Plasmaspritzen aufgebrachten Beschichtung zur Folge hat. Weitere Aufgabe der Erfindung ist die Angabe einer Beschichtungsvorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.The object of the invention is to specify a method for Plasma coating of a turbine blade, in particular an improved quality of thermal plasma spraying applied coating has resulted. Further task The invention is the specification of a coating device to carry out this process.

Erfindungsgemäß wird die auf ein Verfahren gerichtete Aufgabe gelöst durch Angabe eines Verfahrens zur Plasmabeschichtung einer entlang einer Schaufelachse gerichteten Turbinenschaufel, bei dem mindestens drei Plasmabrenner zum thermischen Plasmaspritzen gleichzeitig verwendet werden, wobei zumindest zwei der Plasmabrenner voneinander unabhängig angesteuert werden.According to the invention, the object directed to a method solved by specifying a method for plasma coating a turbine blade directed along a blade axis, at least three plasma torches for thermal Plasma spraying can be used simultaneously, at least two of the plasma torches are controlled independently of each other become.

Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, dass bei der herkömmlichen Verwendung eines einzigen Plasmabrenners bestimmte Qualitätseinbußen für die Beschichtung der Turbinenschaufel folgen. Insbesondere kommt es auf bestimmten kritischen Flächen wie dem Übergangsbereich zwischen dem Schaufelblatt und angrenzenden Schaufelplattformen zu einer unerwünscht hohen Schichtdicke, da die Beschichtung der Plattform einerseits und des Blattes andererseits im Grenzbereich zu einem nach konventioneller Beschichtungsmethode unvermeidbaren Überlapp und damit zu einer erhöhten Schichtdicke führen. Weiterhin kann es bei der Beschichtung mittels nur eines Brenners zu einer Porenbildung der Beschichtung aufgrund zu flacher Spritzwinkel kommen. Eine solche Porenbildung führt zu einer erhöhten Korrosion des eigentlich durch die Beschichtung zu schützenden Grundwerkstoffs. Weiterhin ergibt sich nach Erkenntnis der Erfindung bei einer Beschichtung mit nur einem Brenner eine ungünstige Temperaturführung für das zu beschichtende Bauteil, da mit dem nur einen Brenner nur eine ungenügend gleichmäßige Erwärmung des Bauteils möglich ist. Der zunächst als unvertretbar hoch anmutende Aufwand der Verwendung von mindestens drei Plasmabrennern ist geeignet, diese Nachteile zu vermeiden. Darüber hinaus bietet die Verwendung von mindestens drei Brennern auch die Möglichkeit, besonders große Turbinenschaufeln, wie etwa Laufschaufeln der letzten Laufschaufelreihe einer stationären Gasturbine mit Längsausdehnungen größer als 50 cm qualitativ hochwertig zu beschichten. Schließlich ist mit der Verwendung von mindestens drei Brennern eine insbesondere konstantere Schichtdickenverteilung erreichbar.

