WO2016055325A1 - Überwachung und steuerung eines beschichtungsvorgangs anhand einer wärmeverteilung auf dem werkstück - Google Patents

Überwachung und steuerung eines beschichtungsvorgangs anhand einer wärmeverteilung auf dem werkstück Download PDF

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WO2016055325A1
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coating
workpiece
heat distribution
heat
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PCT/EP2015/072543
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Arturo Flores Renteria
Sascha Martin Kyeck
Catrina Michel
Alexandr Sadovoy
Tolga YAGCI
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C4/00—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge
    • C23C4/12—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge characterised by the method of spraying
    • C23C4/134—Plasma spraying
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C4/00—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge
    • C23C4/12—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge characterised by the method of spraying
    • C23C4/129—Flame spraying

Definitions

  • the invention relates to a method for coating a workpiece using a spray device and an apparatus for carrying out the method according to the invention.
  • the workpiece to be coated may in particular be a turbine blade or another component located in a hot gas path of a gas turbine.
  • Thermally and mechanically highly loaded components as in ⁇ game as turbine components and here in particular turbine nenschaufein are generally coated with a coating material to increase the temperature resistance and / or abrasion resistance of the workpiece.
  • Typical coatings used to coat turbine blades are so-called MCrAlX coatings, where M is a metal such as iron (Fe), cobalt (Co) or nickel (Ni), Cr for chromium, Al for aluminum and X for Yttrium (Y) and / or silicon (Si), scandium (Sc) and / or at least one rare earth element or hafnium.
  • ceramic heat insulating layers such as zirconium oxide, its structure at least partially stabilized by yttrium oxide is stabilized.
  • the coatings described are applied to the components to be coated by means of spraying. Examples of such
  • Spraying processes are high speed flame spraying and plasma spraying.
  • Coatings by spraying may cause stochastic process deviations during coating.
  • Object of the present invention is therefore to provide an advantageous method and an advantageous device for loading layers ⁇ a workpiece using a sprayer available which permit a rapid response to deviations of the coating produced by the desired coating properties.
  • the invention therefore introduces an improved method for coating a workpiece using a spray device.
  • the coating of the workpiece are performed in accordance with at least one coating parameters and at least the following steps being ⁇ leads during coating:
  • the invention is based on the insight and includes that the course of the coating process can be monitored and controlled by detecting the heat input to or into the workpiece due to the spray of the spray device to ensure the achievement of the desired coating properties of the finished coating ,
  • the spray or the transported therein coating material coating process in usual loading such as high velocity oxy-fuel ⁇ zen or plasma spraying during the spraying or injection process strongly heated, so that the spatial distribution and the mass or density of the surface of the tool Evaluate piece of adhering coating material on the basis of a heat ⁇ image and compare between different coating operations on workpieces of the same type. In exceptional cases, it may happen that the workpiece has a higher temperature than the sprayed coating material.
  • the method according to the invention can be used before ⁇ geous, wherein instead of a heat ⁇ entry results in a corresponding local cooling. Nevertheless, in the following, heat input and heat distribution are mentioned, although the exceptions mentioned should not be excluded.
  • the temperature of the workpiece when carrying out the method according to the invention, it is advantageous to bring the temperature of the workpiece to a specific value in order to create reproducible conditions for different coating processes of specimens of the same workpiece type. More preferably, the workpiece to be coated on the selected Tempe ⁇ temperature can be maintained by controlling the temperature determined and the workpiece is heated accordingly or cooled.
  • the spray of the spraying device and thus the working area is usually guided along a predetermined path over the surface of the workpiece (of course, in principle, the workpiece can also be guided along the spraying device).
  • the work area designates that area of the surface of the workpiece in which the coating material is being sprayed. Driving in a fully automated comparison this path remains the same for each workpiece of the same type, which is why the heat input into the workpiece through the spray should be uniform when the pre give ⁇ NEN coating parameters are met. If a deviation of the detected thermal distribution of the expected heat distribution determined can be adjusted at least one of Be ⁇ coating parameters to process the coating as close as possible to perform the following specifications.
  • the detected heat distribution can be compared to vomit ⁇ cherten reference heat distributions. From the stored reference heat distributions, one of the detected heat distribution most closely resembling reference heat distribution is then selected. The at least one coating parameter is finally adjusted as a function of a coating parameter data record assigned to the selected reference heat distribution.
  • the coating parameter data set of the reference heat distribution which most closely resembles the detected heat distribution and the current at least one coating parameter used for the coating.
  • the current at least one coating parameter can then be adjusted as a function of this difference.
  • the degree of adjustment of the at least one parameter per coating may be ⁇ proportional to the difference.
  • kos ⁇ material samples for example kacheiförmige material samples coated with different coating processing parameters and the properties of the thus-preserved ER- coatings are evaluated.
  • the stored reference heat distributions may be divided into a plurality of groups, each of the groups being associated with a respective surface region of the workpiece.
  • the sensed heat distribution may be compared to the group of stored reference heat distributions associated with the surface region of the workpiece in which the work area for which the sensed heat distribution was sensed is located.
  • This features can as example ⁇ , the local geometry or other characteristics of the workpiece, the variable coating properties be ⁇ hire and therefore require specific coating parameters are considered in the coating of the workpiece.
  • Each stored reference heat distribution is preferably assigned a rating which contains a statement about at least one coating property, in particular about a coating porosity, a coating roughness or a coating thickness.
  • the detected based on the detected heat distribution variations of the coating process of the specification can be evaluated based on their expected impact on the resulting loading stratification properties. This makes it possible to make a prediction about the quality of the coated work ⁇ tee and can in controlling the coating processing, for example when adjusting the least ⁇ least one coating parameter, are taken into account.
  • the heat distribution in the working area of the surface of the workpiece can be detected with a pyrometer or an infrared camera.
  • a sufficiently thin workpieces it is also possible with a sufficiently thin workpieces to detect the heat distribution based on arranged on the back of the workpiece temperature Messele ⁇ elements.
  • the at least one coating parameter may comprise at least one coating parameter selected from the group of plasma tension, powder feed rate of the coating material or composition of a plasma gas.
  • a second aspect of the invention relates to a device for coating a workpiece.
  • the device is equipped with a spray device, a heat meter and a control unit connected to the spray device and the heat meter.
  • the control unit is designed to carry out the method according to the invention. Brief description of the pictures
  • FIG 1 shows an embodiment of the invention
  • FIG. 4 shows a combustion chamber 110 of a gas turbine.
  • Figure 1 shows an embodiment of the method according to the invention in the form of a flow chart.
  • the method be ⁇ begins in a start step Sl.
  • Step S2 sets a workpiece to be coated and a web lumege- determined along which the Sprühvor ⁇ direction is guided over the surface of the workpiece.
  • Au ⁇ ßerdem be selected or of the relevant coating parameters according to the applied coating and its desired properties and preset.
  • This coating parameters may include using a plasma-based coating process, in particular a feed rate of the coating material, a plasma voltage or together ⁇ men attitude the plasma gas.
  • the coating process is started or carried out according to the predetermined coating parameter (s).
  • the coating process can be carried out continuously or interrupted regularly for carrying out the further method steps S4 to S10. However, because of the shorter process time, continuous coating is preferred.
  • step S4 a heat distribution of the work area on the surface of the workpiece is detected. This is preferably with an imaging process is performed, which determines a jewei ⁇ celled temperature for the various locations of the surface of the workpiece. The higher the resolution of the image ⁇ imaging method, the more accurate the heat distribution can be assessed.
