WO2000011234A1 - Verfahren und vorrichtung zur beschichtung von hochtemperaturbauteilen mittels plasmaspritzens - Google Patents

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WO2000011234A1
WO2000011234A1 PCT/DE1999/002381 DE9902381W WO0011234A1 WO 2000011234 A1 WO2000011234 A1 WO 2000011234A1 DE 9902381 W DE9902381 W DE 9902381W WO 0011234 A1 WO0011234 A1 WO 0011234A1
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temperature
infrared camera
temperature distribution
surface area
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PCT/DE1999/002381
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Helge Reymann
Dieter Raake
Franz Kirchner
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Siemens Aktiengesellschaft
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Definitions

  • the invention relates to a method for coating high-temperature components by means of plasma spraying, in particular 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 preamble of claim 14.
  • VPS vacuum plasma spraying
  • LPPS low pressure plasma spraying
  • atmospheric plasma spraying a method for atmospheric plasma spraying
  • a coating is produced in that a very hot plasma jet is directed onto the substrate to be coated while supplying material to be applied.
  • the coating material is usually in the form of powder or wire and is used during the
  • Metal powder and ceramic powder in a wide variety of mixtures and particle sizes can be used as long as the starting material has a defined melting point.
  • an MCrAlY layer is used to coat gas turbine blades with a hot gas corrosion layer, where M is a placeholder for the metals Ni and Co.
  • the type and quality of the layer is influenced, among other things, by the pore content, the oxide and nitride content and by its adhesion properties. In addition to the roughness of the surface, important liability mechanisms are the mutual diffusion of the different materials or chemical reactions. It is often necessary to apply an adhesion promoter layer before applying the actual protective layer, especially when different coefficients of thermal expansion have to be compensated for.
  • Non-destructive tests e.g. can be supplied by ultrasound or infrared technology. It is often disadvantageous in the case of the first-mentioned methods that the examination instruments touch the surface of the workpiece, so that the possible uses e.g. limited to certain component geometries. Furthermore, errors often occur due to surface contamination, unevenness or other surface anomalies.
  • the examination of the component consists of a large-area, averaging observation.
  • infrared technologies are based on the fact that any matter, correlated with the temperature of the component, absorbs and emits electromagnetic radiation, which is registered by infrared detectors.
  • the infrared methods can be used quickly and flexibly and can be connected to control systems without problems.
  • a device and a method for examining the thickness and the defects of the coating by means of an infrared technique is described in GB 2 220 065.
  • the coated component is illuminated by a short infrared pulse and the beam response is registered by an infrared camera.
  • the area to be examined is illuminated more homogeneously than in the method described above. It is disadvantageous, among other things, that at higher process temperatures the infrared radiation of the heated component and the flash lamp are poorly separable for a detection and evaluation provided in the measuring method.
  • control procedures outlined above, and others, are generally performed after the coating is completed. However, it is desirable to carry out online checks already during the coating in order to intervene in a controlling manner if necessary or to regulate the process on the basis of the results. In addition, an associated control and regulation of the process parameters during the
  • the surface temperature of the component to be coated is of fundamental importance for the formation of the various protective functions of the coating.
  • the MCrAlY layers mentioned above achieve their protective function, for example, through the formation of aluminum oxide or chromium oxide layers. This in particular prevents an oxidation attack in the base material.
  • the oxide layers are designed differently depending on the surface temperature of the component. According to the latest results, the surface temperature of the substrate and the temperature gradient on the component surface are of increasing importance for the adhesion of various metal-ceramic layers in the plasma spraying process (see, for example, Proc. Int. Therm. Spr. Conf. 1998, Nice, France, p. 1555 ff.).
  • pyrometers are often used to measure the temperature at a freely definable point on the surface of the component.
  • these only provide point measurements and there is a risk that the pyrometric temperature measurement will be carried out at different locations on the blade surface if the blade moves during the process control.
  • the temperature measured in this way is therefore subject to large, incalculable fluctuations.
  • the object is achieved by a method according to claim 1 / an apparatus according to claim 14.
  • an infrared camera By measuring the heat distribution of a surface area of the component using an infrared camera in the sense of the present invention, a flat overview of the component surface is possible in real time.
  • a measurement of the heat radiation with an infrared camera is already used, for example, in the above-mentioned known method according to US Pat. No. 5,047,612 for checking the powder application during the plasma coating.
  • the determination of the exact absolute temperature distribution of the entire component surface or of selected, predetermined sections of the component surface is carried out precisely and as a function of time.
  • An infrared camera according to the invention 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 temperature distribution is determined from the heat distribution by comparing the thermal radiation of the component surface measured with the infrared camera with the radiation reference means. What is essential for the present invention is an adjustment of the heat distribution or the temperature distribution determined therefrom by measuring the heat distribution or the temperature distribution by means of an adjustable method parameter. By setting the process parameter, the surface temperature is corrected for its absolute size in order to reach a threshold temperature.
  • the radiation reference means is brought to a temperature which can be set as required by a heater and which is precisely determined by a temperature control element.
  • the thermal images of the radiation reference means recorded with the camera can be easily, e.g. by
  • color comparisons can be made "by eye" with a high sensitivity.
  • a simple, quick and reliable check criterion for exceeding or falling below the threshold temperature is already provided by a visual comparison of the heat radiation recordings of the component and the radiation reference element .
  • an evaluation using EDP can also be used sensibly, e.g. an electronic color value or intensity comparison.
  • the process offers reproducible results and ensures exact and variable control of the adhesion properties of the layer to be applied even during the coating process. Due to the clarity, the temperatures can even be set by hand while maintaining accuracy and reproducibility. The large spatial accuracy or the very good resolution has an advantageous effect, particularly in the case of complex surface areas to be coated.
  • the process parameter to set a temperature distribution in the surface area of the component at which predetermined temperature differences and / or temperature gradients are not exceeded.
  • Inhomogeneities in the temperature distribution in particular strong local fluctuations, that is to say large temperature gradients, can lead to reduced adhesion of the coating despite a generally very high average temperature.
  • Temperature gradients can e.g. due to uneven heating or changing component properties, such as different thicknesses of the material.
  • the detection of the heat radiation by means of an infrared camera can also make temporal fluctuations in the temperature distribution, which result, for example, from fluctuations in the output of the heating source, visible, in situ and with the highest temporal resolution, e.g. 10-50 frames / sec.
  • the parameter is advantageously set on the basis of empirical values or measured values and by coordination with the measured, time-dependent temperature distribution.
  • the threshold temperature is advantageously set with a view to optimum adhesion of the coating to the component and / or the temperature differences and / or temperature gradients are permitted for the same purpose only within predetermined limits.