  • A) Vorzugsweise dient einer der Brenner der Aufheizung der Turbinenschaufeln. Hierdurch kann insbesondere sichergestellt werden, dass die Turbinenschaufel auf eine gleichmäßige Temperatur erwärmt wird und auch während des Beschichtungsvorgangs auf einer solchen gleichmäßigen Temperartur gehalten wird.
  • B) Mindestens zwei der Plasmabrenner werden voneinander unabhängig angesteuert. Diese Plasmabrenner sind somit voneinander entkoppelt und können während des Beschichtungsvorgangs unabhängig voneinander bewegt werden, wodurch eine an alle Phasen des Beschichtungsvorgangs angepasste Optimierung von Einstrahlwinkeln, Beschichtungsraten etc. möglich ist. Insbesondere kann eine Aufteilung der Blattbeschichtung einerseits und der Plattformbeschichtung andererseits so erfolgen, dass ein oder zwei Brenner einer Blattbeschichtung dienen, während der andere oder die anderen Brenner einer Plattformbeschichtung dienen.
  • C) Vorzugsweise wird die Turbinenschaufel entlang der Schaufelachse rotiert.
  • D) Weiter bevorzugt spritzt ein erster der Brenner in einer ersten Spritzrichtung auf die Turbinenschaufel und wird um eine erste Rotationsachse rotiert, die senkrecht zu dieser ersten Spritzrichtung orientiert ist und in einer von dieser ersten Spritzrichtung und der Schaufelachse aufgespannten Ebene liegt. In dieser konstruktiv einfachen Ausführung wird also nur der Winkel verändert, unter dem der erste Brenner auf die Turbinenschaufel spritzt. Diese Winkelveränderung erfolgt durch eine Rotation um die erste Rotationsachse.
  • E) Weiter bevorzugt spritzt ein zweiter der Brenner in einer zweiten Spritzrichtung auf die Turbinenschaufel und wird um eine zweite Rotationsachse rotiert, die senkrecht zu dieser zweiten Spritzrichtung orientiert ist und in einer von dieser zweiten Spritzrichtung und der Schaufelachse aufgespannten Ebene liegt, wobei die erste Spritzrichtung und die zweite Spritzrichtung miteinander einen Winkel > 90° einschließen. Auch der zweite Brenner ist somit in einer konstruktiv sehr einfachen Weise lediglich um die Rotationsachse rotierbar und damit in seinem Spritzwinkel veränderbar. Die beiden Brenner bilden dabei zueinander einen stumpfen Winkel, so dass durch diese beiden Brenner besonders gut entweder nur eine Blattbeschichtung oder nur eine Plattformbeschichtung erfolgt. Bei der Plattformbeschichtung durch diese beiden Brenner ist jedem Brenner eine Plattform zugeordnet. Bei einer Laufschaufel wird eine solche an der Schaufelspitze angeordnete Plattform auch als Deckband bezeichnet.
  • F) Bevorzugt werden der erste und der zweite Brenner gemeinsam entlang der Schaufelachse verschoben. Dies kann weiter bevorzugt durch einen Ketten- oder Riemenantrieb erfolgen, der insbesondere außerhalb der Beschichtungskammer liegt und an dem die Brenner so befestigt sind, dass sie einer Bewegung der Kette oder des Riemens folgend entlang der Schaufelachse gemeinsam verschoben werden.
  • G) Bevorzugt spritzt ein dritter Brenner in einer dritten Spritzrichtung auf die Turbinenschaufel und wird um eine dritte Rotationsachse rotiert, die in einer von dieser dritten Spritzrichtung und der Schaufelachse aufgespannten Ebene liegt. Somit ist auch der dritte Brenner in konstruktiv einfacher Weise lediglich um die dritte Rotationsachse rotierbar ausgeführt.
  • H) Die dritte Rotationsachse liegt vorzugsweise entweder parallel zur Schaufelachse oder senkrecht zur Schaufelachse.
  • I) Vorzugsweise wird der dritte Brenner in eine Richtung senkrecht zu der Ebene bewegt.
  • J) Vorzugsweise wird der dritte Brenner entlang der dritten Spritzrichtung bewegt.
  • K) Bevorzugtermaßen wird der dritte Brenner parallel zur Schaufelachse bewegt. Die zusätzlichen Bewegungsmöglichkeiten des dritten Brenners führen zwar zu einer konstruktiv aufwendigeren Lösung, haben aber insbesondere den Vorteil, dass weniger Beschichtungspulver beim Plasmaspritzen an der Turbinenschaufel vorbeigespritzt werden muss, als dies bei im Abstand zur Turbinenschaufel unveränderlichen Brennern der Fall ist.
  • L) Das Verfahren wird vorzugsweise im Vakuum durchgeführt. Dies kann ein Vacuum Plasma Spraying (VPS)-Verfahren bei ca. 10-4 bis 10-6 mbar sein. Insbesondere kommt aber ein Verfahren bei ca. 10-1 bis 10-2 mbar in Betracht (Low Pressure Plasma Spraying, LPPS).
  • M) Das Verfahren wird vorzugsweise zum Plasmabeschichten eines Grundwerkstoffes aus einer Nickel- oder Kobaltbasis-Superlegierung angewendet, wobei eine MCrAlX-Schutzschicht, wie einleitend beschrieben, auf den Grundkörper aufgebracht wird.