  • step S5 the detected heat distribution is compared with a plurality of reference heat distributions.
  • a group of reference heat distributions from the total reference heat distributions are selected for comparison, which is considered representative of the currently coated partial surface of the workpiece.
  • the reference heat distribution which is most similar to the detected heat distribution is determined. Thereupon will be in
  • the coating parameter data set reflects those coating parameters which have led to the assigned reference heat distribution during a trial run of the coating process. Since the respectively resulting heat ⁇ distribution depends deviate from the actual coating parameters, so on the consideration of the reference heat distribution determined associated coating parameters is deduced, the actual values of the coating parameters of the current coating process.
  • step S7 a deviation between the associated coating parameter data set and the predetermined coating parameter (s) is determined. In this case, it is assumed that the predetermined at least one coating parameter is not adhered to by the spray device if a detected heat distribution deviating from the expectation has occurred.
  • step S8 is calculated in step S8 as a function of the previously determined deviation a correction value or a set of correction values by which the tendonss we ⁇ a coating parameters is adjusted in step S9.
  • the adaptation of the at least one coating parameter is intended to ensure that the coating process is carried out more precisely in accordance with the specifications.
  • step S10 it is checked whether the end of the web along which the workpiece is coated has been reached. If this is not the case, the coating ⁇ process and the inventive method is continued by branching back to step S3; otherwise the United ⁇ will go in step Sil ended. Subsequently, a sub- search for the properties of the coating and, if appropriate, adjustments to the coating parameter data records assigned to the reference heat distributions. It is also conceivable to provide from the proceedings detected during the execution of the encryption heat distributions and select one or more further process runs as a reference ⁇ heat distribution modes. For this purpose, the detected heat distributions and the associated respective coating parameter (s) can be stored during a process execution. In particular, the validity of the individual (reference) is also thinking ⁇ bar to assess heat is evenly ⁇ lungs and accessible via a variety of methods passages improved reproducibility of the coating process.
  • FIG. 2 shows by way of example a gas turbine 100 in a partial longitudinal section.
  • the inventive method is in particular ⁇ special for the coating of components of such a gas turbine 100 suitable.
  • the gas turbine 100 has a rotatably mounted about a rotational axis 102 ⁇ rotor 103 having a shaft 101, which is also referred to as the turbine rotor.
  • a compressor 105 for example, a toroidal combustion chamber 110, in particular annular combustion chamber, with a plurality of coaxially arranged burners 107, a turbine 108 and the exhaust housing 109th
  • the annular combustion chamber 110 communicates with an annular annular hot gas channel 111, for example.
  • annular annular hot gas channel 111 for example.
  • turbine stages 112 connected in series form the turbine 108.
  • Each turbine stage 112 is formed, for example, from two blade rings ⁇ .
  • a row 125 formed of rotor blades 120 follows.
  • the guide vanes 130 are fastened to an inner housing 138 of a stator 143, whereas the moving blades 120 of a row 125 are attached to the rotor 103 by means of a turbine disk 133, for example.
  • Coupled to the rotor 103 is a generator or a work machine (not shown).
  • substrates of the components can have a directional structure, ie they are monocrystalline (SX structure) or have only longitudinal grains (DS structure).
  • SX structure monocrystalline
  • DS structure longitudinal grains
  • iron-, nickel- or cobalt-based superalloys are used.
  • Such superalloys are known, for example, from EP 1 204 776 B1, EP 1 306 454, EP 1 319 729 A1, WO 99/67435 or WO 00/44949.
  • the blades 120, 130 may be anti-corrosion coatings (MCrAlX; M is at least one element of the group iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni), X is an active element and is yttrium (Y) and / or silicon , Scandium (Sc) and / or at least one element of the rare earth or hafnium).
  • M is at least one element of the group iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni)
  • X is an active element and is yttrium (Y) and / or silicon , Scandium (Sc) and / or at least one element of the rare earth or hafnium.
  • Such alloys are known from EP 0 486 489 B1, EP 0 786 017 B1, EP 0 412 397 B1 or EP 1 306 454 A1.
  • a thermal barrier coating may still be present on the MCrAlX, consisting for example of ZrO 2, Y 2 O 3 -ZrO 2, i. it is not, partially or completely stabilized by yttrium oxide and / or calcium oxide and / or magnesium oxide.
  • Electron beam evaporation produces stalk-shaped grains in the thermal barrier coating.
  • the guide blade 130 has a guide blade root facing the inner housing 138 of the turbine 108 (not shown here) and a guide blade foot opposite
  • the vane head faces the rotor 103 and fixed to a mounting ring 140 of the stator 143.
  • 3 shows a perspective view of a rotor blade 120 or guide vane show ⁇ 130 of a turbomachine, which extends along a longitudinal axis of the 121st
  • the turbomachine may be a gas turbine of an aircraft or a power plant for power generation, a steam turbine or a compressor.
  • the blade 120, 130 has along the longitudinal axis 121 to each other, a securing region 400, an adjoining blade or vane platform 403 and a blade 406 and a blade tip 415.
  • the vane 130 having at its blade tip 415 have a further platform (not Darge ⁇ asserted).
  • a blade root 183 is formed, which serves for attachment of the blades 120, 130 to a shaft or a disc (not shown).
  • the blade root 183 is, for example, as a hammerhead out staltet ⁇ . Other designs as fir tree or Schissebwschwanzfuß are possible.
  • the blade 120, 130 has for a medium which flows past the scene ⁇ felblatt 406 on a leading edge 409 and a trailing edge 412th
  • Such superalloys are known, for example, from EP 1 204 776 B1, EP 1 306 454, EP 1 319 729 A1, WO 99/67435 or WO 00/44949.
  • the blade 120, 130 can be made by a casting process, also by directional solidification, by a forging process, by a milling process or combinations thereof. Workpieces with a single-crystal structure or structures are used as components for machines which are exposed during operation ho ⁇ hen mechanical, thermal and / or chemical stresses.
  • Such monocrystalline workpieces takes place e.g. by directed solidification from the melt.
  • These are casting processes in which the liquid metallic alloy is transformed into a monocrystalline structure, i. to the single-crystal workpiece, or directionally solidified.
  • dendritic crystals are aligned along the heat flow and form either a columnar grain structure (columnar, ie grains that run the entire length of the workpiece and here, in common parlance, referred to as directionally solidified) or a monocrystalline structure, ie the whole workpiece be ⁇ is made of a single crystal.
  • a columnar grain structure columnar, ie grains that run the entire length of the workpiece and here, in common parlance, referred to as directionally solidified
  • a monocrystalline structure ie the whole workpiece be ⁇ is made of a single crystal.
  • directionally solidified structures generally refers to single crystals that have no grain boundaries or at most small angle grain boundaries, as well as stem crystal structures that have grain boundaries running in the longitudinal direction but no transverse grain boundaries. These second-mentioned crystalline structures are also known as directionally solidified structures. Such methods are known from US Pat. No. 6,024,792 and EP 0 892 090 A1. Likewise, the blades 120, 130 may have coatings against corrosion or oxidation, e.g. B.
  • M is at least one element of the group consisting of iron (Fe), cobalt (Co), Ni ⁇ ckel (Ni), X is an active element and stands for yttrium (Y) and / or silicon and / or at least one element the rare earth, or hafnium (Hf)).
