Beschreibung
Verfahren zum Überwachen eines elektrochemischen Behandlungs¬ prozesses und für dieses Verfahren geeignete Elektrodenanord- nung
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Überwachen eines elektrochemischen Behandlungsprozesses für ein die Ar¬ beitselektrode bildendes Werkstück, bei dem ein vorgegebenes Potential zwischen der Arbeitselektrode und einer Gegenelek¬ trodenanordnung unter Einsatz einer Referenzelektrodenanord¬ nung eingehalten wird.
Derartige Verfahren sind allgemein bekannt. Beispielsweise ist gemäß der EP 639 769 A2 ein Verfahren offenbart, bei dem ein definiertes Potential zwischen einer Arbeitselektrode und einer Gegenelektrode angelegt werden kann, wobei dieses Po¬ tential während des elektrochemischen Behandlungsprozesses mittels einer Referenzelektrode eingehalten wird. Zu diesem Zweck sind die Arbeitselektrode, die Gegenelektrode und die Referenzelektrode an einen Potentiostaten angeschlossen.
Die Aufgabe der Erfindung liegt darin, ein Verfahren zum Überwachen eines elektrochemischen Behandlungsprozesses an- zugeben, mit dessen Hilfe sich dieser Behandlungsprozess be¬ zogen auf das angestrebte Behandlungsergebnis vergleichsweise genau steuern lässt.
Diese Aufgabe wird mit dem eingangs genannten Verfahren er- findungsgemäß dadurch gelöst, dass die Referenzelektrodenan¬ ordnung mehrere Einzelelektroden aufweist, die an mehreren Stellen berührungsfrei an die zu behandelnde Oberfläche des Werkstücks herangeführt werden. Durch den Einsatz einer Refe¬ renzelektrodenanordnung mit mehreren Einzelelektroden wird
vorteilhaft sichergestellt, dass bezüglich der Einstellung des vorgegebenen Potentials eine bezüglich der Werkstückober¬ fläche ortsaufgelöste Messung erfolgen kann. Die durch die Einzelelektroden erzeugten Messwerte können dann bei der Ein- Stellung des vorgegebenen Potentials berücksichtigt werden. Dabei können die Messergebnisse der Einzelelektroden getrennt voneinander berücksichtigt werden, oder es ist eine gemein¬ same Berücksichtigung möglich. Die mittels der Referenzelekt¬ rodenanordnung ermittelten Messwerte können weiterhin dazu benutzt werden, das elektrochemische Zusammenwirken des Werk¬ stückes mit der Gegenelektrodenanordnung zu optimieren. Hier¬ bei können beispielsweise Abstände oder auch die Formgebung der Gegenelektrodenanordnung modifiziert werden, um bei¬ spielsweise nicht planaren Werkstückgeometrien hinsichtlich eines einheitlichen elektrochemischen Behandlungsergebnisses gerecht zu werden.
Als elektrochemische Behandlungsprozesse im Sinne der Erfin¬ dung sind alle elektrochemischen Verfahren zu verstehen. Da- bei kann es sich beispielsweise um die elektrochemische Ab¬ scheidung von Schichten, um die elektrochemische Auflösung von Schichten (Entschichten oder Strippen) , um das elektro¬ chemische Polieren (Oberflächenbearbeitung) oder auch um eine elektrochemische Formgebung (z. B. Bohren) handeln.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass vor der elektrochemischen Behandlung an das Werkstück und an die Gegenelektrodenanordnung eine Spannung angelegt wird, die einen im Vergleich zum Behandlungsprozessstrom geringen Mess- ström erzeugt, und an den einzelnen oder in mehreren Gruppen zusammengefassten Einzelelektroden der Referenzelektrodenan¬ ordnung jeweils Vergleichspotentiale ermittelt werden. Das erzeugte Messergebnis lässt sich damit in der oben angegebe¬ nen Weise hinsichtlich des Ortes an der Oberfläche des zu be-
handelnden Bauteils auflösen. Da nur ein geringer Messstrom verwendet wird, wird das Messergebnis durch die normalerweise bei der elektrochemischen Behandlung ablaufenden Prozesse nur wenig beeinflusst. Daher kann das erzeugte Messergebnis bei- spielsweise für eine exakte Positionierung der Gegenelektrode bei komplexen Werkstückgeometrien genutzt werden. Weiterhin können Regionen des Werkstückes erkannt werden, die für die Durchführung des elektrochemischen Behandlungsprozesses evtl. problematisch sind. Diese können beispielsweise durch eine Anpassung der Geometrie der Gegenelektrodenanordnung berück¬ sichtigt werden (z. B. Maßnahmen zur Veränderung des lokalen prozessbedingten Stromdichte Prozessstromes an diesen Stel¬ len) . In unproblematischen Bereichen des Werkstückes können die Einzelelektroden der Referenzelektrodenanordnung auch zu einer Gruppe elektrisch zusammengefasst werden, so dass diese einen gemeinsamen Messwert erzeugen.