    • The invention is based on the recognition that in the conventional use of a single plasma torch certain quality losses for the coating of the turbine blade follow. In particular, an undesirably high layer thickness occurs on certain critical surfaces, such as the transition region between the airfoil and adjacent blade platforms, because the coating of the platform, on the one hand, and the blade, on the other hand, results in an overlap that is unavoidable by a conventional coating method and thus leads to an increased layer thickness. Furthermore, in the case of coating by means of only one burner, pore formation of the coating may occur due to shallow spray angles. Such pore formation leads to increased corrosion of the base material that is actually to be protected by the coating. Furthermore, after finding the invention in a coating with only one burner unfavorable temperature control for the component to be coated, since with only a single burner only an insufficiently uniform heating of the component is possible. The initially unacceptably high cost of using at least three plasma torches is suitable to avoid these disadvantages. In addition, the use of at least three burners also provides the opportunity to coat high-quality turbine blades, such as blades of the last row of blades of a stationary gas turbine with longitudinal dimensions greater than 50 cm high quality. Finally, with the use of at least three burners a more constant layer thickness distribution can be achieved.
  • A) Preferably, one of the burners serves to heat the turbine blades. In this way, in particular, it can be ensured that the turbine blade is heated to a uniform temperature and is also kept at such a uniform temperature during the coating process.
  • B) At least two of the plasma torches are controlled independently of each other. These plasma torches are thus decoupled from one another and can be moved independently of one another during the coating process, as a result of which optimization of irradiation angles, coating rates, etc. adapted to all phases of the coating process is possible. In particular, a division of the sheet coating on the one hand and the platform coating on the other hand can be done so that one or two burners are used for a sheet coating, while the other or the other burners serve a platform coating.
  • C) Preferably, the turbine blade is rotated along the blade axis.
  • D) Further preferably, a first of the burners in a first injection direction injected onto the turbine blade and is rotated about a first axis of rotation, which is oriented perpendicular to this first injection direction and in a plane defined by this first injection direction and the blade axis plane. In this structurally simple embodiment, therefore, only the angle is changed under which the first burner is injected onto the turbine blade. This angular change takes place by a rotation about the first axis of rotation.
  • E) more preferably, a second of the burner injected in a second injection direction on the turbine blade and is rotated about a second axis of rotation, which is oriented perpendicular to this second injection direction and lies in a plane spanned by this second injection direction and the blade axis plane, wherein the first injection direction and the second injection direction with each other an angle> 90 °. Also, the second burner is thus rotatable in a structurally very simple manner only about the axis of rotation and thus changeable in its spray angle. The two burners form an obtuse angle relative to one another, so that either only a single sheet coating or only a platform coating takes place particularly well through these two burners. In the platform coating by these two burners each burner is assigned a platform. In the case of a moving blade, such a platform arranged on the blade tip is also referred to as shroud.
  • F) Preferably, the first and the second burner are moved together along the blade axis. This can more preferably be carried out by a chain or belt drive, which lies in particular outside the coating chamber and to which the burners are fastened so that they are displaced together following movement of the chain or belt along the blade axis.
  • G) A third burner preferably sprays onto the turbine blade in a third injection direction and is rotated about a third axis of rotation, which lies in a plane spanned by this third injection direction and the blade axis. Thus, the third burner is executed rotatable in a structurally simple manner only about the third axis of rotation.
  • H) The third axis of rotation is preferably either parallel to the blade axis or perpendicular to the blade axis.
  • I) Preferably, the third burner is moved in a direction perpendicular to the plane.
  • J) Preferably, the third burner is moved along the third injection direction.
  • K) Preferred dimensions of the third burner is moved parallel to the blade axis. Although the additional movement possibilities of the third burner lead to a structurally more complex solution, but in particular have the advantage that less coating powder must be injected during plasma spraying of the turbine blade, as is the case with invariable at a distance from the turbine blade burners.
  • L) The process is preferably carried out in vacuo. This may be a Vacuum Plasma Spraying (VPS) process at about 10 -4 to 10 -6 mbar. In particular, however, a process at about 10 -1 to 10 -2 mbar into consideration (low pressure plasma spraying, LPPS).
  • M) The method is preferably used for plasma coating a base material of a nickel or cobalt base superalloy, wherein an MCrAlX protective layer, as described in the introduction, is applied to the base body.