  • Such alloys are known from EP 0 486 489 B1, EP 0 786 017 Bl, EP 0 412 397 B1 or EP 1 306 454 A1.
  • the density is preferably 95% of the theoretical log ⁇ te.
  • the layer composition comprises Co-30Ni-28Cr-8A1-0, 6Y-0, 7Si or Co-28Ni-24Cr-10Al-0, 6Y.
  • nickel-based protective layers such as Ni-10Cr-12Al-0.6Y-3Re or Ni-12Co-21Cr-IIAl-O, 4Y-2Re or Ni-25Co-17Cr-10A1-0, 4Y-1 are also preferably used , 5Re.
  • thermal barrier coating which is preferably the outermost layer, and consists for example of Zr02, Y203-Zr02, ie it is not, partially ⁇ or fully stabilized by yttria
  • the thermal barrier coating covers the entire MCrAlX ⁇ layer.
  • Suitable coating processes such as electron beam evaporation (EB-PVD), produce stalk-shaped grains in the thermal barrier coating.
  • Other coating methods are conceivable, for example atmospheric plasma spraying (APS), LPPS, VPS or CVD.
  • APS atmospheric plasma spraying
  • LPPS LPPS
  • VPS VPS
  • CVD chemical vapor deposition
  • the heat insulation layer may have ⁇ porous, micro- or macro-cracked compatible grains for better thermal shock resistance.
  • the Thermal insulation layer is therefore preferably more porous than the
  • Refurbishment means that components 120, 130 may need to be deprotected after use (e.g., by sandblasting). This is followed by removal of the corrosion and / or oxidation layers or products. Optionally, even cracks in the component 120, 130 are repaired. This is followed by a re-coating of the component 120, 130 and a renewed use of the component 120, 130.
  • the blade 120, 130 may be hollow or solid. If the blade 120, 130 is to be cooled, it is hollow and also has, if necessary, film cooling holes 418 (indicated by dashed lines) on.
  • FIG. 4 shows a combustion chamber 110 of a gas turbine.
  • the combustion chamber 110 is configured, for example, as a so-called annular combustion chamber, in which a multiplicity of burners 107 arranged in the circumferential direction about a rotation axis 102 open into a common combustion chamber space 154, which generate flames 156.
  • the combustion chamber 110 is configured in its entirety as an annular structure, which is positioned around the axis of rotation 102 around.
  • the combustion chamber 110 is designed for a comparatively high temperature of the working medium M of about 1000 degrees Celsius to 1600 degrees Celsius.
  • the combustion chamber wall 153 is provided on its side facing the working medium M with an inner lining formed from heat shield elements 155.
  • Each heat shield element 155 is made of an alloy
  • M is at least one element of the group iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni), X is an active element and stands for yttrium (Y) and / or Si ⁇ lizium and / or at least one element of rare earth, or hafnium (Hf).
  • MCrAlX means: M is at least one element of the group iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni), X is an active element and stands for yttrium (Y) and / or Si ⁇ lizium and / or at least one element of rare earth, or hafnium (Hf).
  • Such alloys are known from EP 0 486 489 B1, EP 0 786 017 B1, EP 0 412 397 B1 or EP 1 306 454 A1.
  • a ceramic thermal barrier coating may be present and consists for example of
  • EB-PVD Electron beam evaporation
  • the heat insulation layer may have ⁇ porous, micro- or macro-cracked compatible grains for better thermal shock resistance.
  • Refurbishment means that heat shield elements 155 may be replaced after use by heat shielding elements 155
  • Protective layers must be freed (eg by sandblasting). This is followed by removal of the corrosion and / or oxidation layers or products. If necessary, cracks in the heat shield element 155 are also repaired. This is followed by a recoating of the heat shield elements 155 and a renewed use of the heat shield elements 155. Due to the high temperatures inside the combustion chamber 110 may also be provided for the heat shield elements 155 and for their holding elements, a cooling system. The heat shield elements 155 are then, for example, hollow and optionally have cooling holes (not shown) opening into the combustion chamber space 154.

Abstract

Überwachung und Steuerung eines Beschichtungsvorgangs anhand einer Wärmeverteilung auf dem Werkstück Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Beschichten eines Werkstücks unter Verwendung einer Sprühvorrichtung. Dabei werden das Beschichten des Werkstücks gemäß wenigstens einem Beschichtungsparameter vorgenommen und während des Beschichtens wenigstens folgende Schritte ausgeführt:• - Erfassen einer örtlichen Wärmeverteilung in einem Arbeitsbereich einer Oberfläche des Werkstücks; und • - Anpassen des wenigstens einen Beschichtungsparameters in Abhängigkeit von der erfassten Wärmeverteilung. Die Erfindung betrifft außerdem eine Vorrichtung zum Beschichten eines Werkstücks.

Description

Beschreibung
Überwachung und Steuerung eines Beschichtungsvorgangs anhand einer Wärmeverteilung auf dem Werkstück
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Beschichten eines Werkstücks unter Verwendung einer Sprühvorrichtung und eine Vorrichtung zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens. Das zu beschichtende Werkstück kann insbesondere eine Turbi- nenschaufel oder ein sonstiges in einem Heißgaspfad einer Gasturbine gelegenes Bauteil sein.
Thermisch und mechanisch hochbelastete Bauteile wie bei¬ spielsweise Turbinenbauteile und hierbei insbesondere Turbi- nenschaufein, werden in der Regel mit einem Beschichtungs- material beschichtet, um die Temperaturbeständigkeit und/oder die Abrasionsfestigkeit des Werkstücks zu erhöhen. Typische Beschichtungen, die zum Beschichten von Turbinenschaufeln zum Einsatz kommen, sind sogenannte MCrAlX-Beschichtungen, wobei M für ein Metall, beispielsweise Eisen (Fe) , Kobalt (Co) oder Nickel (Ni) , Cr für Chrom, AI für Aluminium und X für Yttrium (Y) und/oder Silizium (Si) , Scandium (Sc) und/oder zumindest ein Element der seltenen Erden oder Hafnium stehen. Weiterhin kommen insbesondere bei Turbinenschaufeln keramische Wärme- dämmschichten (TBC, Thermal Barrier Coating) zum Einsatz wie beispielsweise Zirkoniumoxid, dessen Struktur zumindest teil¬ weise durch Yttriumoxid stabilisiert ist. Die beschriebenen Beschichtungen werden mittels Spritzverfahren auf die zu beschichtenden Bauteile aufgebracht. Beispiele für solche
Spritzverfahren sind Hochgeschwindigkeitsflammspritzen und Plasmaspritzen .
Beispielsweise bei der Beschichtung von Turbinenbauteilen, insbesondere von Turbinenschaufeln, mit Haftvermittlungs- , Wärmedämm- und/oder oxidations- und korrosionshemmenden
Schichten mittels Spritzverfahren kann es während der Beschichtung zu stochastischen Prozessabweichungen kommen.
Hierzu zählen u. a. Änderungen der Form und der Größe des Spritzfleckens aufgrund des Verschleißes der Elektrode in der Spritzvorrichtung, Schwankungen in der Pulverzufuhr, Anlagenausfälle, etc. Letztendlich führen signifikante Änderungen zu einem Prozessabbruch bzw. zu einer Fehlleistung, d. h. das beschichtete Bauteil erfüllt nicht die gestellten Anforderun¬ gen und muss entschichtet und anschließend wieder neu be¬ schichtet werden, oder es ist als Ausschuss anzusehen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein vorteilhaftes Verfahren und eine vorteilhafte Vorrichtung zum Be¬ schichten eines Werkstücks unter Verwendung einer Sprühvorrichtung zur Verfügung zu stellen, die ein rasches Reagieren auf Abweichungen der erstellten Beschichtung von den gewünschten Beschichtungseigenschaften ermöglichen.
