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WO2014114597A1 - Geregelte thermische beschichtung - Google Patents

Geregelte thermische beschichtung Download PDF

Info

Publication number
WO2014114597A1
WO2014114597A1 PCT/EP2014/051038 EP2014051038W WO2014114597A1 WO 2014114597 A1 WO2014114597 A1 WO 2014114597A1 EP 2014051038 W EP2014051038 W EP 2014051038W WO 2014114597 A1 WO2014114597 A1 WO 2014114597A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
nozzle
material flow
dxdy
flow rate
target
Prior art date
Application number
PCT/EP2014/051038
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Rolf WILKENHÖNER
Karsten Barautzki
Mario Felkel
Sascha Martin Kyeck
Johannes Richter
Original Assignee
Siemens Aktiengesellschaft
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens Aktiengesellschaft filed Critical Siemens Aktiengesellschaft
Priority to EP14702472.3A priority Critical patent/EP2920336A1/de
Priority to US14/762,517 priority patent/US20150361541A1/en
Priority to CN201480005547.9A priority patent/CN104937128B/zh
Publication of WO2014114597A1 publication Critical patent/WO2014114597A1/de

Links

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
    • C23C4/12—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 process of thermal coating.
  • Thermal spray processes are used for the preparation of metalli ⁇ rule and ceramic layers, in which a material is melted completely or at least partially.
  • the material is injected into a die, for example a plasma torch ⁇ or externally.
  • a plasma torch ⁇ or externally.
  • very high plasma Tempe ⁇ temperatures and the powder material influence at least the nozzle wears. This leads to wear-related fluctuations in the coating process, which are mainly caused by a voltage drop at the burner.
  • the object is achieved by a method according to claim 1.
  • FIG. 1 shows parameter curves from the prior art
  • FIG. 4 parameter profiles according to the invention
  • FIG. 10 shows a nozzle
  • FIGS. 11, 12 a temperature distribution
  • FIG. 13 shows a turbine blade
  • Coatings are applied by thermal coating processes such as SPPS, HVOF, APS, LPPS, VPS, ...
  • a plasma or a flame is generated in a nozzle, wherein a material flows through the nozzle or at the end of the nozzle.
  • the wear on the nozzle or on the coating device changes the material flow properties and thus also the degree of melting of the material, in particular of the powder.
  • FIG. 1 shows an exemplary profile of the voltage U B between the nozzle 30 and an electrode 36 (FIG. 10) according to the prior art.
  • the properties of the flame or of the plasma and / or of the molten material which emerge from the nozzle 30 during the thermal coating, in particular during the plasma coating or HVOF coating are determined.
  • target values ZI, Z2, Z3, in particular of voltage U B between the nozzle 30 and the electrode 36 or the power P at the nozzle 30, material flow speed v p , the temperature T p of the material flow 42 and / or a light - Distribution H (x, y) or temperature distribution T (x, y) with H light intensity or radiation power of the particles Mxy determined in the material flow 42.
  • parameter sets K 1, K 2,... are ascertained in which the controlled variables R 1, R 2, R 3 are increased simultaneously or partially (> 1 , 0) or decreased ( ⁇ 1,0) or remain constant (1,0).
  • 1.0 illustrates this for Rl, R2, R3, ... a nominated value is, namely, the set value divided by the off ⁇ transition state of Rl, R2, ....
  • the values of 1,1; 0.9 represent accordingly a corresponding increase or decrease of Rl, R2, ....
  • the values 1.1; 0.9; 1.0 accordingly represent a corresponding increase, decrease or no change in the normalized values of ZI, Z2,.