    • Die auf eine Beschichtungsvorrichtung gerichtete Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch Angabe einer Beschichtungsvorrichtung zum Beschichten einer Turbinenschaufel mittels eines Verfahrens gemäß einem der vorstehend beschriebenen Möglichkeiten.The object directed to a coating apparatus is solved according to the invention by specifying a coating device for coating a turbine blade by means of a Method according to one of the possibilities described above.

    Die Ausführungsformen der Punkte A) bis M) können auch untereinander in einer beliebigen Weise kombiniert werden.The embodiments of points A) to M) can also be used with each other be combined in any way.

    Die Erfindung wird anhand der Zeichnung beispielhaft näher erläutert. Es zeigen teilweise schematisch und nicht maßstäblich:

    FIG 1
    eine Beschichtungsvorrichtung zum thermischen Plasmaspritzen,
    FIG 2-4
    Verfahren zur Beschichtung einer Turbinenschaufel unter Verwendung von drei Plasmabrennern mit jeweils einer anderen Beweglichkeit der Plasmabrenner.
    The invention will be explained in more detail by way of example with reference to the drawing. They show partly schematically and not to scale:
    FIG. 1
    a coating device for thermal plasma spraying,
    FIGS. 2-4
    A method of coating a turbine blade using three plasma torches, each with a different plasma torch mobility.

    Gleiche Bezugszeichen haben in den verschiedenen Figuren die gleiche Bedeutung. The same reference numerals have in the various figures same meaning.

    Figur 1 zeigt eine Beschichtungsvorrichtung 1. Die Beschichtungsvorrichtung 1 weist eine Beschichtungskammer 3 auf. Mit der Beschichtungskammer 3 ist vakuumdicht eine Vorkammer 5 verbunden. In der Beschichtungskammer 3 ist eine entlang einer Schaufelachse 9 gerichtete Turbinenschaufel 11 angeordnet. Die Turbinenschaufel 11 ist auf einem in die Beschichtungskammer 3 hineinführenden Schaufelmanipulator 13 angeordnet. Über eine mit der Beschichtungskammer 3 verbundene Erweiterungskammer 15 führt ein Brennermanipulator 17 ebenfalls in die Beschichtungskammer 3. Ein erster Plasmabrenner 19 und ein zweiter Plasmabrenner 21 sind auf einem Brennerträger 25 angeordnet. Ein dritter Plasmabrenner 23 ist am Brennermanipulator 17 angeordnet. Die drei Plasmabrenner 19, 21, 23 sind voneinander entkoppelt und damit unabhängig voneinander ansteuerbar und beweglich.FIG. 1 shows a coating device 1. The coating device 1 has a coating chamber 3. With the coating chamber 3 is a pre-chamber 5 vacuum-tight connected. In the coating chamber 3 is one along a Blade axis 9 directed turbine blade 11 is arranged. The turbine blade 11 is on a in the coating chamber 3 leading blade manipulator 13 arranged. Via an expansion chamber connected to the coating chamber 3 15 also performs a burner manipulator 17 in the coating chamber 3. A first plasma torch 19 and a second plasma torch 21 are on a burner carrier 25th arranged. A third plasma torch 23 is on the burner manipulator 17 arranged. The three plasma torches 19, 21, 23 are decoupled from each other and thus independently controllable and movable.