Die Erfindung führt daher ein verbessertes Verfahren zum Beschichten eines Werkstücks unter Verwendung einer Sprühvorrichtung ein. Dabei werden das Beschichten des Werkstücks gemäß wenigstens einem Beschichtungsparameter vorgenommen und während des Beschichtens wenigstens folgende Schritte ausge¬ führt :
- Erfassen einer örtlichen Wärmeverteilung in einem Arbeitsbereich einer Oberfläche des Werkstücks; und
- Anpassen des wenigstens einen Beschichtungsparameters in Abhängigkeit von der erfassten Wärmeverteilung.
Die Erfindung beruht auf der Einsicht und schließt diese mit ein, dass sich der Verlauf des Beschichtungsverfahrens anhand einer Erfassung des Wärmeeintrags auf das beziehungsweise in das Werkstück aufgrund des Sprühstrahls der Sprühvorrichtung überwachen und steuern lässt, um das Erreichen der gewünschten Beschichtungseigenschaften der fertigen Beschichtung zu gewährleisten. Der Sprühstrahl beziehungsweise das in ihm transportierte Beschichtungsmaterial wird in üblichen Be- schichtungsverfahren wie dem Hochgeschwindigkeitsflammsprit¬ zen oder dem Plasmaspritzen während des Sprüh- oder Spritzvorgangs stark erhitzt, so dass sich die örtliche Verteilung und die Masse oder Dichte des auf der Oberfläche des Werk- Stücks anhaftenden Beschichtungsmaterials anhand eines Wärme¬ bildes beurteilen und zwischen verschiedenen Beschichtungs- vorgängen an Werkstücken desselben Typs vergleichen lassen. In Ausnahmefällen kann es vorkommen, dass das Werkstück eine höhere Temperatur besitzt als das aufgesprühte Beschichtungs- material. Auch hier kann das erfindungsgemäße Verfahren vor¬ teilhaft verwendet werden, wobei sich anstelle eines Wärme¬ eintrags eine entsprechende lokale Abkühlung ergibt. Dennoch wird im folgenden von einem Wärmeeintrag und einer Wärmever- teilung gesprochen, obgleich die erwähnten Ausnahmefälle nicht ausgeschlossen sein sollen.
Allgemein ist es bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorteilhaft, die Temperatur des Werkstücks auf einen bestimmten Wert zu bringen, um für unterschiedliche Be- schichtungsvorgänge von Exemplaren desselben Werkstücktyps reproduzierbare Verhältnisse zu schaffen. Besonders bevorzugt kann das zu beschichtende Werkstück auf der gewählten Tempe¬ ratur gehalten werden, indem die Temperatur bestimmt und das Werkstück entsprechend geheizt oder gekühlt wird.
Während des Beschichtungsvorgangs wird der Sprühstrahl der Sprühvorrichtung und damit der Arbeitsbereich üblicherweise entlang einer vorgegebenen Bahn über die Oberfläche des Werk- Stücks geführt (selbstverständlich kann grundsätzlich auch das Werkstück entlang der Sprühvorrichtung geführt werden) . Der Arbeitsbereich bezeichnet dabei denjenigen Bereich der Oberfläche des Werkstücks, in dem gerade das Beschichtungs- material aufgesprüht wird. In einem vollautomatisierten Ver- fahren bleibt diese Bahn für jedes Werkstück desselben Typs gleich, weshalb auch der Wärmeeintrag in das Werkstück durch den Sprühstrahl gleichartig sein sollte, wenn die vorgegebe¬ nen Beschichtungsparameter eingehalten werden. Wird eine Abweichung der erfassten Wärmeverteilung von der erwarteten Wärmeverteilung festgestellt, kann der wenigstens eine Be¬ schichtungsparameter angepasst werden, um den Beschichtungs- vorgang möglichst nah den Vorgaben folgend durchzuführen. Insbesondere kann die erfasste Wärmeverteilung mit gespei¬ cherten Referenzwärmeverteilungen verglichen werden. Aus den gespeicherten Referenzwärmeverteilungen wird dann eine der erfassten Wärmeverteilung am stärksten ähnelnde Referenz- wärmeverteilung ausgewählt. Der wenigstens eine Be- schichtungsparameter wird schließlich in Abhängigkeit von einem der ausgewählten Referenzwärmeverteilung zugeordneten Beschichtungsparameterdatensatz angepasst. Bei solchen
Ausführungsformen der Erfindung wird also eine Abweichung des oder der tatsächlichen Beschichtungsparameter von den
vorgegebenen Werten festgestellt, indem eine Abweichung der erfassten Wärmeverteilung von einer Erwartung betrachtet wird. Dabei wird angenommen, dass die tatsächlichen Be¬ schichtungsparameter in derselben Art und Weise von der
Vorgabe abweichen, wie dies für die den jeweiligen Referenzwärmeverteilungen zugeordneten Beschichtungsparameter- datensätze der Fall ist. Weicht also die erfasste Wärme¬ verteilung von der den aktuellen Beschichtungsparametern zugeordneten Referenzwärmeverteilung ab und ähnelt dabei beispielsweise einer Referenzwärmeverteilung bei erhöhter Zuführrate des Beschichtungsmaterials , kann aus dem dieser Referenzwärmeverteilung zugeordneten Beschichtungsparame- terdatensatz geschlossen werden, dass gegenwärtig das Beschichtungsparameter schneller zugeführt wird als gewünscht und vorgegeben. Dementsprechend kann dann die Vorgabe für die Zuführrate abgesenkt werden.
Dabei wird bevorzugt eine Differenz zwischen dem Beschichtungsparameterdatensatz der der erfassten Wärmeverteilung am stärksten ähnelnden Referenzwärmeverteilung und dem aktuellen für das Beschichten verwendeten wenigstens einen Beschichtungsparameter bestimmt. Der aktuelle wenigstens eine Be¬ schichtungsparameter kann dann in Abhängigkeit von dieser Differenz angepasst werden. Beispielsweise kann das Maß der Anpassung des wenigstens einen Beschichtungsparameters pro¬ portional zu der Differenz sein. Dadurch können auch gröbere Abweichungen von der Vorgabe schnell ausgeglichen werden. Die Referenzwärmeverteilungen und die den Referenzwärmeverteilungen jeweils zugeordneten Beschichtungsparameterdaten- sätze werden vorzugsweise anhand einer Durchführung von Be- schichtungsvorgängen unter Verwendung der zugeordneten Be- Schichtungsparameterdatensätze gewonnen. Dafür können Exemp¬ lare des zu beschichtenden Werkstücktyps oder in einer kos¬ tengünstigeren Ausführungsform Materialproben, beispielsweise kacheiförmige Materialproben, mit unterschiedlichen Beschich- tungsparametern beschichtet und die Eigenschaften der so er- haltenen Beschichtungen beurteilt werden.