  • Different materials in particular material combinations of layer material and substrate material, make it necessary to reach different threshold temperatures when adjusting the temperature distribution of the surface areas of the components, which is possible by changing the setting of the process parameter.
  • a flexible, quick and precise setting of the threshold temperature can be achieved as required by setting the parameter m as a function of the measured temperature distribution.
  • By controlling the process parameter it is possible to react individually to the temperature fluctuations and the limits of temperature differences necessary for the adhesion of the coating can be observed.
  • component and material characteristic parameters for process control and control by hand or by means of EDP support.
  • the influence of different material thicknesses for example due to the changes in the thermal conductivity of the components, can also be taken into account.
  • the threshold temperatures and thus the coating temperatures can be adapted quickly and individually by stored, material-specific parameters of the process parameters.
  • a predetermined threshold temperature be set in each case on several areas of the surface of the component. Especially in areas of the component that are particularly stressed in later use, for example exposed to the hottest and strongest currents and mechanical loads Parts of gas turbines need to ensure optimal adhesion to ensure functionality.
  • the present invention always makes it possible to meet these requirements as required.
  • a jet used to heat the component can be guided over certain, faster cooling points, as required.
  • a simultaneous control is given by observation and control with the infrared camera practically at any time.
  • the process parameter is regulated by comparing the temperature distribution of the surface area of the component with a target temperature distribution. If certain temperature distributions have proven to be particularly advantageous during test measurements and test runs, but also during the actual coating, it is desirable to be able to use this for subsequent coatings. A constant temperature distribution with temperatures higher than the threshold temperature may also have proven to be useful. The temperature distribution is then set in the sense of this constant temperature for the entire surface. This can be done quickly by hand. The setting of a temperature distribution can also be done by using stored and checked variables of the process parameter in a control loop after comparison with the temperature distribution of the component surface supplied by the infrared camera.
  • the component is advantageously preheated and / or heated with a plasma jet during plasma spraying, and a parameter of the plasma jet is set as a process parameter.
  • the adhesion of the layer to the base material is positively influenced by a high preheating temperature.
  • the preheating temperature is decisive for the adhesion of not only the first, but also all later layers applied to it, since these can only adhere as well as the first.
  • a temperature comparable to the preheating temperature The temperature should also be maintained during plasma spraying and can advantageously be achieved by heating with the plasma jet. Heating with the plasma jet, for example, compared with a differential resistance heater, ensures that essentially the outer layers important for the coating are warmed up.
  • the component material which may not be able to withstand the high temperatures for a long time, is only minimally damaged.
  • the surface can be cleaned with the plasma jet under certain polarity of the component, which is explained in more detail below, which in turn improves the adhesion.
  • it can easily happen that there are stronger gradients in the temperature distribution which counteract good adhesion.
  • it is therefore advantageous to have the entire component in view by using the infrared camera and to be able to regulate the process parameters accordingly.
  • the two processes of heating and coating which often overlap in an uncontrollable manner during the plasma coating process, can be monitored and regulated separately from one another by the method presented.
  • the power of the plasma jet can be regulated as required by setting its process parameters. This enables a quick reaction to the temperature distribution results obtained from the infrared camera. With the same travel path or the same scanning method of the beam on the component surface, good reproducibility of the method can be ensured by storing and evaluating the data for the plasma beam. This ensures better quality of the layers and increased productivity.
  • Beam source of the plasma beam can be set. This size can be controlled with little effort and enables precise Adjustment 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 be changed relative to the plasma jet, and the temperature distribution of the surface area of the component can be determined in different relative positions to the plasma jet. In this way it is possible to carry out an individual check of the various surface areas of the component 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. In order to achieve a benefit 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 parameter for each component in the series.
  • the component can be rotated with the optimal alignment of the axis of rotation of the component to the infrared camera.
  • This control function can take the form of short-term measurements, i.e. be carried out separately for each surface area taking into account the rotational speed.
  • the spatial resolution is very precise.
  • the process parameters can be adjusted to suit the surface conditions in order to reach the threshold temperature.
  • the present plasma spraying device preferably comprises a holding device for the continuous rotation of the component about its longitudinal axis.
  • This type of rotation can be carried out in a stable manner and ensures the greatest possible effectiveness with regard to the coating speed and a uniform layer application.
  • special conditions are advantageously set for the angular relationships of the axis of rotation to the plasma beam and camera alignment.
  • the solid angle in which the plasma radiation is reflected overlaps with the viewing angle of the infrared camera. This setting would result in an overexposure of the entire image essentially by the direct or reflected radiation of the plasma beam.
  • the infrared camera is therefore arranged outside the solid angle of the reflection of the plasma beam.
  • the temperature distribution of the surface area of the component is advantageously determined as a function of time and the process parameters are set in accordance with the temporal behavior of the temperature distribution.
  • the infrared camera enables the entire temperature distribution to be registered in one step.
  • the changes in position of the component relative to the plasma jet on the one hand and a process parameter for plasma spraying on the other hand can be coordinated with one another in accordance with the temperature distribution in such a way that temperature gradients of the surface of the component are reduced.
  • the process parameter can be set so that less energy is transferred per surface element. This can be done, for example, by moving the plasma jet faster relative to the component surface. The energy transfer per unit of time remains the same, but is distributed more evenly. This reduces the temperature gradients. On the other hand, too little energy transfer can also cause the surface temperature to drop too much. Then the power of the plasma jet can be increased. To achieve a high-quality surface layer, it is necessary to precisely coordinate the various positions of the component and the changes to the parameters in accordance with the temperature distribution determined.
  • the triggering is carried out with a time interval of a quarter of a revolution duration or an integer multiple thereof. This ensures that either the front or the back of the component or the sides of the component are examined.
  • the two sides can have different shapes, for example in the case of a turbine blade and material thickness of the component material and therefore store the energy input of the plasma beam to different extents. So there are different forms of temperature gradients, which may require an adjustment of the process parameter of the plasma jet.
  • the object directed to a coating device for high-temperature components by means of plasma spraying is achieved by a device according to claim 14.
  • the radiation reference means can be heated independently of the heating device for plasma spraying. This enables the material of the radiation reference means e.g. is heated completely and in particular uniformly by inductive heating or direct heating, for example resistance heating. This provides an important prerequisite for a correct, surface-independent comparison of the temperatures of the reference agent and the component to be coated.
  • the temperature of the radiation reference means can advantageously be measured with a thermocouple.
  • measured values are obtained that are independent of surface properties.
  • the measurement with the thermocouple or another independent temperature measuring element provides reliable values of the absolute temperature after calibration, which can be used for a comparison with the results of the heat radiation measurements of the component using the infrared camera.