    Während es bei einem konventionellen Beschichtungsverfahren mit nur einem Plasmabrenner zu Qualitätseinbußen bei der Beschichtung der Turbinenschaufel 11 kommt, werden durch die Beschichtung mittels dreier Plasmabrenner 19, 21, 23 qualitativ besonders hochwertige Beschichtungen der Turbinenschaufel 11 erreicht. Dies betrifft insbesondere eine Reduzierung des sogenannten Oversprays, d.h. Bereiche, in denen eine zu hohe Schichtdicke durch mehrfaches Übersprühen bei Verwendung nur eines Brenners auftritt. Durch Verwendung mehrerer Brenner und insbesondere durch die Aufteilung der Plasmabrenner 19 und 21 zur Beschichtung des Schaufelblattes der Turbinenschaufel 11 einerseits und der Verwendung des dritten Plasmabrenners 23 zur Beschichtung der Plattformen der Turbinenschaufel 11 wird dieses Overspray stark reduziert. Weiterhin kann gerade bei besonders großen Turbinenschaufeln einer der Plasmabrenner 19, 21, 23 zur Aufheizung der Turbinenschaufel 11 verwendet werden, wodurch ein gezielter Wärmeeintrag genau dort erreicht wird, wo er benötigt wird, wodurch sich wiederum eine qualitative Verbesserung für die Schicht ergibt. Überhaupt wird bei besonders großen Turbinenschaufeln, etwa in der Größenordnung einer Längserstreckung von 1 m, eine Beschichtung mit ausreichend hoher Qualität erst möglich durch die Verwendung von mindestens drei Plasmabrennern 19, 21, 23. Schließlich führt die Verwendung der drei Plasmabrenner 19, 21, 23 auch zu einer insgesamt konstanteren Schichtdickenverteilung auf der Turbinenschaufel 11.While it is in a conventional coating process with only one plasma torch to quality degradation in the coating the turbine blade 11 comes through the Coating by means of three plasma torches 19, 21, 23 qualitatively particularly high-quality coatings of the turbine blade 11 reached. This concerns in particular a reduction of the so-called oversprays, i. Areas where too high Layer thickness by multiple overspray when using only a burner occurs. By using multiple burners and in particular by the division of the plasma torch 19th and 21 for coating the airfoil of the turbine blade 11 on the one hand and the use of the third plasma torch 23 for coating the platforms of the turbine blade 11, this overspray is greatly reduced. Farther Especially with very large turbine blades one of the Plasma torch 19, 21, 23 for heating the turbine blade 11, whereby a targeted heat input exactly where it is achieved, where it is needed, which in turn gives a qualitative improvement for the layer. At all is particularly large turbine blades, about in the order of a length of 1 m, a coating with sufficiently high quality only possible through the use of at least three plasma torches 19, 21, 23. Finally, the use of the three plasma torches 19, 21, 23 also to an overall more constant layer thickness distribution on the turbine blade 11.