Die gespeicherten Referenzwärmeverteilungen können in eine Mehrzahl von Gruppen unterteilt sein, wobei jede der Gruppen einer jeweiligen Oberflächenregion des Werkstücks zugeordnet ist. Beim Vergleichen der erfassten Wärmeverteilung mit den gespeicherten Referenzwärmeverteilungen kann die erfasste Wärmeverteilung mit derjenigen Gruppe von gespeicherten Referenzwärmeverteilungen verglichen werden, die derjenigen Oberflächenregion des Werkstücks zugeordnet ist, in der sich der Arbeitsbereich, für den die erfasste Wärmeverteilung erfasst wurde, befindet. Dadurch können Besonderheiten wie beispiels¬ weise die örtliche Geometrie oder andere Eigenschaften des Werkstücks, die veränderliche Beschichtungseigenschaften be¬ dingen und daher besondere Beschichtungsparameter erfordern, bei der Beschichtung des Werkstücks berücksichtigt werden.
Bevorzugt ist jeder gespeicherten Referenzwärmeverteilung eine Bewertung zugeordnet, die eine Aussage über wenigstens eine Beschichtungseigenschaft, insbesondere über eine Be- schichtungsporosität, eine Beschichtungsrauheit oder eine Be- schichtungsdicke, enthält. Anhand der zugeordneten Bewertun¬ gen können die anhand der erfassten Wärmeverteilung erkannten Abweichungen des Beschichtungsvorgangs von der Vorgabe anhand ihrer zu erwartenden Auswirkungen auf die resultierenden Be- Schichtungseigenschaften beurteilt werden. Dies erlaubt es, eine Vorhersage über die Qualität des beschichteten Werk¬ stücks zu treffen und kann bei der Steuerung des Beschich- tungsvorgangs , beispielsweise bei der Anpassung des wenigs¬ tens einen Beschichtungsparameters , berücksichtigt werden.
Die Wärmeverteilung in dem Arbeitsbereich der Oberfläche des Werkstücks kann mit einem Pyrometer oder einer Infrarotkamera erfasst werden. Alternativ ist es bei ausreichend dünnen Werkstücken auch möglich, die Wärmeverteilung anhand von auf der Rückseite des Werkstücks angeordneten Temperaturmessele¬ menten zu erfassen.
Besonders bevorzugt kommt im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens ein Plasmaspritzverfahren zum Einsatz. In einem solchen Fall kann der wenigstens eine Beschichtungsparameter wenigstens einen aus der Gruppe Plasmaspannung, Pulverzuführ- rate des Beschichtungsmaterials oder Zusammensetzung eines Plasmagases ausgewählten Beschichtungsparameter umfassen.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Beschichten eines Werkstücks. Die Vorrichtung ist mit einer Sprühvorrichtung, einer Wärmemessvorrichtung und einer mit der Sprühvorrichtung und der Wärmemessvorrichtung verbundenen Steuereinheit ausgestattet. Die Steuereinheit ist dabei dazu ausgebildet, das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen. Kurzbeschreibung der Abbildungen
Weitere Merkmale, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren. Es zeigen:
Figur 1 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen
Verfahrens in Form eines Flussdiagramms; Figur 2 beispielhaft eine Gasturbine in einem Längsteil¬ schnitt; Figur 3 in perspektivischer Ansicht eine Laufschaufel oder Leitschaufel einer Strömungsmaschine; und
Figur 4 eine Brennkammer 110 einer Gasturbine.
Figur 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens in Form eines Flussdiagramms. Das Verfahren be¬ ginnt in einem Startschritt Sl. In dem darauffolgenden
Schritt S2 wird ein zu beschichtendes Werkstück bereitge- stellt und eine Bahn bestimmt, entlang welcher die Sprühvor¬ richtung über die Oberfläche des Werkstücks geführt wird. Au¬ ßerdem werden der oder die maßgeblichen Beschichtungsparameter gemäß der aufzubringenden Beschichtung und ihrer gewünschten Eigenschaften ausgewählt und voreingestellt. Diese Beschichtungsparameter können bei Verwendung eines plasmabasierten Beschichtungsvorgang insbesondere eine Zuführrate des Beschichtungsmaterials , eine Plasmaspannung oder eine Zusam¬ mensetzung des Plasmagases umfassen. In Schritt S3 wird der Beschichtungsvorgang gemäß dem oder den vorgegebenen Beschichtungsparameter (n) begonnen beziehungsweise durchgeführt. Der Beschichtungsvorgang kann kontinuierlich ausgeführt oder regelmäßig für die Durchführung der weiteren Verfahrensschritte S4 bis S10 unterbrochen werden. Wegen der kürzeren Verfahrensdauer wird jedoch ein kontinuierliches Beschichten bevorzugt.
In Schritt S4 wird eine Wärmeverteilung des Arbeitsbereichs auf der Oberfläche des Werkstücks erfasst. Dies wird vorzugs- weise mit einem bildgebenden Verfahren durchgeführt, das für die einzelnen Orte der Oberfläche des Werkstücks eine jewei¬ lige Temperatur bestimmt. Je höher die Auflösung des bild¬ gebenden Verfahrens, desto genauer kann die Wärmeverteilung beurteilt werden.
In Schritt S5 wird die erfasste Wärmeverteilung mit einer Mehrzahl von Referenzwärmeverteilungen verglichen. Dabei kann eine Gruppe von Referenzwärmeverteilungen aus der Gesamtmenge an Referenzwärmeverteilungen für den Vergleich ausgewählt werden, die für die aktuell beschichtete Teiloberfläche des Werkstücks als repräsentativ angesehen wird. Durch den Vergleich wird bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel dieje- nige Referenzwärmeverteilung ermittelt, die der erfassten Wärmeverteilung am stärksten ähnelt. Daraufhin wird in
Schritt S6 der der ermittelten Referenzwärmeverteilung zugeordnete Beschichtungsparameterdatensatz mit dem oder den aktuell vorgegebenen Beschichtungsparametern verglichen. Der Beschichtungsparameterdatensatz gibt diejenigen Beschich- tungsparameter wieder, die bei einer Probedurchführung des Beschichtungsvorgangs zu der zugeordneten Referenzwärmeverteilung geführt haben. Da die sich jeweils ergebende Wärme¬ verteilung von den tatsächlichen Beschichtungsparametern ab- hängt, wird also über die Betrachtung der der ermittelten Referenzwärmeverteilung zugeordneten Beschichtungsparameter auf die Ist-Werte der Beschichtungsparameter des aktuellen Beschichtungsvorgangs zurückgeschlossen. In Schritt S7 wird eine Abweichung zwischen dem zugeordneten Beschichtungspara- meterdatensatz und dem oder den vorgegebenen Beschichtungsparameter (n) ermittelt. Hierbei wird angenommen, dass der vorgegebene wenigstens eine Beschichtungsparameter durch die Sprühvorrichtung nicht eingehalten wird, wenn es zu einer von der Erwartung abweichenden erfassten Wärmeverteilung gekommen ist. Anschließend wird in Schritt S8 in Abhängigkeit von der zuvor bestimmten Abweichung ein Korrekturwert oder ein Satz von Korrekturwerten berechnet, um die in Schritt S9 der we¬ nigstens eine Beschichtungsparameter angepasst wird. Durch die Anpassung des wenigstens einen Beschichtungsparameters soll erreicht werden, dass der Beschichtungsvorgang genauer gemäß den Vorgaben durchgeführt wird.