Um insbesondere eine gleichmäßige elektrochemische Behandlung der Werkstückoberfläche zu erzielen, kann die Referenzelekt- rodenanordnung dazu genutzt werden, dass die Gegenelektroden¬ anordnung derart zum Werkstück angeordnet wird, dass die Ver¬ gleichpotentiale der jeweiligen Einzelelektroden möglichst ausgeglichen sind. Wird anschließend der elektrochemische Be- handlungsprozess gestartet, so wird bei einer derart ausge- richteten Gegenelektrodenanordnung über der Oberfläche des Werkstückes eine vergleichsweise ausgeglichene Stromdichte erreicht, wodurch vorteilhaft ein gleichmäßiges Behandlungs¬ ergebnis erzielt werden kann.
Weiterhin kann das erfindungsgemäße Verfahren dazu genutzt werden, dass an das Werkstück und an die Gegenelektrodenan¬ ordnung das für den Behandlungsprozess vorgegebene Potential angelegt wird, wobei zur Überwachung des Potentials die Refe¬ renzelektroden elektrisch parallel geschaltet werden. Die Re-
ferenzelektrodenanordnung dient dabei in bekannter Weise zur Einhaltung der für den Behandlungsprozess geforderten Poten¬ tialverhältnisse und kann zu diesem Zwecke z. B. an einen Po- tentiostaten angeschlossen werden. Die parallel geschalteten Einzelelektroden der Referenzelektrodenanordnung verhalten sich wie parallel geschaltete Widerstände, so dass an ihnen jeweils das gleiche Potential anliegt.
Weiterhin betrifft die Erfindung eine Gegenelektrodenanord- nung für die elektrochemische Behandlung von Werkstücken, bei denen die Werkstücke die Arbeitselektrode bilden.
Eine derartige Gegenelektrodenanordnung ist beispielsweise aus der EP 1 094 134 Al bekannt. Diese Gegenelektrodenanord- nung besteht aus zwei Elektrodenplatten, die von beiden Sei¬ ten an eine zu entschichtende Turbinenschaufel herangeführt werden können. Die Elektrodenplatten können dabei entspre¬ chend des Profils der Turbinenschaufel gestaltete Oberflächen aufweisen. Dadurch lässt sich ein konstanter Abstand der Elektrodenplatten von der zu entschichtenden Oberfläche der Turbinenschaufel einhalten.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Gegenelektrodenanordnung für elektrochemische Behandlungsprozesse anzugeben, mit der eine Positionierung der Gegenelektrodenanordnung gegenüber einem zu behandelnden Werkstück auf einfache Weise erfolgen kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit der erwähnten Gegen- elektrodenanordnung dadurch gelöst, dass mit der Gegenelekt¬ rodenanordnung eine Referenzelektrodenanordnung mechanisch verbunden ist, wobei die Verbindung als elektrische Isolation zwischen der Gegenelektrodenanordnung und der Referenzelekt¬ rodenanordnung ausgeführt ist und die Referenzelektrodenan-
Ordnung aus mehreren Einzelelektroden ausgebildet ist, mit Elektrodenspitzen, die innerhalb eines für die Werkstücke vorgesehenen Behandlungsbereiches bewegbar sind. Durch die Ausbildung der Referenzelektrodenanordnungen mit mehreren Einzelelektroden, die Elektrodenspitzen aufweisen, kann bei der Ausrichtung der Gegenelektrodenanordnung gegenüber dem zu behandelnden Werkstück vorteilhaft eine einfache Ausrichtung der Gegenelektrodenanordnung erfolgen, da zum Erreichen eines für eine gleichmäßige Behandlung erforderlichen Arbeitspoten- tials zwischen Gegenelektrodenanordnung und Werkstück ein
Vergleichspotential mittels der Referenzelektrodenanordnung mit einer Ortsauflösung über die Oberfläche des Werkstückes ermittelt werden kann. Das hierzu notwendige Verfahren ist bereits erläutert worden. Durch die mechanische Kopplung zwi- sehen Gegenelektrodenanordnung und Referenzelektrodenanord¬ nung sind zwischen den beiden Elektrodenanordnungen vorteil¬ haft genaue geometrische Verhältnisse definiert, so dass eine Ausrichtung der Referenzelektrodenanordnung automatisch zu einer Ausrichtung der Gegenelektrodenanordnung führt.