    Figur 2 zeigt eine konstruktiv besonders einfache Art der Installation der drei Plasmabrenner 19, 21, 23. Die Turbinenschaufel 11 ist also eine Gasturbinenschaufel aus einem Nickel- oder Kobaltbasis-Superlegierungs-Grundwerkstoff 30 ausgeführt. Sie weist ein Schaufelblatt 33 auf, an das an ihrer Schaufelspitze eine Spitzenplattform 31 und schaufelfußseitig eine Fußplattform 35 grenzt. Zwischen den Plattformen 31, 35, dem Schaufelblatt 33 ergeben sich abgerundete Bereiche 37, in denen es besonders zu dem Overspray bei Verwendung nur eines Plasmabrenners kommen kann, wie oben beschrieben. Die Turbinenschaufel 11 ist am Schaufelmanipulator 13 so befestigt, dass sie mittels des Schaufelmanipulators 13 in einer Rotationsrichtung 43 um die Schaufelachse 9 rotierbar ist. Zudem ist sie in einer Axialrichtung 41 entlang der Schaufelachse 9 axial verschieblich. Ein erster Plasmabrenner 19 spritzt entlang einer ersten Spritzrichtung 67 auf die Turbinenschaufel 11. Der erste Plasmabrenner 19 ist um eine erste Rotationsachse 66 in der Rotationsrichtung 65 rotierbar. Ein zweiter Plasmabrenner 21 spritzt entlang einer zweiten Spritzrichtung 63 auf die Turbinenschaufel 11. Der zweite Plasmabrenner 21 ist entlang einer zweiten Rotationsachse 62 in einer Rotationsrichtung 61 rotierbar. Der erste Plasmabrenner 19 ist entlang einer Richtung parallel zur Schaufelachse 9 im Fußbereich der Turbinenschaufel 11 angeordnet, während der zweite Plasmabrenner 21 entlang dieser Richtung in der Höhe der Schaufelspitze der Turbinenschaufel 11 angeordnet ist. Die erste Spritzrichtung 67 bildet mit der zweiten Spritzrichtung 63 einen Winkel α, der größer als 90° ist. In dieser Konfiguration dient der erste Plasmabrenner 19 einer Beschichtung der Spitzenplattform 31, während der zweite Plasmabrenner 21 einer Beschichtung der Fußplattform 35 dient. Figure 2 shows a structurally particularly simple way of installation the three plasma torches 19, 21, 23. The turbine blade 11 is thus a gas turbine blade made of a nickel or cobalt base superalloy base material 30. It has an airfoil 33, to which at her Blade tip a top platform 31 and blade foot side a foot platform 35 is adjacent. Between the platforms 31, 35, The blade 33 results in rounded areas 37, in which is especially the overspray when using only one Plasma torch can come as described above. The turbine blade 11 is attached to the blade manipulator 13 so by means of the blade manipulator 13 in a direction of rotation 43 is rotatable about the blade axis 9. moreover it is in an axial direction 41 along the blade axis. 9 axially displaceable. A first plasma torch 19 is injected along a first injection direction 67 on the turbine blade 11. The first plasma torch 19 is about a first axis of rotation 66 rotatable in the direction of rotation 65. A second Plasma torch 21 injects along a second spray direction 63 on the turbine blade 11. The second plasma torch 21st is along a second axis of rotation 62 in a direction of rotation 61 rotatable. The first plasma torch 19 is along a direction parallel to the blade axis 9 in the foot area the turbine blade 11, while the second Plasma torch 21 along this direction at the height of Blade tip of the turbine blade 11 is arranged. The first injection direction 67 forms with the second injection direction 63 an angle α, which is greater than 90 °. In this configuration serves the first plasma torch 19 of a coating the top platform 31, while the second plasma torch 21st a coating of the foot platform 35 is used.

    Etwa auf Höhe des Schnittpunktes der ersten Spritzrichtung 67 mit der zweiten Spritzrichtung 63 und auf der gegenüberliegenden Seite der Turbinenschaufel 11 angeordnet ist ein dritter Plasmabrenner 23. Dieser dritte Plasmabrenner 23 spritzt entlang einer dritten Spritzrichtung 53 auf die Turbinenschaufel 11. Der dritte Plasmabrenner 23 ist entlang einer Rotationsachse 56 um die Rotationsrichtung 55 rotierbar.Approximately at the height of the intersection of the first injection direction 67th with the second injection direction 63 and on the opposite Side of the turbine blade 11 is arranged a third Plasma torch 23. This third plasma torch 23 injects along a third spraying direction 53 onto the turbine blade 11. The third plasma torch 23 is along a Rotation axis 56 rotatable about the rotational direction 55.