In Schritt S10 wird schließlich geprüft, ob das Ende der Bahn, entlang welcher das Werkstück beschichtet wird, er- reicht ist. Ist dies nicht der Fall, wird der Beschichtungs¬ vorgang und das erfindungsgemäße Verfahren durch Zurückverzweigen zu Schritt S3 fortgesetzt; andernfalls wird das Ver¬ fahren in Schritt Sil beendet. Anschließend kann eine Unter- suchung der Eigenschaften der Beschichtung und gegebenenfalls Anpassungen an den den Referenzwärmeverteilungen zugeordneten Beschichtungsparameterdatensätzen vorgenommen werden. Ebenfalls ist denkbar, aus den während der Durchführung des Ver- fahrens erfassten Wärmeverteilungen eine oder mehrere auszuwählen und für weitere Verfahrensdurchläufe als Referenz¬ wärmeverteilungen zur Verfügung zu stellen. Hierfür können die erfassten Wärmeverteilungen und der oder die zugehörigen jeweiligen Beschichtungsparameter während einer Verfahrens- durchführung gespeichert werden. Insbesondere ist auch denk¬ bar, die Aussagekraft der einzelnen (Referenz- ) Wärmevertei¬ lungen zu beurteilen und über eine Vielzahl von Verfahrensdurchgängen eine verbesserte Reproduzierbarkeit des Beschich- tungsvorgangs zu erreichen.
Die Figur 2 zeigt beispielhaft eine Gasturbine 100 in einem Längsteilschnitt. Das erfindungsgemäße Verfahren ist insbe¬ sondere für die Beschichtung von Bauteilen einer solchen Gasturbine 100 geeignet.
Die Gasturbine 100 weist im Inneren einen um eine Rotations¬ achse 102 drehgelagerten Rotor 103 mit einer Welle 101 auf, der auch als Turbinenläufer bezeichnet wird. Entlang des Rotors 103 folgen aufeinander ein Ansauggehäuse 104, ein Verdichter 105, eine beispielsweise torusartige Brennkammer 110, insbesondere Ringbrennkammer, mit mehreren koaxial angeordneten Brennern 107, eine Turbine 108 und das Abgasgehäuse 109.
Die Ringbrennkammer 110 kommuniziert mit einem beispielsweise ringförmigen Heißgaskanal 111. Dort bilden beispielsweise vier hintereinander geschaltete Turbinenstufen 112 die Turbine 108.
Jede Turbinenstufe 112 ist beispielsweise aus zwei Schaufel¬ ringen gebildet. In Strömungsrichtung eines Arbeitsmediums 113 gesehen folgt im Heißgaskanal 111 einer Leitschaufelreihe 115 eine aus Laufschaufeln 120 gebildete Reihe 125.
Die Leitschaufeln 130 sind dabei an einem Innengehäuse 138 eines Stators 143 befestigt, wohingegen die Laufschaufeln 120 einer Reihe 125 beispielsweise mittels einer Turbinenscheibe 133 am Rotor 103 angebracht sind.
An dem Rotor 103 angekoppelt ist ein Generator oder eine Ar- beitsmaschine (nicht dargestellt) .
Während des Betriebes der Gasturbine 100 wird vom Verdichter 105 durch das Ansauggehäuse 104 Luft 135 angesaugt und ver¬ dichtet. Die am turbinenseitigen Ende des Verdichters 105 be- reitgestellte verdichtete Luft wird zu den Brennern 107 ge¬ führt und dort mit einem Brennmittel vermischt. Das Gemisch wird dann unter Bildung des Arbeitsmediums 113 in der Brennkammer 110 verbrannt. Von dort aus strömt das Arbeitsmedium 113 entlang des Heißgaskanals 111 vorbei an den Leitschaufeln 130 und den Laufschaufeln 120. An den Laufschaufeln 120 entspannt sich das Arbeitsmedium 113 impulsübertragend, so dass die Laufschaufeln 120 den Rotor 103 antreiben und dieser die an ihn angekoppelte Arbeitsmaschine. Die dem heißen Arbeitsmedium 113 ausgesetzten Bauteile unterliegen während des Betriebes der Gasturbine 100 thermischen Belastungen. Die Leitschaufeln 130 und Laufschaufeln 120 der in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums 113 gesehen ersten Turbinenstufe 112 werden neben den die Ringbrennkammer 110 auskleidenden Hitzeschildelementen am meisten thermisch belastet .
Um den dort herrschenden Temperaturen standzuhalten, können diese mittels eines Kühlmittels gekühlt werden.
Ebenso können Substrate der Bauteile eine gerichtete Struktur aufweisen, d.h. sie sind einkristallin ( SX-Struktur) oder weisen nur längsgerichtete Körner auf (DS-Struktur) . Als Material für die Bauteile, insbesondere für die Turbinen¬ schaufel 120, 130 und Bauteile der Brennkammer 110 werden beispielsweise eisen-, nickel- oder kobaltbasierte Superle- gierungen verwendet.
Solche Superlegierungen sind beispielsweise aus der EP 1 204 776 Bl, EP 1 306 454, EP 1 319 729 AI, WO 99/67435 oder WO 00/44949 bekannt.
Ebenso können die Schaufeln 120, 130 Beschichtungen gegen Korrosion (MCrAlX; M ist zumindest ein Element der Gruppe Eisen (Fe) , Kobalt (Co) , Nickel (Ni) , X ist ein Aktivelement und steht für Yttrium (Y) und/oder Silizium, Scandium (Sc) und/oder zumindest ein Element der Seltenen Erden bzw. Hafnium) . Solche Legierungen sind bekannt aus der EP 0 486 489 Bl, EP 0 786 017 Bl, EP 0 412 397 Bl oder EP 1 306 454 AI.
Auf der MCrAlX kann noch eine Wärmedämmschicht vorhanden sein, und besteht beispielsweise aus Zr02, Y203-Zr02, d.h. sie ist nicht, teilweise oder vollständig stabilisiert durch Yttriumoxid und/oder Kalziumoxid und/oder Magnesiumoxid.
Durch geeignete Beschichtungsverfahren wie z.B. Elektronen- strahlverdampfen (EB-PVD) werden stängelförmige Körner in der Wärmedämmschicht erzeugt.
Die Leitschaufel 130 weist einen dem Innengehäuse 138 der Turbine 108 zugewandten Leitschaufelfuß (hier nicht darge- stellt) und einen dem Leitschaufelfuß gegenüberliegenden
Leitschaufelkopf auf. Der Leitschaufelkopf ist dem Rotor 103 zugewandt und an einem Befestigungsring 140 des Stators 143 festgelegt . Die Figur 3 zeigt in perspektivischer Ansicht eine Laufschau¬ fel 120 oder Leitschaufel 130 einer Strömungsmaschine, die sich entlang einer Längsachse 121 erstreckt. Die Strömungsmaschine kann eine Gasturbine eines Flugzeugs oder eines Kraftwerks zur Elektrizitätserzeugung, eine Dampfturbine oder ein Kompressor sein. Die Schaufel 120, 130 weist entlang der Längsachse 121 auf¬ einander folgend einen Befestigungsbereich 400, eine daran angrenzende Schaufelplattform 403 sowie ein Schaufelblatt 406 und eine Schaufelspitze 415 auf. Als Leitschaufel 130 kann die Schaufel 130 an ihrer Schaufel¬ spitze 415 eine weitere Plattform aufweisen (nicht darge¬ stellt) .
Im Befestigungsbereich 400 ist ein Schaufelfuß 183 gebildet, der zur Befestigung der Laufschaufeln 120, 130 an einer Welle oder einer Scheibe dient (nicht dargestellt) .
