WO2018091246A1 - Vorheizung eines werkstückes beim vorbeschichten durch einen laser - Google Patents

Vorheizung eines werkstückes beim vorbeschichten durch einen laser Download PDF

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WO2018091246A1
WO2018091246A1 PCT/EP2017/077321 EP2017077321W WO2018091246A1 WO 2018091246 A1 WO2018091246 A1 WO 2018091246A1 EP 2017077321 W EP2017077321 W EP 2017077321W WO 2018091246 A1 WO2018091246 A1 WO 2018091246A1
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coating
workpiece
preheating
laser
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Thomas Beck
Maik BERGHOFF
Jens Dietrich
Dimitrios Zois
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Siemens Aktiengesellschaft
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Classifications

    • 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
    • C23C4/02—Pretreatment of the material to be coated, e.g. for coating on selected surface areas

Definitions

  • the invention relates to an apparatus and a method for preheating a workpiece prior to coating by a laser.
  • Turbine blades are equipped with complex multi-layer coating systems such as anticorrosion coatings, primer layers, thermal barrier coatings (WDS).
  • WDS usually has ceramics, which are applied porous by atmospheric plasma spraying.
  • TBCs are used, which are characterized by vertical cracks in the TBC
  • Segmented TBC "the preheating of the substrate performed by the burner itself. The burner is operated without powder feed. The torch is guided in a pendulum motion over a small area of the workpiece until a certain temperature is reached. Thereafter, the powder supply is turned on and the pre-heated portion of the workpiece ⁇ coated. Successively, further parts of the workpiece are coated.
  • the figure shows schematically a device according to the invention Vorrich ⁇ .
  • the preheating of the workpiece by a time-consuming pestle movement of the burner is performed by at least one laser.
  • the burner is preceded by a laser beam whose power is preferably controlled by a pyrometer.
  • the use of the laser beam, the power of which is preferably controlled by a pyrometer, has the following advantages in the production of "segmented TBCs":
  • the feed speed of the burner can be varied.
  • the preheat temperature is always constant as the
  • Power of the laser is controlled by the pyrometer.
  • the figure shows schematically a device 1 according to the invention.
  • the device 1 is inside or part of a coating plant in which a workpiece 4 is held or arranged to coat it.
  • the coating takes place on a surface 19 of the work piece ⁇ . 4
  • nickel-based or cobalt-based workpieces 4 are provided with a metallic and / or a ceramic thermal barrier coating.
  • Processes for ceramic coating are APS, LPS or HVOF. This list is not limiting.
  • zirconium oxide and / or pyrochlore is sprayed.
  • the preheating is preferably carried out in a first partial surface 33 and the coating in a second partial surface 30
  • the second partial surface 30 has already been heated in advance by the laser 17. Subsequently, the preheated first partial surface 33 is coated.

Abstract

Durch eine Vorheizung mittels eines Lasers kann beim Beschichten mit keramischem Material die Vorheizung schneller durchgeführt werden.