  • the radiation reference means be arranged in the measuring field of the camera inside the chamber next to the component to be coated.
  • This enables simultaneous detection of the radiation reference means and the component to be coated by the infrared camera.
  • This can be particularly advantageous in the case of rapidly changing radiation conditions and reflections, which can influence nisse.
  • Acquisition in the same measuring field enables measurement under the same ambient conditions, which is particularly advantageous in the case of rotated or displaced components, because of the rapidly changing visible surfaces.
  • the ambient conditions are also significantly influenced by soiling from the coating material on the observation window or by the infrared components in the radiation of the plasma beam. It is therefore particularly advantageous to ensure that the measurement results are unadulterated by placing the radiation reference means inside the coating chamber.
  • the camera is arranged and designed in such a way that at least the entire surface of a turbo shop facing it can be detected.
  • a turbo shop facing it can be detected.
  • the particular arrangement of the camera of the present invention enables this without problems. It is particularly advantageous here that the temperature distributions of edge regions or regions with small radii of curvature, such as those that occur in turbine blades in the region of the blade ends, are easy to carry out and regulate. This is important because additional strong mechanical and thermal loads act on the coating in use compared to flat surface areas.
  • the infrared camera is attached to one end of an outwardly projecting nozzle of the coating chamber.
  • a glass window attached to the end of the nozzle and providing an insight into the coating chamber, which is provided with a seal to ensure a good vacuum, is very little contaminated by process dust in this way.
  • the proposed device reduces the frequency for maintenance and cleaning of the equipment. It is beneficial for infrared camera recordings if the nozzle has a conical see shape with a wide, free opening angle area. This shape is then adapted to the field of view of the infrared camera 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 to the infrared radiation range in which a large proportion of the radiation from the component surface is emitted.
  • This area of the radiation can be distinguished sufficiently well from the overlapping, broadband infrared portion of the plasma beam.
  • the investigated wavelength range of 2-5 ⁇ m is far from the maximum of the temperature radiation of the plasma beam and has a lower intensity in comparison to the other radiation regions of the plasma beam. This is particularly important in the present online controls of the coating in order to obtain an unadulterated, well-resolved and unambiguous representation of the temperature distribution of the surface of the component.
  • the glass window advantageously consists of sapphire glass.
  • This type of glass which contains AI 2 O, has optimal transmission properties in the desired area.
  • the glass is commercially available and can be functionally adapted to the device according to the invention.
  • FIG. 1 schematically shows a device for coating by means of plasma spraying with a coating chamber and infrared camera
  • 2a shows a simplified, graphic representation of a recording of a heat distribution with an infrared camera
  • 2b shows a simplified, graphic representation of a temperature distribution, determined from a heat distribution
  • FIG. 5 shows a representation to explain a triggered recording sequence of the infrared camera with a rotating component.
  • FIG. 1 shows schematically and not to scale a basic structure of a coating device 1 for carrying out a plasma spraying process.
  • the coating device 1 has a coating chamber 17 with a suction nozzle 18 which is connected to a vacuum device, not shown.
  • a plasma spray device 16 is arranged within the coating chamber 17.
  • the plasma jet 12 generated by the plasma spray device 16 is directed onto a component 10 to be coated which is arranged in the coating chamber 17.
  • the schematic structure of the plasma spray device 16 is shown in FIG. 4.
  • the plasma jet 12 enables both the heating of the component 10 and a coating with a powder load 95.
  • the components 10 to be coated are essentially high-temperature components for the use of gas turbines, for example turbine blades or combustion chamber linings.
  • the complex geometries as shown here by way of example, result in inhomogeneities in the heating and thus in the heat radiation distribution 30 of surface areas 40 of a component 10 to be coated.
  • a moving device for two perpendicular directions 101 or a rotating device 100 enables all those to be coated to be reached Surface areas 40 of the component 10, so that the plasma jet 12 does not have to be deflected over wide surface areas 40.
  • Each surface area 40 of the component 10, including the narrow sides can be quickly approached by rotating or moving in directions perpendicular to one another.
  • the position of the plasma jet 12 relative to the component surface 40 can be changed by moving the position of the plasma spray device 16.
  • the beam cone can also cover the entire, facing surface of the component 10.
  • An example of a picture 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 is attached to the coating chamber 17.
  • the nozzle 11 prevents the glass window 19 and thus the view of the infrared camera 20 from being heavily contaminated by process dust.
  • the angle of the viewing area 29 of the infrared camera 20 and the opening angle of the conically shaped nozzle 11 are matched to one another.
  • the infrared camera 20 is arranged on the coating chamber 17 in such a way that reflections of the radiation from the plasma beam 12 on the component surface do not capture the infrared camera 20. It must also be ensured that a complete image of the heat radiation distribution 30 of the component 10 m in all positions can be determined with the infrared camera 20. For this purpose, an angle adjustment is to be carried out so that the component 10 is always in the viewing area 29 of the infrared camera 20 and at the same time the solid angle swept by the viewing area 29 of the infrared camera 20 is preferably outside the solid angle of the reflection of the plasma beam 12.
  • a radiation reference means 60 is arranged next to the component 10 to be coated.
  • both the component 10 and the radiation reference means 60 are located in the viewing area 29 of the infrared camera 20 at the same time, 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 TR 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 heat radiation distribution 30 of the surface area 40 and the radiation reference means 60 recorded by the infrared camera 20 and the temperature TR 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 feeds this to the control device 32.
  • the control device 32 determines, depending on zugebowter Sollemperaturverotti T as n (x, y)
  • the infrared camera 20 can, for example, also have an internal radiation reference means, that is to say inside the infrared camera 20, with which a temperature determination and assignment can also be carried out.
  • the temperature determination by means of a radiation reference means 60 within the coating chamber 17 is preferable, because measurement errors that arise due to the plasma sputtering process are present at the same time with a simultaneous recording 25 of the component 10 and the radiation reference means 60 m and can thus be neglected or averaged out time-dependent increase in the degree of contamination of the glass window 19 caused by process dust.
  • 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 on the surface area 40 is brought to a predetermined preheating temperature, the threshold temperature T s , 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.
  • a plurality of 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 the method presented p sets the method parameter p of the plasma spraying process in accordance with the determined temperature distribution 70. It is also an attitude a target temperature distribution Tsoll (x, y) is possible, which can be obtained, for example, from material and component-specific measured values.
  • FIG. 2a shows a schematic drawing of a recording 25 of a heat radiation distribution 30 of a surface area 40 of a heated component 10 and of a radiation reference means 60, which was determined with an infrared camera 20.
  • the differently hatched areas indicate different levels of 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 1 -T 2 and temperature gradients T as low as possible should preferably be maintained.