Der Schaufelfuß 183 ist beispielsweise als Hammerkopf ausge¬ staltet. Andere Ausgestaltungen als Tannenbaum- oder Schwal- benschwanzfuß sind möglich.
Die Schaufel 120, 130 weist für ein Medium, das an dem Schau¬ felblatt 406 vorbeiströmt, eine Anströmkante 409 und eine Ab¬ strömkante 412 auf.
Bei herkömmlichen Schaufeln 120, 130 werden in allen Bereichen 400, 403, 406 der Schaufel 120, 130 beispielsweise mas¬ sive metallische Werkstoffe, insbesondere Superlegierungen verwendet .
Solche Superlegierungen sind beispielsweise aus der EP 1 204 776 Bl, EP 1 306 454, EP 1 319 729 AI, WO 99/67435 oder WO 00/44949 bekannt. Die Schaufel 120, 130 kann hierbei durch ein Gussverfahren, auch mittels gerichteter Erstarrung, durch ein Schmiedeverfahren, durch ein Fräsverfahren oder Kombinationen daraus gefertigt sein. Werkstücke mit einkristalliner Struktur oder Strukturen werden als Bauteile für Maschinen eingesetzt, die im Betrieb ho¬ hen mechanischen, thermischen und/oder chemischen Belastungen ausgesetzt sind.
Die Fertigung von derartigen einkristallinen Werkstücken erfolgt z.B. durch gerichtetes Erstarren aus der Schmelze. Es handelt sich dabei um Gießverfahren, bei denen die flüssige metallische Legierung zur einkristallinen Struktur, d.h. zum einkristallinen Werkstück, oder gerichtet erstarrt.
Dabei werden dendritische Kristalle entlang dem Wärmefluss ausgerichtet und bilden entweder eine stängelkristalline Kornstruktur (kolumnar, d.h. Körner, die über die ganze Länge des Werkstückes verlaufen und hier, dem allgemeinen Sprachgebrauch nach, als gerichtet erstarrt bezeichnet werden) oder eine einkristalline Struktur, d.h. das ganze Werkstück be¬ steht aus einem einzigen Kristall. In diesen Verfahren muss man den Übergang zur globulitischen (polykristallinen) Erstarrung meiden, da sich durch ungerichtetes Wachstum notwendigerweise transversale und longitudinale Korngrenzen ausbil¬ den, welche die guten Eigenschaften des gerichtet erstarrten oder einkristallinen Bauteiles zunichte machen.
Ist allgemein von gerichtet erstarrten Gefügen die Rede, so sind damit sowohl Einkristalle gemeint, die keine Korngrenzen oder höchstens Kleinwinkelkorngrenzen aufweisen, als auch Stängelkristallstrukturen, die wohl in longitudinaler Rich- tung verlaufende Korngrenzen, aber keine transversalen Korngrenzen aufweisen. Bei diesen zweitgenannten kristallinen Strukturen spricht man auch von gerichtet erstarrten Gefügen (directionally solidified structures) . Solche Verfahren sind aus der US-PS 6,024,792 und der EP 0 892 090 AI bekannt. Ebenso können die Schaufeln 120, 130 Beschichtungen gegen Korrosion oder Oxidation aufweisen, z. B. (MCrAlX; M ist zumindest ein Element der Gruppe Eisen (Fe) , Kobalt (Co) , Ni¬ ckel (Ni) , X ist ein Aktivelement und steht für Yttrium (Y) und/oder Silizium und/oder zumindest ein Element der Seltenen Erden, bzw. Hafnium (Hf) ) . Solche Legierungen sind bekannt aus der EP 0 486 489 Bl, EP 0 786 017 Bl, EP 0 412 397 Bl o- der EP 1 306 454 AI. Die Dichte liegt vorzugsweise bei 95% der theoretischen Dich¬ te .
Auf der MCrAlX-Schicht (als Zwischenschicht oder als äußerste Schicht) bildet sich eine schützende Aluminiumoxidschicht (TGO = thermal grown oxide layer) .
Vorzugsweise weist die SchichtZusammensetzung Co-30Ni-28Cr- 8A1-0, 6Y-0, 7Si oder Co-28Ni-24Cr-10Al-0, 6Y auf. Neben diesen kobaltbasierten Schutzbeschichtungen werden auch vorzugsweise nickelbasierte Schutzschichten verwendet wie Ni-10Cr-12Al- 0,6Y-3Re oder Ni-12Co-21Cr-llAl-0, 4Y-2Re oder Ni-25Co-17Cr- 10A1-0, 4Y-1, 5Re .
Auf der MCrAlX kann noch eine Wärmedämmschicht vorhanden sein, die vorzugsweise die äußerste Schicht ist, und besteht beispielsweise aus Zr02, Y203-Zr02, d.h. sie ist nicht, teil¬ weise oder vollständig stabilisiert durch Yttriumoxid
und/oder Kalziumoxid und/oder Magnesiumoxid. Die Wärmedämm¬ schicht bedeckt die gesamte MCrAlX-Schicht.
Durch geeignete Beschichtungsverfahren wie z.B. Elektronen- strahlverdampfen (EB-PVD) werden stängelförmige Körner in der Wärmedämmschicht erzeugt. Andere Beschichtungsverfahren sind denkbar, z.B. atmosphärisches Plasmaspritzen (APS), LPPS, VPS oder CVD. Die Wärme¬ dämmschicht kann poröse, mikro- oder makrorissbehaftete Kör¬ ner zur besseren Thermoschockbeständigkeit aufweisen. Die Wärmedämmschicht ist also vorzugsweise poröser als die
MCrAlX-Schicht .
Wiederaufarbeitung (Refurbishment ) bedeutet, dass Bauteile 120, 130 nach ihrem Einsatz gegebenenfalls von Schutzschichten befreit werden müssen (z.B. durch Sandstrahlen) . Danach erfolgt eine Entfernung der Korrosions- und/oder Oxidations- schichten bzw. -produkte. Gegebenenfalls werden auch noch Risse im Bauteil 120, 130 repariert. Danach erfolgt eine Wie- derbeschichtung des Bauteils 120, 130 und ein erneuter Einsatz des Bauteils 120, 130.
Die Schaufel 120, 130 kann hohl oder massiv ausgeführt sein. Wenn die Schaufel 120, 130 gekühlt werden soll, ist sie hohl und weist ggf. noch Filmkühllöcher 418 (gestrichelt angedeu¬ tet) auf.
Die Figur 4 zeigt eine Brennkammer 110 einer Gasturbine.
Die Brennkammer 110 ist beispielsweise als so genannte Ring- brennkammer ausgestaltet, bei der eine Vielzahl von in Um- fangsrichtung um eine Rotationsachse 102 herum angeordneten Brennern 107 in einen gemeinsamen Brennkammerraum 154 münden, die Flammen 156 erzeugen. Dazu ist die Brennkammer 110 in ihrer Gesamtheit als ringförmige Struktur ausgestaltet, die um die Rotationsachse 102 herum positioniert ist.
Zur Erzielung eines vergleichsweise hohen Wirkungsgrades ist die Brennkammer 110 für eine vergleichsweise hohe Temperatur des Arbeitsmediums M von etwa 1000 Grad Celsius bis 1600 Grad Celsius ausgelegt. Um auch bei diesen, für die Materialien ungünstigen Betriebsparametern eine vergleichsweise lange Betriebsdauer zu ermöglichen, ist die Brennkammerwand 153 auf ihrer dem Arbeitsmedium M zugewandten Seite mit einer aus Hitzeschildelementen 155 gebildeten Innenauskleidung verse- hen.