  • the changes in the target variables ZI, Z2, Z3, here particle temperature T P , voltage U B , power P, particle velocity, depend on the respective nozzle 30. It is also possible to acquire a data table only with higher ( ⁇ ) and lower (I) values for Rl, R2, ..., ie no constant values (-) for the controlled variables.
  • Kl R2 has larger percentage changes than Rl, R3; K2: Rl has larger percentage changes than R2, R3; K4: R3 less than R1, R2.
  • Layer thickness and the layer weight m c (FIG. 6) of the blade and porosity p (FIG. 7) are constant over time t.
  • FIG. 10 shows a nozzle 30 in which argon is used as the primary gas
  • gas flow rate m G of argon 30 can ge ⁇ be adjusted to achieve the desired results m Ar (Fig. 8) and that of hydrogen m H 2 (FIG. 9) on the nozzle, in particular for the voltage U B.
  • FIG. 11 shows a distribution 36 of the temperature T (x, y) or the brightness H (x, y) in the outflow direction z of the material flow 42.
  • FIG. 12 is a side view of the material flow 42 and its brightness distribution H (x, y) or its temperature distribution T (x, y).
  • the brightness values in the x-direction are summed up for a y position.
  • the brightness H (x, y) is determined by all particles M xy along the x-direction for a location y and the temperature T of the particles M xy , since not only the outer particles in the area 39 '''radiate, but also the internal particles in the area 39 'radiate outward and are detected.
  • the temperature T (x, y) is determined only by the outer particles in the region 39 '' '.
  • H (x, y) dxdy over the plan view according to FIG. 11 or FIG. 12 can also be determined and a single integral brightness value R results.
  • This value R can be used for regulation.
  • This integral, singular value R then also represents a controlled variable Z.
  • the material flow rate m M of the material flow is preferably not changed during the control.
  • Figure 13 shows a perspective view of a rotor blade 120 or guide vane 130 ⁇ 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 designed, for example, as a hammer head. Other designs as Christmas tree or Schwalbenschwanzfuß 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
  • 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 monocrystalline structure or structures are used as components for machines which are exposed to high mechanical, thermal and / or chemical stresses during operation.
  • 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.
  • the blades 120, 130 may have coatings against corrosion or oxidation, e.g. B. (MCrAlX, M is at least one element of the group iron (Fe), cobalt (Co),
  • Nickel (Ni) is an active element and stands for yttrium (Y) and / or silicon and / or at least one element of the rare earths, 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.
  • the density is preferably 95% of the theoretical
  • 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 Zr0 2 , Y2Ü3-Zr02, ie it is not, partially or completely stabilized by yttria
  • the thermal barrier coating covers the entire MCrAlX layer.
  • Electron beam evaporation produces stalk-shaped grains in the thermal barrier coating.
  • the heat insulation layer may have ⁇ porous, micro- or macro-cracked compatible grains for better thermal shock resistance.
  • the thermal barrier coating is therefore preferably more porous than the
  • MCrAlX layer Refurbishment means that components 120, 130 may have to be freed of protective layers after use (eg by sandblasting). This is followed by removal of the corrosion and / or oxidation layers or products. If necessary, will also
  • 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.