Die Verbindungsstellen zwischen Gegenelektrodenanordnung und Referenzelektrodenanordnung müssen elektrisch isoliert sein, damit die beiden Elektrodensysteme unabhängig voneinander be¬ trieben werden können. Diese elektrisch isolierende Verbin- düng kann bevorzugt aus elektrisch isolierenden Verbindungs¬ stücken bestehen. Diese können beispielsweise in der Gegen¬ elektrodenanordnung befestigt sein und gleichzeitig eine Füh¬ rung für die Einzelelektroden der Referenzelektrodenanordnung verwirklichen.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Gegenelektrodenanord¬ nung ist vorgesehen, dass die Gegenelektrode der Gegenelekt¬ rodenanordnung flächig ausgebildet ist und innerhalb des Be¬ handlungsbereiches formbar ist. Die Gegenelektrode kann bei-
spielsweise als flexibles Gitter ausgeführt sein. Damit lässt sich die verformbare Gegenelektrodenanordnung optimal an die Geometrie des zu behandelnden Werkstückes anpassen. Dabei lässt die Verformbarkeit eine Anpassung innerhalb eines durch die Grenzen der Verformbarkeit definierten Behandlungsberei¬ ches zu. Damit lassen sich Werkstücke gleichmäßig behandeln, sofern deren zu behandelnde Oberfläche innerhalb des Behand¬ lungsbereiches liegt.
Die Einzelelektroden der Gegenelektrodenanordnung können vor¬ teilhaft stabförmig ausgebildet sein und in der Gegenelekt¬ rode axial fixiert sein. Die Fixierung kann bevorzugt mit den bereits beschriebenen Verbindungsstücken erfolgen. Durch eine axiale Verschiebbarkeit der Einzelelektroden ist es möglich, die Elektrodenspitzen mit einem geringeren Abstand als dem Abstand zwischen der Gegenelektrodenanordnung und der Werk¬ stückoberfläche zur Oberfläche des Werkstückes zu positionie¬ ren. Dies ist insbesondere für die Messwertgenerierung bei der Durchführung des elektrochemischen Behandlungsverfahrens von Vorteil.
Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die Einzelelektroden in einem Elektrodenträger axial verschiebbar gehalten sind. Hierdurch lassen sich die Elektrodenspitzen an die Kontur des zu behandelnden Werkstückes anpassen, so dass ein gleichmäßi¬ ger Abstand zwischen den Elektrodenspitzen und der Werkstück¬ oberfläche entsteht. Wenn die verformbare, flächige Gegen¬ elektrode fest an den stabförmigen Einzelelektroden befestigt ist, lässt sich durch Verschieben der Einzelelektroden gleichzeitig die Anpassung der Gegenelektrode an die Kontur des zu behandelnden Werkstückes vornehmen. Dabei kommt den Einzelelektroden vorteilhaft zusätzlich eine Stützfunktion der Gegenelektrodenanordnung zu.
Weitere Einzelheiten der Erfindung werden im Folgenden anhand der Zeichnung beschrieben. Dabei sind in den Figuren gleiche oder sich entsprechende Elemente mit jeweils den gleichen Be¬ zugszeichen versehen, wobei diese nur insoweit mehrfach er- läutert werden, wie sich Unterschiede zwischen den einzelnen Figuren ergeben. Es zeigen Figur 1 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen
Gegenelektrodenanordnung in einem elektrochemischen Behandlungsbad zur Durchführung von Ausführungsbei- spielen des erfindungsgemäßen Verfahrens und
Figur 2 den Aufbau eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Gegenelektrodenanordnung als Aus¬ schnitt.
In einem Behälter 11 ist ein elektrochemisches Behandlungsbad 12 eingefüllt. Weiterhin sind in dem Behandlungsbad ein Werk¬ stück 13 (beispielsweise die Schaufel einer Gasturbine, nicht dargestellt) und eine Gegenelektrodenanordnung 14 fixiert. Die Gegenelektrodenanordnung besteht aus einer flexiblen, gitterförmigen Gegenelektrode 15 und einer Kontaktierung 16. Weiterhin sind Verbindungsstücke 17 in dem Gitter fixiert, in denen stabförmige Einzelelektroden 18 elektrisch isolierend gehalten sind. Diese bilden eine Referenzelektrodenanordnung 19, wobei die Elektrodenspitzen 20 berührungsfrei zu einer zu behandelnden Oberfläche 21 des Werkstücks 13 weisen, während an den gegenüber liegenden Enden der Einzelelektroden 20 Kon¬ taktierungen 22 vorgesehen sind. Die Einzelelektroden 18 sind weiterhin in ihrer Axialausdehnung senkrecht zur Oberfläche 21 ausgerichtet und durchstoßen auch die Gegenelektrode 15 im rechten Winkel zu ihrer örtlichen Ausrichtung, so dass die
Gegenelektrode 15 im Wesentlichen parallel zur Oberfläche 21 verläuft.