Jedes Hitzeschildelement 155 aus einer Legierung ist
arbeitsmediumsseitig mit einer besonders hitzebeständigen Schutzschicht (MCrAlX-Schicht und/oder keramische Beschich- tung) ausgestattet oder ist aus hochtemperaturbeständigem Material (massive keramische Steine) gefertigt. Diese Schutzschichten können ähnlich der Turbinenschaufeln sein, also bedeutet beispielsweise MCrAlX: M ist zumindest ein Element der Gruppe Eisen (Fe) , Kobalt (Co) , Nickel (Ni) , X ist ein Aktivelement und steht für Yttrium (Y) und/oder Si¬ lizium und/oder zumindest ein Element der Seltenen Erden, bzw. Hafnium (Hf) . Solche Legierungen sind bekannt aus der EP 0 486 489 Bl, EP 0 786 017 Bl, EP 0 412 397 Bl oder EP 1 306 454 AI.
Auf der MCrAlX kann noch eine beispielsweise keramische Wär- medämmschicht vorhanden sein und besteht beispielsweise aus
Zr02, Y203-Zr02, d.h. sie ist nicht, teilweise oder vollständig stabilisiert durch Yttriumoxid und/oder Kalziumoxid und/oder Magnesiumoxid. Durch geeignete Beschichtungsverfahren wie z.B. Elektronen- strahlverdampfen (EB-PVD) werden stängelförmige Körner in der Wärmedämmschicht erzeugt.
Andere Beschichtungsverfahren sind denkbar, z.B. atmosphäri- sches Plasmaspritzen (APS), LPPS, VPS oder CVD. Die Wärme¬ dämmschicht kann poröse, mikro- oder makrorissbehaftete Kör¬ ner zur besseren Thermoschockbeständigkeit aufweisen.
Wiederaufarbeitung (Refurbishment ) bedeutet, dass Hitze- schildelemente 155 nach ihrem Einsatz gegebenenfalls von
Schutzschichten befreit werden müssen (z.B. durch Sandstrahlen) . Danach erfolgt eine Entfernung der Korrosions- und/oder Oxidationsschichten bzw. -produkte. Gegebenenfalls werden auch noch Risse in dem Hitzeschildelement 155 repariert. Da- nach erfolgt eine Wiederbeschichtung der Hitzeschildelemente 155 und ein erneuter Einsatz der Hitzeschildelemente 155. Aufgrund der hohen Temperaturen im Inneren der Brennkammer 110 kann zudem für die Hitzeschildelemente 155 bzw. für deren Halteelemente ein Kühlsystem vorgesehen sein. Die Hitzeschildelemente 155 sind dann beispielsweise hohl und weisen ggf- noch in den Brennkammerraum 154 mündende Kühllöcher (nicht dargestellt) auf.
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand eines Ausführungsbei¬ spiels beschrieben worden ist, versteht es sich, dass dieses Ausführungsbeispiel lediglich der exemplarischen Darstellung der Erfindung dient und dass Abweichungen von diesem Ausführungsbeispiel möglich sind. Die Erfindung soll daher nicht auf die Ausgestaltung des Ausführungsbeispiels beschränkt sein, sondern lediglich durch die angehängten Ansprüche.

Claims

Patentansprüche
1. Ein Verfahren zum Beschichten eines Werkstücks unter
Verwendung einer Sprühvorrichtung,
wobei das Beschichten des Werkstücks gemäß wenigstens einem Beschichtungsparameter vorgenommen wird und
wobei während des Beschichtens wenigstens folgende Schritte ausgeführt werden:
- Erfassen einer örtlichen Wärmeverteilung in einem
Arbeitsbereich einer Oberfläche des Werkstücks; und
- Anpassen des wenigstens einen Beschichtungsparameters in Abhängigkeit von der erfassten Wärmeverteilung.
2. Das Verfahren des vorhergehenden Anspruchs,
bei dem die erfasste Wärmeverteilung mit gespeicherten Referenzwärmeverteilungen verglichen wird und bei dem der wenigstens eine Beschichtungsparameter in Abhängigkeit von einem einer der erfassten Wärmeverteilung am stärksten ähnelnden Referenzwärmeverteilung der gespeicherten
Referenzwärmeverteilungen zugeordneten
Beschichtungsparameterdatensatz angepasst wird.
3. Das Verfahren des vorhergehenden Anspruchs,
bei dem eine Differenz zwischen dem Beschichtungsparameter- datensatz der der erfassten Wärmeverteilung am stärksten ähnelnden Referenzwärmeverteilung und dem aktuellen für das Beschichten verwendeten wenigstens einen Beschichtungs- parameter bestimmt und der aktuelle wenigstens eine Be¬ schichtungsparameter in Abhängigkeit von dieser Differenz angepasst werden.
4. Das Verfahren von einem der Ansprüche 2 oder 3,
bei dem die Referenzwärmeverteilungen und die den Referenzwärmeverteilungen jeweils zugeordneten Beschichtungsparame- terdatensätze anhand einer Durchführung von Beschichtungs- Vorgängen unter Verwendung der zugeordneten Beschichtungs- parameterdatensätze gewonnen wurden.
5. Das Verfahren eines der Ansprüche 2 bis 4,
bei dem die gespeicherten Referenzwärmeverteilungen in eine
Mehrzahl von Gruppen unterteilt sind,
wobei jede der Gruppen einer jeweiligen Oberflächenregion des Werkstücks zugeordnet ist und
wobei beim Vergleichen der erfassten Wärmeverteilung mit den gespeicherten Referenzwärmeverteilungen die erfasste
Wärmeverteilung mit derjenigen Gruppe von gespeicherten Referenzwärmeverteilungen verglichen wird, die derjenigen Oberflächenregion des Werkstücks zugeordnet ist, in der sich der Arbeitsbereich, für den die erfasste
Wärmeverteilung erfasst wurde, befindet.
6. Das Verfahren eines der Ansprüche 2 bis 5,
bei dem jeder gespeicherten Referenzwärmeverteilung eine Bewertung zugeordnet ist, die eine Aussage über wenigstens eine Beschichtungseigenschaft ,
insbesondere über eine Beschichtungsporosität , eine
Beschichtungsrauheit oder eine Beschichtungsdicke, enthält.
7. Das Verfahren eines der vorhergehenden Ansprüche,
bei dem die Wärmeverteilung in dem Arbeitsbereich der Oberfläche des Werkstücks mit einem Pyrometer oder einer Infra¬ rotkamera erfasst wird.
8. Das Verfahren eines der vorhergehenden Ansprüche,
bei dem ein Plasmaspritzverfahren verwendet wird. Das Verfahren des vorhergehenden Anspruchs, bei dem der wenigstens eine Beschichtungsparameter wenigstens einen von Plasmaspannung, Pulverzuführrate oder Zusammensetzung eines Plasmagases umfasst.
0. Eine Vorrichtung zum Beschichten eines Werkstücks und mit einer Sprühvorrichtung, einer Wärmemessvorrichtung und einer mit der Sprühvorrichtung und der Wärmemessvorrichtung verbundenen Steuereinheit, die ausgebildet ist, das Verfah¬ ren eines der vorhergehenden Ansprüche auszuführen.
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