  • This setting can be made by hand or with an electronic regulating 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 then 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 coefficients of thermal expansion are the
  • FIG. 4 schematically shows a plasma beam source 13, a
  • Conversion device 31 for converting the thermal radiation distribution 30 of the component 10 registered by the infrared camera 20 to the temperature distribution 70 and a control device 32 for setting up the plasma beam source 13 are represented by 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 - negatively polarized cathode 8 and positively polarized anode 9 - with a high voltage u and a working gas as atmosphere. Due to high wall temperatures (approx. 3000K) at cathode 8, thermal field emission of electrons sets in. The plasma electrons are accelerated in the direction of the anode 9 by the E field.
  • the working gas is heated by the arc discharge and ionized by the impact of atoms which are more than the free ion-neutral particle exchange distance from the cathode 8.
  • a local arc discharge 12 'with the arc current i occurs within the electrode nozzle.
  • the plasma jet 12 is de-energized. This plasma jet 12 is used for coating while supplying powder load 95 to be applied. A reduction in the supplied plasma gas flow f leads to an increase in the temperature of the plasma while the electrical power supplied remains the same.
  • the stability of the arc discharge 12 'affects the entire plasma spraying process. Fluctuations in the plasma generation have a direct effect on the condition of the outflowing plasma jet 12, and thus, inter alia, also to the temperature distribution 70 of the surface area 40 of the component 10 to be coated.
  • the process parameter p which is changed in the process for setting the desired temperature distribution in accordance with the determined temperature distribution 70, is, as shown above, preferably the arc current i of the arc discharge. This can be done with not very complex circuit keep constant.
  • the variables responsible for a good coating quality, such as jet temperature, intensity, and homogeneity, as well as melting of the powder load 95 to be applied, depend, however, in a complex manner on the various other process parameters p required for setting the plasma jet 12.
  • the voltage u mentioned above can be changed by changing the voltage between the electrodes or the emission of the electrons from the cathode 8 by increasing the heating power at the cathode 8.
  • the process parameters p are not final, all process parameters p that influence the temperature distribution 70 of the component 10 can be set.
  • a triggering e.g. a coordination of the recordings 25 of the infrared camera 20 with the rotation of the component 10 is shown.
  • 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 in each case n 90 ° about its axis of rotation 105.
  • the recordings 25 of the infrared camera 20 have a preferred time interval ⁇ t of integer multiples n of a quarter or eighth of the time duration t u of a complete one
  • a time-dependent setting of the process parameter p can also be useful in order to achieve a slower setting of the desired temperature distribution Tsoll (x, y), for example in order to increase the occurrence of thermal stresses avoid and not to change the surface properties of the component 10.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Beschichten von Hochtemperaturbauteilen (10) mittels Plasmaspritzens. Mit einer Infrarotkamera (20) wird die Verteilung der Wärmestrahlung (30) der Bauteiloberfläche (40) ermittelt und daraus die Temperaturverteilung (70) bestimmt, nach deren Maßgabe ein Verfahrensparameter (p) zur Erreichung einer Schwellentemperatur (Ts) eingestellt wird. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Beschichtungsvorrichtung zur Herstellung einer Beschichtung (15) unter Kontrolle der Oberflächentemperatur durch eine Infrarotkamera (20).

Description

Beschreibung
Verfahren und Vorrichtung zur Beschichtung von Hochtemperaturbauteilen mittels Plasmaspritzens
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 Beschichtungsvor- richtung mit einer Infrarotkamera, nach dem Oberbegriff von Anspruch 14.
Das Plasmaspritzen hat neben anderen thermischen Beschich- tungsverfahren 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 da- bei 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 Me- tallpulver 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 Haftungsei- genschaften 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 Tem- peratur 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 Beschich- tungskammer 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 beschich- tete 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 In- frarotstrahlung 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 wer- den 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 Be- Schichtung durch eine Regelung des Pulverstromes und des Trägergases des Pulvers beeinflußt. Nachteilig ist dabei, daß die Einstellung von Prozeßparametern im wesentlichen für je- des Bauteil unabhängig erfolgt. Die Steuerung der Pulververteilung bietet daruberhinaus für sich genommen keine ausreichende Bedingung für eine den Betriebsanforderungen genugende, 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 Oxidationsan- griff im Grundwerkstoff verhindert. Die Oxidschichten werden je nach Oberflachentemperatur des Bauteils unterschiedlich ausgebildet. Für die Anhaftung verschiedener Metall-Keramik- Schichten im Plasmaspritzprozeß kommt ebenfalls nach neuesten Ergebnissen der Oberflachentemperatur des Substrats und dem Temperaturgradienten auf der Bauteiloberflache 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 wahrend 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 wahrend des Beschichtungsverfahrens beobachtet und eingestellt werden kann. Die Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1 / eine Vorrichtung nach Anspruch 14 gelost.
Durch die Messung der Warmeverteilung eines Oberflachenbe- reichs des Bauteils mittels einer Infrarotkamera im Sinne der vorliegenden Erfindung ist ein flachenhafter Überblick über die Bauteiloberflache 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 wahrend der Plas- mabeschichtung benutzt. Demgegenüber wird in der vorliegenden Erfindung die Bestimmung der exakten absoluten Temperaturverteilung der gesamten Bauteiloberflache oder ausgewählter, vorbestimmter Abschnitte der Bauteiloberflache genau und in Abhängigkeit von der Zeit durchgeführt. Eine erfindungsgemaße Infrarotkamera entspricht einem lnfrarotempfindlichen CCD- Feld mit Optiken zur Abbildung des Bauteils auf dem CCD-Feld und intensitats- bzw. frequenzabhangigen Auswerteeinrichtungen. Die Bestimmung der Temperaturverteilung aus der Warme- Verteilung geschieht dadurch, daß die mit der Infrarotkamera gemessene Wärmestrahlung der Bauteiloberflache mit dem Strah- lungs-Referenzmittel verglichen wird. Wesentlich für die vorliegende Erfindung ist eine mit der Messung der Warmeverteilung bzw. der Temperaturverteilung verbundene Einstellung der Warmeverteilung bzw. der daraus bestimmten Temperaturverteilung mittels eines einstellbaren Verfahrensparameters. Durch die Einstellung des Verfahrensparameters wird eine Korrektur der Oberflächentemperatur hinsichtlich ihrer absoluten Große 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 Warmebildern des Strahlungs-Refe- renzmittels lassen sich auf einfache Weise, wie z.B. durch
Farbvergleiche oder beispielsweise bei vorgeschaltetem Strahlungsfilter durch Intensitatsvergleiche absolute Temperatur- werte zuordnen und auf das Warmebild des Bauteils übertragen. Die Oberflachentemperatur des Bauteils wird dann durch Einstellung des Verfahrensparameters angepaßt und unter Berücksichtigung der speziellen Eigenschaften des jeweils vorliegenden Oberflachenbereichs 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 An- haftung erreicht.