    Vor der Beschichtung der Turbinenschaufel 11 mit einer aus einem Beschichtungsmaterial bestehenden Beschichtung 81, vorzugsweise eine MCrAlX-Oxidations-Korrosions-Schutzschicht, wird die Turbinenschaufel 11 aufgeheizt. Dies geschieht in besonders gleichmäßiger Weise durch alle drei Plasmabrenner 19, 21, 23 gleichzeitig. Nach Erreichen der gewünschten Temperatur wird das Beschichtungsmaterial aufgebracht, wobei, wie beschrieben, der erste Plasmabrenner 19 und der zweite Plasmabrenner 21 der Beschichtung der Plattformen 31, 35 dienen, während über den dritten Plasmabrenner 23 eine Beschichtung des Schaufelblatts 33 vorgenommen wird.Before coating the turbine blade 11 with a Coating 81, preferably an MCrAlX oxidation corrosion protection layer, the turbine blade 11 is heated. This happens in particularly uniform way through all three plasma torches 19, 21, 23 at the same time. After reaching the desired temperature the coating material is applied, wherein as described, the first plasma torch 19 and the second Plasma torches 21 serve the coating of the platforms 31, 35, while on the third plasma torch 23, a coating of the blade 33 is made.

    Der Schaufelmanipulator 13 ist entlang der Axialrichtung 41 bewegbar, wobei sich der Brennermanipulator 17 synchron dazu mitbewegen kann, damit von dem Brenner 23 immer der gleiche Radius auf der Turbinenschaufel 11 beschichtet wird. Die Brenner 19, 21 sind von dieser Synchronbewegung abgekoppelt.The blade manipulator 13 is along the axial direction 41 movable, wherein the burner manipulator 17 synchronized can move so that from the burner 23 always the same Radius on the turbine blade 11 is coated. The Burner 19, 21 are decoupled from this synchronous movement.

    Figur 3 zeigt eine Modifikation der Beschichtungsvorrichtung 1 aus Figur 2, wobei diese Modifikation den dritten Plasmabrenner 23 betrifft. Dieser ist nunmehr auch in einer Richtung 51 senkrecht zur Ebene E beweglich, die durch die Schaufelachse 9 und die dritte Spritzrichtung 53 festgelegt ist. Weiterhin ist der dritte Plasmabrenner 23 auch in seinem Abstand zur Turbinenschaufel 11 über eine Beweglichkeit entlang der dritten Spritzrichtung 53 beweglich angeordnet. Während die Rotationsachse 56 des dritten Plasmabrenners 23 gemäß der Anordnung in Figur 2 parallel zur Schaufelachse 9 ausgerichtet war, ist sie nunmehr entlang der Spritzrichtung 53 und somit senkrecht zur Schaufelachse 9 gerichtet. Die Rotationsachse 56 liegt in der Ebene E. Wie auch schon in Figur 2 liegen auch die Rotationsachsen 56 und 62 des ersten Plasmabrenners 19 und des zweiten Plasmabrenners 21 in der Ebene E, die auch gleichzeitig von der ersten Spritzrichtung 67 mit der Schaufelachse 9 und der zweiten Spritzrichtung 63 mit der Schaufelachse 9 aufgespannt wird.FIG. 3 shows a modification of the coating device 1 of Figure 2, this modification the third plasma torch 23 concerns. This is now in one direction 51 perpendicular to the plane E movable through the blade axis 9 and the third injection direction 53 is fixed. Furthermore, the third plasma torch 23 is also in its distance to the turbine blade 11 via a mobility along the third injection direction 53 movably arranged. While the axis of rotation 56 of the third plasma burner 23 according to the Arrangement in Figure 2 parallel to the blade axis. 9 was aligned, it is now along the spray direction 53 and thus directed perpendicular to the blade axis 9. The rotation axis 56 lies in the plane E. As in Figure 2 are also the axes of rotation 56 and 62 of the first plasma torch 19 and the second plasma torch 21 in the plane E, which also at the same time from the first injection direction 67 with the blade axis 9 and the second injection direction 63 with the Bucket axis 9 is clamped.