Das Werkstück 13, die Gegenelektrodenanordnung 14 und die Re¬ ferenzelektrodenanordnung 19 können über elektrische Leitun¬ gen 23 an einen Potentiostaten 24 angeschlossen werden. Die Einzelelektroden 18 sind über Einzelleitungen 25 mit einer Schalteinheit 26 verbunden, über die eine elektrische Verbin¬ dung zum Potentiostaten 24 hergestellt wird. Die Schaltein¬ heit weist weiterhin eine Steuer- und Auswertungseinheit 27 auf. Mit dieser können die Einzelelektroden 18 mit Hilfe der Schalteinheit 26 einzeln geschaltet in jeweiligen Gruppen pa- rallel geschaltet oder in ihrer Gesamtheit parallel geschal¬ tet werden.
Die beschriebene Anordnung von Werkstück 13 (Arbeitselekt¬ rode) , Gegenelektrodenanordnung 14 und Referenzelektrodenan- Ordnung 19 mit Poteniostaten 24, Schalteinheit 26 und Steuer- und Auswertungseinheit 27 lässt mehrere Betriebszustände zu. In einem ersten Betriebszustand kann mittels des Potentiosta¬ ten 24 ein Messstrom zwischen dem Werkstück 13 und der Gegen¬ elektrodenanordnung 14 erzeugt werden, der so gering ist, dass er eine Messung mit Hilfe der Referenzelektrodenanord¬ nung 19 nicht stört. Mittels der Einzelelektroden 25 kann dann ein lokales Messpotential gemessen werden, welches zwi¬ schen den jeweiligen Elektrodenspitzen und den lokalen, an¬ grenzenden Oberflächenbereichen des Werkstückes 13 vorliegt. Die Geometrie der Gegenelektrode 15 wird solange verändert, bis das Vergleichespotential an den Einzelelektroden 18 zu¬ mindest weitgehend ausgeglichen ist. Die Daten werden dabei von der Steuer- und Auswertungseinheit 27 verarbeitet.
In einem nächsten Schritt erfolgt der gewünschte elektroche¬ mische Behandlungsprozess . Dieser kann beispielsweise bei verbrauchten Turbinenschaufeln aus einem Abtragen der Be- schichtung bestehen und anschließend aus einem erneuten Be¬ schichten, so dass die Turbinenschaufeln wieder verwendet
werden können. Hierbei werden die Einzelelektroden in der Steuereinheit elektrisch parallel geschaltet und zur Einhal¬ tung konstanter Behandlungsparameter mit dem Potentiostaten 24 verbunden.
Bei der Gegenelektrodenanordnung 14 gemäß Figur 2 sind die Einzelelektroden 20 in einem Elektrodenträger 28 axial ge¬ führt. Um eine Isolation untereinander zu gewährleisten, sind zu diesem Zweck elektrisch isolierende Führungsbuchsen 29 in den Elektrodenträger 28 eingelassen. Weiterhin sind die Ver¬ bindungsstücke 17 zu erkennen, die fest auf den Einzelelekt¬ roden befestigt sind und andererseits mit dem Gitter der Ge¬ genelektrode 15 (beispielsweise durch Eingießen) verbunden sind. Werden die Einzelelektroden in den Elektrodenträger 28 axial verschoben, so passt sich daher die Gegenelektrode 15 entsprechend der Axialverschiebung an. Die Kontaktierungen 22 sind als Steckbuchsen für die nicht dargestellten Einzellei¬ tungen 25 ausgeführt.
Der Elektrodenträger 28 bewirkt weiterhin eine parallele Aus¬ richtung der Einzelelektroden 18 untereinander. Durch einen konstanten Abstand der Elektrodenspitzen 20 zu einer nicht dargestellten Oberfläche des zu behandelnden Werkstückes wird damit gleichzeitig ein konstanter Abstand der Gegenelektrode zu dieser Oberfläche erzielt.