Generell können Farbvergleiche "per Auge" mit einer hohen Empfindlichkeit vorgenommen werden. Beispielsweise ist durch Einstellung einer vorbestimmten Temperatur des Strahlungs-Re- ferenzmittels nahe der einzustellenden Schwellentemperatur ein einfaches, schnell und sicher zu kontrollierendes Kriterium für ein Über- oder Unterschreiten der Schwellentemperatur bereits durch einen Sichtvergleich der Warmestrahlungs- aufnahmen des Bauteils und des Strahlungs-Referenzelements gegeben. Es ist jedoch auch eine Auswertung mittels EDV sinn- voll einsetzbar, z.B. ein elektronischer Farbwert- oder Intensitätsvergleich.
Das Verfahren bietet reproduzierbare Ergebnisse und gewahrleistet bereits wahrend des Beschichtungsvorganges eine ex- akte 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 Oberfla- chenbereichen wirkt sich die große raumliche Genauigkeit bzw. die sehr gute Auflosung gunstig aus.
Bei der Herstellung größerer Stuckzahlen von Beschichtungen für Bauteile ist durch Einstellung eines geprüften Verfah- rensparameters eine Erhöhung der Reproduzierbarkeit der Be- schichtungsergebnisse, 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. Tempera- turgradienten 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 Temperaturve'rteilung 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 Mateπalkombma- tionen aus Schichtmaterial und Substratmaterial machen es bei der Einstellung der Temperaturverteilung der Oberflachenbereiche 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 m 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-Unterstutzung bauteil- und ma- terialcharakteristische Parameter heranzuziehen. Hierdurch kann auch der Einfluß unterschiedlicher Materialstarken bei- spielsweise aufgrund der Veränderungen m der Wärmeleitfähigkeit der Bauteile berücksichtigt werden. Bei der Auftragung mehrfacher, auch unterschiedlicher Beschichtungen eines Bauteils können die Schwellentemperaturen und damit die Be- schichtungstemperaturen durch gespeicherte, matenalspezifI- sehe Großen der Verfahrensparameter schnell und individuell angepaßt werden.
Es wird vorgeschlagen, daß an mehreren Bereichen der Oberflache des Bauteils jeweils eine vorbestimmte Schwellentempera- tur eingestellt wird. Gerade an im spateren 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 Funktionalitat zu gewahrleisten. 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 gefuhrt werden. Eine gleichzeitige Kontrolle ist durch die Beobachtung und Steuerung mit der Infrarotkamera praktisch zu jedem Zeitpunkt gegeben.
Es ist vorteilhaft, wenn der Verf hrensparameter durch Vergleich der Temperaturverteilung des Oberflachenbereichs des Bauteils mit einer Solltemperaturverteilung geregelt wird. Wenn sich gewisse Temperaturverteilungen bei Testmessungen und Probelaufen, aber auch wahrend 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 großer als die Schwellentemperatur als sinn- voll herausgestellt haben. Die Temperaturverteilung wird dann im Sinn dieser konstanten Temperatur für die gesamte Oberflache eingestellt. Dies kann von Hand schnell durchgeführt werden. Die Einstellung einer Temperaturverteilung kann weiterhin durch Benutzung in einem Regelkreis gespeicherter und überprufter Größen des Verfahrensparameters nach Vergleich mit der von der Infrarotkamera gelieferten Temperaturverteilung der Bauteiloberfläche geschehen.
Das Bauteil wird vorteilhafterweise vorgewärmt und/oder wah- rend 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 Vorwarmtemperatur positiv beeinflußt. Die Vorwarmtemperatur ist entscheidend für die Haftung nicht nur der ersten, sondern auch aller spater wiederum darauf aufgebrachten Schichten, da diese nur so gut haften können wie die erste. Eine der Vorwarmtemperatur vergleichbare Tem- peratur sollte auch wahrend des Plasmaspritzens eingehalten werden und ist vorteilhafterweise durch Beheizen mit dem Plasmastrahl zu erreichen. Eine Aufheizung mit dem Plasmastrahl gewährleistet beispielsweise gegenüber einer mduk- tiven 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 geschadigt. Gleichzeitig kann die Oberflache mit dem Plas- mastrahl unter bestimmter, weiter unten naher 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 Vorwarmung 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.
Daruberhmaus können die beiden Vorgange 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 Ein- Stellung seiner Verfahrensparameter bedarfsgerecht geregelt werden. Dies ermöglicht eine schnelle Reaktion auf die von der Infrarotkamera erhaltenen Ergebnisse bezüglich der Tempe- raturverteilung. Bei gleichem Fahrweg bzw. gleichem Abraste- rungsverfahren des Strahls auf der Bauteiloberflache 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 Große ist mit geringem Aufwand zu steuern und ermöglicht genaue Abstimmungen des Energieeintrags des Plasmastrahls in die Oberflache 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 Oberflachenbereichs des Bauteils in unterschiedlichen Relativstellungen zum Plasmastrahl erfolgen. Auf diese Weise ist es möglich, eine individuelle Kontrolle der verschiedenen Oberflachenbereiche des Bauteils vorzunehmen, ohne das Bauteil ausbauen zu müssen. Die verschiedenen Bauteilstellungen können gespeichert werden. Dies ermöglicht eine reproduzierbare Zuordnung der Bauteilstellung zu einer Große 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 Oberflache des Bauteils vollständig und gleichmaßig beschichtet werden und gleichzeitig die Kon- trolle der Oberflächentemperaturverteilung mittels der Infrarotkamera vorgenommen werden. Diese Kontrollfunktion kann in Form von Kurzzeitmessungen, d.h. für jeden Oberflachenbereich gesondert unter Berücksichtigung der Rotationsgeschwindigkeit vorgenommen werden. Die Ortsauflösung ist dabei sehr genau. Es kann eine den Oberflachengegebenheiten 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 Langsachse. Diese Art der Rotation ist stabil durchfuhrbar und gewahrleistet größtmögliche Effektivität im Hinblick auf die Beschichtungsgeschwindigkeit und einen gleichmaßigen Schichtauftrag. Um gleichzeitig mit einem guten Schichtauftrag auch eine optimale Messung der Temperaturverteilung der Bauteiloberflache zu gewahrleisten, werden vorteilhafterweise spezielle Bedingungen für die Winkelverhalt- nisse 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 Uberstrahlung 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 standige Überwachung der Entwicklung der Schichtqualitat 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 Stellungsveranderungen des Bauteils relativ zum Plasmastrahl einerseits und ein Verfahrensparameter des Plasmaspritzens andererseits können nach Maßgabe der Temperaturverteilung so aufeinander abgestimmt werden, daß Temperaturgra- dienten der Oberflache des Bauteils verringert werden. Man kann den Verfahrensparameter beispielsweise so einstellen, daß weniger Energie pro Flachenelement übertragen wird. Dies kann z.B. durch schnelleres Verfahren des Plasmastrahls relativ zur Bauteiloberflache geschehen. Der Energieubertrag pro Zeiteinheit bleibt gleich, wird jedoch gleichmaßiger verteilt. Dies verringert die Temperaturgradienten. Andererseits kann ein zu geringer Energieubertrag auch dazu fuhren, daß die Oberflachentemperatur zu stark absinkt. Dann kann die Leistung des Plasmastrahls erhöht werden. Zur Erreichung ei- ner qualitativ hochwertigen Oberflachenschicht 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 Zustanden ist eine genaue Messung des zeitlichen Temperaturverhaltens der
Oberflächentemperaturen vorzunehmen und anhand der Ergebnisse mit dem Verfahrensparameter einzuregeln. Andernfalls waren Fehlerquellen bei der Temperaturbestimmung und -regelung durch die Verschiebung des betrachteten Oberflachenbereichs nicht auszuschließen.