    Als weitere Modifikation zeigt Figur 4 eine gemeinsame Beweglichkeit des ersten Plasmabrenners 19 und des zweiten Plasmabrenners 21 mittels einer Antriebseinheit 71, die einen Träger 72 für den ersten und zweiten Plasmabrenner 19, 21 parallel zur Schaufelachse 9 bewegt. Hierzu wird eine Kette 73 parallel zur Schaufelachse 9 bewegt.As a further modification, FIG. 4 shows a joint mobility the first plasma torch 19 and the second plasma torch 21 by means of a drive unit 71, the one Carrier 72 for the first and second plasma torch 19, 21 in parallel moved to the blade axis 9. For this purpose, a chain 73 moved parallel to the blade axis 9.

    Claims (15)

    1. Process for the plasma coating of a turbine blade or vane (11) which is oriented along a blade or vane axis (9), in which at least three plasma torches (19, 21, 23) for thermal plasma spraying are used simultaneously, characterized in that at least three plasma torches (19, 21, 23) are used, in that at least two of the plasma torches (19, 21, 23) are actuated independently of one another, and in that different surface regions of the turbine blade (11) are coated by at least two plasma torches (19, 21, 23).
    2. Process according to Claim 1, in which one of the plasma torches (19, 21, 23) is used to heat the turbine blade or vane (11).
    3. Process according to Claim 1, in which the turbine blade or vane (11) is rotated along the blade or vane axis (9).
    4. Process according to Claim 3, in which a first one of the torches (19) sprays onto the turbine blade or vane (11) in a first spraying direction (67) and is rotated about a first axis of rotation (66), which is oriented perpendicular to this first spraying direction (57) and lies in a plane (E) encompassed by this first spraying direction (67) and the blade or vane axis (9).
    5. Process according to Claim 4, in which a second one of the torches (21) sprays onto the turbine blade or vane (11) in a second spraying direction (63) and is rotated about a second axis of rotation (62), which is oriented perpendicular to this second spraying direction (63) and lies in a plane (E) encompassed by this second spraying direction (63) and the blade or vane axis (9), the first spraying direction (67) and the second spraying direction (63) including an angle (α) of greater than 90° with one another.
    6. Process according to Claim 5, in which the first torch (19) and the second torch (21) are displaced jointly along the blade or vane axis (9).
    7. Process according to Claim 1, in which a third one of the torches (23) sprays onto the turbine blade or vane (11) in a third spraying direction (53) and is rotated about a third axis of rotation (56), which lies in a plane (E) encompassed by this third spraying direction (53) and the blade or vane axis (9).
    8. Process according to Claim 7, in which the third axis of rotation (56) lies parallel to the blade or vane axis (9).
    9. Process according to Claim 7, in which the third axis of rotation (56) lies perpendicular to the blade or vane axis (9).
    10. Process according to Claim 7, in which the third torch (23) is moved in a direction (51) which is perpendicular to the plane (E).
    11. Process according to Claim 7, in which the third torch (23) is moved along the third spraying direction (53).
    12. Process according to Claim 7, in which the third torch (23) is moved parallel to the blade or vane axis (9).
    13. Process according to Claim 1, which is carried out under a vacuum.
    14. Process according to Claim 1, in which the plasma coating is used to apply a corrosion- and oxidation-resistant layer (81) of MCrALX to a base body (30), consisting of a nickel- or cobalt-base alloy, of the turbine blade or vane (11).
    15. Coating device (1) for coating a turbine blade or vane (11) by means of Process according to one of the preceding claims.
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