Description

Vorheizung eines Werkstückes beim Vorbeschichten durch einen
Laser
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Vorheizen eines Werkstückes vor dem Beschichten durch einen Laser .
Turbinenschaufeln erhalten aufwändige mehrlagige Beschich- tungssysteme wie Korrosionsschutzschichten, Haftvermittlerschichten, Wärmedämmschichten (WDS) . Die WDS weist zumeist Keramiken auf, die über atmosphärisches Plasmaspritzen porös aufgetragen werden. Um höhere Heißgastemperaturen zu realisieren werden sogenannte „Segmented TBCs" eingesetzt, die sich durch vertikale Risse in der TBC auszeichnen. Diese
Risse dienen als Dehnungsfugen, damit die Schichten bei großen Temperaturen nicht durch thermische Belastung abplatzen.
Um die „Segmented TBC" zu spritzen muss die Schaufel vorge- heizt werden. Durch die Vorheizung verbessert sich die Anhaf- tung der aufgespritzten Pulverpartikel. Beim Abkühlen des aufgespritzten Pulverpartikels entstehen SchrumpfSpannungen, die zu den vertikalen Rissen führen. Bisher wird zum Spritzen der „Segmented TBC" die Vorheizung des Substrats durch den Brenner selber durchgeführt. Der Brenner wird hierfür ohne Pulverzufuhr betrieben. Der Brenner wird in einer Pendelbewegung über eine kleine Fläche des Werkstücks geführt, bis eine gewisse Temperatur erreicht ist. Danach wird die Pulverzufuhr eingeschaltet und der vorge¬ heizte Abschnitt des Werkstücks beschichtet. Sukzessiv werden weitere Teile des Werkstücks beschichtet.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung oben genanntes Problem zu lösen.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren gemäß Anspruch 2. In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Maßnahmen aufgelistet, die beliebig miteinander kombiniert werden kön¬ nen, um weitere Vorteile zu erzielen.
Es zeigt die Figur schematisch eine erfindungsgemäße Vorrich¬ tung .
Die Vorheizung des Werkstücks durch eine zeitaufwändige Pen- delbewegung des Brenners wird durch zumindest einen Laser durchgeführt. Hierfür wird dem Brenner ein Laserstrahl vorgeschaltet, dessen Leistung vorzugsweise über ein Pyrometer gesteuert wird. Durch die Verwendung des Laserstrahls, dessen Leistung vorzugsweise über ein Pyrometer gesteuert wird, ergeben sich folgende Vorteile bei der Herstellung von „Segmented TBCs":
- Die Temperatur des Werkstücks wird korrekt eingestellt.
- Die Robustheit des Spritzprozesses wird durch eine homo¬ gene Vorheiztemperatur verbessert.
- Die Vorschubgeschwindigkeit des Brenners kann variiert werden. Die Vorheiztemperatur ist immer konstant, da die
Leistung des Lasers über das Pyrometer geregelt wird.
- Die Prozesszeit wird verbessert und es werden Kosten ge¬ spart, da eine separate Vorheizzeit entfällt.
Die Figur zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Vorrichtung 1.
Die Vorrichtung 1 ist innerhalb oder Teil einer Beschich- tungsanlage, in der ein Werkstück 4 gehalten wird oder angeordnet ist, um es zu beschichten. Die Beschichtung erfolgt auf einer Oberfläche 19 des Werk¬ stücks 4.
Im Falle von Turbinenteilen, insbesondere Gasturbinenteilen, werden nickelbasierte oder kobaltbasierte Werkstücke 4 mit einer metallischen und/oder einer keramischen Wärmedämmschicht versehen.
Dies erfolgt insbesondere durch die Verwendung eines pulver- förmigen Beschichtungsmaterials 22, das aus einem Pulver¬ reservoir 10 über eine Düse 7 auf die Oberfläche 19 des Werk¬ stücks 4 geleitet wird.
Verfahren zur keramischen Beschichtung stellen APS, LPS oder HVOF dar. Diese Aufzählung stellt keine Einschränkung dar.
Vorzugsweise wird Zirkonoxid und/oder Pyrochlor, einlagig oder zweilagig, verspritzt. Wie oben erläutert ist es, zur Aufstellung von segmentierten keramischen Wärmedämmschichten notwendig eine Vorheizung einzuhalten, damit sich ein Temperaturgradient ergibt. Dies er¬ folgt dadurch, dass in der Vorrichtung 1 ein Laser 17 vorhanden ist, der die Laserstrahlen 16 ausstrahlen kann und sehr schnell und sehr effektiv das Werkstück 4 vorheizen kann.
Das Vorheizen erfolgt vorzugsweise in einer ersten Teilfläche 33 und das Beschichten in einer zweiten Teilfläche 30
gleichzeitig, wobei die zweite Teilfläche 30 auch schon vorab durch den Laser 17 erwärmt wurde. Anschließend wird die vorgeheizte erste Teilfläche 33 beschichtet.
Dies wird für die gesamte Fläche, die es zu beschichten gilt, gemacht, wobei die gesamte Fläche in Teilflächen aufgeteilt ist .

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung (1) zur Beschichtung und zur Vorheizung eines Werkstücks (4) während der Beschichtung,
bei dem die Vorrichtung (1) zumindest aufweist:
eine Düse ( 7 ) ,
um Beschichtungsmaterial (22) aus einem Beschichtungsreser- voir (10) auf das Werkstück (4) aufbringen zu können, zumindest einen Laser (17),
der Laserstrahlen (16) ausstrahlen kann,
um das Werkstück (4),
das mittels der Düse (7) beschichtet wird,
vorheizen zu können,
insbesondere während des Beschichtens vorzuheizen.
2. Verfahren zum Vorheizen eines Werkstückes (4) beim Beschichten,
insbesondere mittels einer Vorrichtung nach Anspruch 1, bei dem ein Laserstrahl (16) eines Lasers (17) während des Beschichtens auf das Werkstück (4) in einer Vorrichtung (1) gerichtet wird,
um das Werkstück (4) zumindest teilweise aufzuheizen, und danach eine Beschichtung mit einem Beschichtungsmate¬ rial (22) aus einem Pulverreservoir (10),
das über eine Düse (7) auf die Oberfläche (19) des Werk¬ stücks (4) gelenkt wird,
erfolgt .
3. Verfahren nach Anspruch 2,
bei dem eine keramische Schicht aufgetragen wird.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3,
bei dem das Vorheizen einer ersten Teilfläche (33) und das Beschichten in einer anderen zweiten Teilfläche (30) gleichzeitig erfolgt und danach die vorheizte erste
Teilfläche (33) beschichtet wird.
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