Die Triggerung wird mit einem zeitlichen Abstand einer viertel Umdrehungsdauer oder einem ganzzahligen Vielfachen davon durchgeführt. Auf diese Weise ist sichergestellt, daß entwe- der die Vorderseite oder die Ruckseite des Bauteils oder die Seiten des Bauteils untersucht werden. Die beiden Seiten können, z.B. bei einer Turbinenschaufel, unterschiedliche Formen und Materialstarken 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 gelost.
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 gleichmaßig aufgeheizt wird. Dies liefert eine wichtige Voraussetzung für einen korrekten, oberflachenunabhangigen 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 erhalt man von Oberflacheneigenschaften 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 Strahlungsverhaltnissen und Reflexionen, die die Meßergebnis- nisse 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 an- dernden sichtbaren Oberflachen. Die Umgebungsbedingungen werden wesentlich auch durch Verschmutzungen durch Beschich- tungsmaterial am Beobachtungsfenster oder durch die Infrarotanteile m 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 Oberflache einer Turbmen- schaufei erfaßbar ist. Insbesondere wenn aufgrund starker Unterschiede der Bauteileigenschaften beispielsweise der Bau- teilmateπaldicke, große Temperaturgradienten zu erwarten sind, ist es vorteilhaft, die gesamte Oberflache 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 Temperaturvert«eιlungen von Randbereichen bzw. Bereichen mit kleinen Krümmungsradien, wie sie bei Turbinen- schaufein im Bereich der Schaufelenden auftreten. Dies ist deshalb wichtig, weil dort auf die Beschichtung im Einsatz im Vergleich zu ebenen Oberflachenbereichen zusätzliche starke mechanische und thermische Belastungen wirken.
Die Infrarotkamera ist an einem Ende eines nach außen vor- springenden Stutzens der Beschichtungskammer angebracht. Ein am Ende des Stutzens angebrachtes, einen Einblick m die Beschichtungskammer ermöglichendes Glasfenster, das mit einer Dichtung zur Gewahrleistung eines guten Vakuums versehen ist, wird auf diese Weise sehr wenig von Prozeßstauben verunrei- nigt. Die vorgeschlagene Vorrichtung verringert die Frequenz für Wartungen und Reinigungen der Apparatur. Gunstig für die Infrarotkameraaufnahmen ist es, wenn der Stutzen eine koni- sehe Form mit einem weiten, freien Offnungswmkelbereich besitzt. Diese Form ist dann dem Sichtbereich der Infrarotkamera angepaßt und ermöglicht optimale Aufnahmen des Bauteils.
Vorteilhafterweise besteht das Glasfenster aus einem Spezial- glas mit einer dem Meßbereich der Kamera angepaßten Transmission für Wellenlangen zwischen 2-5 μm. Dieser Meßbereich entspricht demjenigen Infrarotstrahlungsbereich, m welchem ein großer Anteil der Strahlung der Bauteiloberflache ausgesandt wird. Dieser Bereich der Strahlung ist ausreichend gut von dem sich überlagernden, breitbandigen Infrarotanteil des Plasmastrahls unterscheidbar. Der untersuchte Wellenlangenbe- reich 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 Tempe- raturverteilung der Oberflache des Bauteils zu erhalten.
Vorteilhafterweise besteht das Glasfenster aus Saphirglas. Diese Glassorte, die AI2O enthalt, besitzt optimale Trans- missionseigenschaften in dem gewünschten Bereich. Das Glas ist kommerziell erhaltlich und kann der erfmdungsgemaßen Einrichtung funktioneil angepaßt werden.
Anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausfuhrungsbeispiele werden das Verfahren und die Vorrichtung zur Beschichtung von Hochtemperaturbauteilen naher erläutert. Es zeigen:
FIG 1 schematisch eine Vorrichtung zum Beschichten mittels Plasmaspritzens mit Beschichtungskammer und Infrarotka era,
FIG 2a eine vereinfachte, graphische Darstellung einer Aufnahme einer Warmeverteilung mit einer Infrarotkamera, FIG 2b eine vereinfachte, graphische Darstellung einer Temperaturverteilung, ermittelt aus einer Warmeverteilung,
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 Durchfuhrung eines Plasmaspritzverfahrens dargestellt. Die Beschichtungsvorrichtung 1 weist eine Beschichtungskammer 17 mit einem Absaugstutzen 18 auf, der mit einer nicht gezeigten Vaku- umemrichtung verbunden ist. Innerhalb der Beschichtungskammer 17 ist eine Plasmaspritzeinrichtung 16 angeordnet. Der 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 m 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 Gasturbinen, beispielsweise Turbinenschaufeln oder Brennkam- merauskleidungen . Die komplexen Geometrien, wie hier beispielhaft gezeigt, bedingen Inhomogenitäten beim Beheizen und damit bei der Warmestrahlungsverteilung 30 von Oberflachenbe- reichen 40 eines zu beschichtenden Bauteils 10. Eine Verfahr- emrichtung für zwei senkrechte Richtungen 101 bzw. eine Rotationseinrichtung 100 ermöglicht das Erreichen aller zu beschichtenden Oberflachenbereiche 40 des Bauteils 10, so daß der Plasmastrahl 12 nicht über weite Oberflachenbereiche 40 abgelenkt werden muß. Jeder Oberflachenbereich 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 Bauteiloberflache 40 durch Verlagern der Position der Plasmaspritzeinrichtung 16 verändert werden. Der Strahlkegel kann auch die gesamte, zugewandte Oberflache 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 Warmestrahlungsverteilung 30 (=Warmebιld) des Oberflachenbereichs 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 Prozeßstauben stark verunreinigt wird. Der Winkel des Sichtbereichs 29 der Infrarotkamera 20 und der Offnungswinkel 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 Bauteiloberflache nicht die Infrarotkamera 20 erfassen. Es muß weiterhin sichergestellt sein, daß mit der Infrarotkamera 20 ein vollständiges Bild der Warmestrahlungsverteilung 30 des Bauteils 10 m allen Stellungen ermittelt werden kann. Hierzu ist eine Winkelabstimmung so durchzufuhren, daß das Bauteil 10 stets im Sichtbereich 29 der Infrarotkamera 20 liegt und gleichzeitig der vom Sichtbereich 29 der Infrarotkamera 20 uberstrichene Raumwinkel vorzugsweise außerhalb des Raumwinkels der Reflexion des Plasmastrahls 12 liegt. Neben dem zu beschichtenden Bauteil 10 ist ein Strahlungs-Re- ferenzmittel 60 angeordnet. Da sich sowohl das Bauteil 10 als auch das Strahlungs-Referenzmittel 60 gleichzeitig im Sicht- bereich 29 der Infrarotkamera 20 befinden, können die War- mestrahlungsverteilungen 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 Thermoele- ment 62 bestimmt. Diese Temperatur wird als Referenztemperatur TR für die Ermittlung der Temperaturen der Warmestrahlungsverteilung 30 des Oberflachenbereichs 40 des Bauteils 10 verwendet .
In Figur 1 ist der schematische Ablauf des Meß-, Wandel- und Regelvorganges für der Temperaturfuhrung des Oberflachenbereichs 40 des Bauteils 10 dargestellt. Die von der Infrarotkamera 20 aufgenommene Warmestrahlungsverteilung 30 des Ober- flachenbereichs 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 Bauteiloberflache 40 und fuhrt dies der Regeleinrichtung 32 zu. Die Regeleinrichtung 32 bestimmt j e nach zugefuhrter Sollemperaturverteilung Tson(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 Große des einstellbaren Verfahrensparameters p der Plasmaspritzeinrichtung 16.
Die Infrarotkamera 20 kann beispielsweise auch em internes, d.h. sich innerhalb der Infrarotkamera 20 befindendes Strahlungs-Referenzmittel besitzen, mit dem ebenfalls eine Tempe- raturbestimmung und -zuordung durchgeführt werden kann. Die Temperaturbestimmung durch em Strahlungs-Referenzmittels 60 innerhalb der Beschichtungskammer 17 ist jedoch vorzuziehen, weil Meßfehler, die aufgrund des Plasmaspπtzprozesses entstehen, bei einer gleichzeitigen Aufnahme 25 des Bauteils 10 und des Strahlungs-Referenzmittels 60 m 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 Prozeßstaube entstehen.
Das Glasfenster 19 enthalt vorzugsweise AI2O3. Diese Glassorte, auch Saphirglas genannt, weist gute Transmissionseigenschaften im Bereich elektromagnetischer Wellen mit Wellenlangen zwischen 2 - 5 μm auf, welcher mit dem Meßbereich der Infrarotkamera 20 übereinstimmt. Dies ist zur genauen, unterscheidenden Charakterisierung des strahlenden Oberflachenbereichs 40 des Bauteils 10 notwendig, da der Plasmastrahl 12 eine sehr breitbandige Strahlungsquelle darstellt, die sich der Strahlung des Bauteils überlagern kann, wie oben darge- stellt. 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 Hoch- temperaturbauteil 10 auf dem Oberflachenbereich 40 auf eine vorbestimmte Vorwarmtemperatur, die Schwellentemperatur Ts, gebracht, um eine bessere Haftung der aufzubringenden Beschichtung 15 zu gewährleisten. Dieses Vorwarmen bzw. Heizen wahrend des Beschichtungsprozesses geschieht vorzugsweise mit dem "reinen" Plasmastrahl 12 ohne Pulverfracht 95. Es können auch mehrere Oberflachenbereiche 40 zumindest lokal auf vorbestimmte Schwellentemperaturen Ts gebracht werden. Um eine bestimmte Schwellentemperatur Ts, eine Solltemperaturvertei- lung Tsoll(x,y) im Oberflachenbereich 40 zu erreichen, wird m dem vorgestellten Verfahren em Verfahrensparameter p des Plasmaspritzprozesses nach Maßgabe der ermittelten Tempera- turverteilung 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 naher erläutert. Bei dickeren Bauteilstellen und gut leitendem Material ist ein schnellerer Warmever- lust zu erwarten, so daß dort ein längerer Warmeeintrag, also eine von der üblichen Einstellung abweichende Parameterein- Stellung 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 Warmestrahlungsverteilung 30 eines Oberflachenbereichs 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 Warmeverteilung 30 eines Oberflächenbereichs 40 des Bauteils 10 und des Strahlungs-Re- ferenzmittels 60 mit der Infrarotkamera 20 erhalten wird. Bereiche mit Temperaturen T innerhalb vorbestimmter Grenzen T2<T<Tι sind durch Linien gleicher Temperatur Tl r i=l,2, so- genannte 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 1-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-Korro- sionsschutzschicht aufgebracht. Anschließend wird eine als Warmedammschicht dienende Y-stabilisierte Zrθ2~Schicht 15b (Zrθ2 + Y2O3) aufgebracht. Um den thermischen Belastungen in der Hochtemperaturanwendung zu widerstehen, ist eine aufgerauhte, saubere Oberflache des Bauteils 10 eine wichtige Voraussetzung. Eine Reinigung des Bauteils 10 ist durch Sputte- rung 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 Beschich- tung 15b müssen bei der Vorwarmung des Oberflachenbereichs 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 bauteilabhangig sind und insbesondere auch von der Materialkombination abhangen. Durch eine individuelle, materialspezifische Einstellung des Verfahrensparameters p kann eine angepaßte Einstellung der Oberflachentemperatur schnell und flachendeckend durchgeführt werden.
In Figur 4 ist schematisch eine Plasmastrahlquelle 13, eine
Wandlungseinrichtung 31 für die Umwandlung der von der Infrarotkamera 20 registrierten Warmestrahlungsverteilung 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-Felde- mission 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 Stoße von Atomen, die mehr als die freie Ionen-Neutralteilchen-Austauschlange von der Kathode 8 entfernt sind, ionisiert. In- nerhalb der Elektrodenduse entsteht eine lokale Bogenentladung 12' mit dem Bogenstrom i.
Außerhalb der Elektrodenduse ist der Plasmastrahl 12 stromfrei. Dieser Plasmastrahl 12 wird unter Zufuhrung von aufzu- tragender Pulverfracht 95 zur Beschichtung genutzt. Eine Verringerung des zugefuhrten Plasmagasflusses f fuhrt bei gleichbleibender eingespeister elektrischer Leistung zur Temperaturerhöhung des Plasmas. Die Stabilität der Bogenentladung 12' beeinflußt den gesamten Plasmaspritzprozeß. Fluktua- tionen bei der Plasmaerzeugung wirken sich unmittelbar auf den Zustand des abströmenden Plasmastrahls 12 aus, und damit u.a. auch auf die Temperaturverteilung 70 des Oberflachenbereichs 40 des zu beschichtenden Bauteils 10. Durch die Bewegung des Bogenfußpunkts auf der Anode 9, bei konstant gehal- tenem, 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 notig.
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 laßt sich mit nicht sehr aufwendigen Schaltun- gen konstant halten. Die für eine gute Beschichtungsqualitat erantwortlichen Großen wie Strahltemperatur, -Intensität - und homogemtat sowie AufSchmelzung der aufzutragenden Pulverfracht 95 hangen jedoch noch m 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, Tragergasfluß, Injektionsgeometrie und Spritzabstand, Stellung des Bauteils 10 und der Plasmaspritzeinrichtung 16, der Rotationsachse 105 und der Umdrehungsdauer tu des Bauteils 10 als Verfahrensparameter p m Frage. Die Aufzahlung 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. Em komplexeres Bau- teil 10 wird um seine Rotationsachse 105 jeweils n 90°-
Schritten verdreht. Dadurch ist es möglich, das Bauteil 10 von allen Seiten aufzunehmen. Die Aufnahmen 25 der Infrarotkamera 20 haben m 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 At - n tu . Bei komplexeren Bauteilen 10 ist eventuell eine andere Aufteilung beispielsweise in Achtel notwendig. Durch geeignete Einstellung eines zeitlichen Abstandes Δt der Auf- nahmen 25 werden auf diese Weise bei geeigneter Koordination m 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 Oberflachenbereichen 40 des Bauteils 10 miteinander verglichen werden. Dies ist insbesondere bei Bautei- len 10 mit stark unterschiedlichen Oberflachenbereichen 40 sinnvoll, weil damit die Einstellung des Verfahrensparameters p genauer vorgenommen werden kann.
Bei anderen Bauteilen 10 mit Oberflachenbereichen 40 mit sehr ahnlicher Geometrie ist beispielsweise jedoch auch eine Einstellung des Verfahrensparameters p durch Mittelung der Temperatur über den Umfang durch eine hohe Rotationsgeschwmdig- keit und Aufnahmen 25 mit längerer Belichtungszeit möglich. Die Temperatur ist dann em Mittelwert über die gesamte Bau- teiloberflache.
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 Oberflacheneigenschaften des Bauteils 10 nicht zu verandern.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Beschichten von Hochtemperaturbauteilen (10) mittels Plasmaspritzens, insbesondere von Gasturbmenbautei- len, wie Turbinenschaufeln oder Brennkammerauskleidungen, bei dem das Bauteil (10) beheizt wird, wobei mit einer Infrarotkamera (20) die Verteilung der Wärmestrahlung (30) eines Oberflachenbereichs (40) des Bauteils (10) ermittelt und m Abhängigkeit von dieser Verteilung (30) em Verfahrensparame- ter (p) beeinflußt wird, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a ß aus der Warmestrahlungsverteilung (30) des Oberflachenbereichs (40) des Bauteils (10) durch Vergleich mit einem Strahlungs-Referenzmittel (60) die Temperaturverteilung (70) des Oberfla- chenbereichs (40) bestimmt wird, und daß der Verfahrensparameter (p) zum Erreichen einer vorgegebenen Schwellentemperatur (Tg) im Oberflachenbereich (40) nach Maßgabe der Tempera- turverteilung (70) eingestellt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a ß mit dem Verfahrensparameter (p) eine Temperaturverteilung (70) im Oberflachenbereich (40) des Bauteils (10) eingestellt wird, bei der vorbestimmte Temperaturdifferenzen ( 1-T2) und/oder Temperaturgradienten (grad T) nicht überschritten werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a ß die Schwellentemperatur (Ts) im Hinblick auf em optimales Haf- tungsvermogen 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, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a ß an meh- reren Oberflächenbereichen (40) des Bauteils (10) jeweils eine vorgegebene Schwellentemperatur (Ts) eingestellt wird.
5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a ß 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, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a ß 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) einge- stellt wird.
7. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a ß 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, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a ß die Stellung des Bauteils (10) relativ zum Plasmastrahl (12) ver- ändert 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, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a ß 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, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a ß die Temperaturverteilung (70) des Oberflächenbereichs (40) des Bau- teils (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, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a ß die Stellungsveranderungen des Bauteils (10) relativ zum Plasmastrahl (12) einerseits und ein Verfahrensparameter (p) des Plasmaspritzens andererseits nach Maßgabe der Temperatur- Verteilung (70) so aufeinander abgestimmt werden, daß Temperaturgradienten (grad T) des Oberflachenbereichs (40) des Bauteils (10) verringert werden.
12. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a ß 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, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a ß 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 Beschich- tungskammer (17) aufweist, mit einer Infrarotkamera (20), die die Wärmestrahlung (30) zumindest eines Oberflachenbereichs (40) des Bauteils (10) zu beobachten gestattet, und mit einer Einrichtung zur Einstellung eines Verfahrensparameters (p) nach Maßgabe der ermittelten Warmestrahlungsverteilung (30), zur Durchfuhrung eines Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 13, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a ß ein Strahlungs-Referenzmittel (60) vorhanden ist, mit dem von der Infrarotkamera (20) erhaltene Signale vergleichbar sind und das der Einstellung der Temperaturverteilung (70) des Bau- teils (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, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a ß das Strahlungs-Referenzmittel (60) unabhängig von einer Heizvorrichtung für das Plasmaspritzen beheizbar ist.
16. Vorrichtung nach Anspruch 14 oder 15, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a ß die Temperatur des Strahlungs-Referenzmittels (60) mit einem Thermoelement (62) zu messen ist.
17. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 14 bis 16, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a ß 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, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a ß 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, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a ß die Infrarotkamera (20) an einem Ende (11') eines nach außen vorspringenden Stutzens (11) der Beschichtungskammer (17) an- gebracht ist.
20. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 14 bis
19, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a ß 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, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a ß 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, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a ß das Glasfenster (19) aus Saphirglas besteht.
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