Landscapes

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  • Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)

Abstract

Durch die kombinierte Messung der Partikelgeschwindigkeit, -temperatur, -Intensität, Brennerspannung und deren Regelung in einem Toleranzbereich ist es möglich, die Schichtstruktur, die Schichtdicke und das Schichtgewicht trotz verschleißbedingter Schwankungen im Beschichtungsprozess konstant zu halten.

Description

Geregelte thermische Beschicht
Die Erfindung betrifft einen Prozess der thermischen Be- schichtung .
Thermische Spritzprozesse werden zur Herstellung von metalli¬ schen und keramischen Schichten eingesetzt, bei denen ein Material ganz oder zumindest teilweise aufschmilzt.
Das Material wird in eine Düse beispielsweise eines Plasma¬ brenners oder extern injiziert. Durch sehr hohe Plasmatempe¬ raturen und den Pulvermaterialeinfluss verschleißt zumindest die Düse. Dies führt zu verschleißbedingten Schwankungen im Beschichtungsprozess , welche hauptsächlich durch einen Spannungsabfall am Brenner verursacht werden.
Bisher wurden diese Schwankungen durch Nachjustieren des Pulvermassenstroms ausgeglichen, um das gewünschte Schichtge¬ wicht der Schaufel im Toleranzband zu halten.
Dies ist jedoch nicht optimal, da lediglich der spannungsab¬ fallinduzierte Leistungsabfall am Brenner durch eine Erhöhung des Pulvermassenstroms kompensiert wird.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung oben genanntes Problem zu lösen .
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1.
In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Maßnahmen aufgelistet, die beliebig miteinander kombiniert werden kön¬ nen, um weitere Vorteile zu erzielen.
Es zeigen:
Figuren 1 Parameterverläufe aus dem Stand der Technik, Figuren 4
Figure imgf000002_0001
erfindungsgemäße Parameterverläufe,
Figur 10 eine Düse, Figuren 11, 12 eine Temperaturverteilung,
Figur 13 eine Turbinenschaufel.
Die Beschreibung und die Figuren stellen nur Ausführungsbei- spiele der Erfindung dar.
Beschichtungen werden durch thermische Beschichtungsprozesse wie SPPS, HVOF, APS, LPPS, VPS, ... aufgebracht. Dabei wird in einer Düse ein Plasma oder eine Flamme erzeugt, wobei durch die Düse oder am Ende der Düse ein Material einströmt.
Durch den Verschleiß an der Düse oder an der Beschichtungs- vorrichtung verändern sich die Materialstromeigenschaften und damit auch der Aufschmelzgrad des Materials, insbesondere vom Pulver .
Figur 1 zeigt einen beispielhaften Verlauf der Spannung UB zwischen der Düse 30 und einer Elektrode 36 (Fig. 10) nach dem Stand der Technik.
Die Spannung UB zwischen der Düse 30 und der Elektrode fällt mit der Zeit t ab und geht dann in eine Sättigung über. Bei anderen Düsentypen ist auch ein kontinuierlicher Abfall der Spannung UB über die Zeit t oder andere Verläufe möglich.
Dementsprechend ist der Verlauf der durchschnittlichen Tempe¬ raturen T und der durchschnittlichen Materialstromgeschwindigkeit vp (nicht dargestellt) über die Zeit. Als Auswirkung davon nimmt das Schichtgewicht mc mit der Zeit ab (Figur 2) und/oder die Porosität p (Figur 3) nimmt zu.
Es werden daher erfindungsgemäß die Eigenschaften der Flamme oder des Plasmas und/oder des aufgeschmolzenen Materials, die bei der thermischen Beschichtung aus der Düse 30, insbesondere bei der Plasma-Beschichtung oder HVOF-Beschichtung austreten, ermittelt. Dabei werden Zielwerte ZI, Z2, Z3, wie insbesondere von Span¬ nung UB zwischen der Düse 30 und der Elektrode 36 oder der Leistung P an der Düse 30, Materialstromgeschwindigkeit vp, die Temperatur Tp des Materialstroms 42 und/oder eine Hellig- keitsverteilung H (x,y) oder Temperaturverteilung T(x,y) mit H = Lichtstärke oder Strahlungsleistung der Partikel Mxy im Materialstrom 42 ermittelt.
Dies erfolgt durch Messgeräte, die über Pyrometrie oder CCD- Kameras quantitative Daten ermitteln.
Werden bei der Messung also Abweichungen festgestellt, so ist auf einen Verschleiß zu schließen und Parameter Rl, R2, R3 zur Veränderung der Zielgrößen ZI, Z2, Z3 werden entsprechend eingestellt, so dass wieder die gewünschten Zielwerte von ZI, Z2, Z3 erreicht werden.
Die Regelung der Zielwerte (ZI, Z2, Z3) erfolgt über die An¬ passung der Regelgrößen (Rl, R2, R3) , hier von Stromstärke IB der Düse 30, der Flussraten der Primär- und/oder Sekundärgase in H2, in Ar an der Düse 30, durch welche sich die Zielparame¬ ter ZI, Z2, Z3 gezielt einstellen lassen.
Primärgase sind Argon (Ar) und/oder Helium (He), Sekundärgas ist z.B. Wasserstoff (H2) , die durch die Düse 30 strömen.
Es können ein, zwei oder drei Regelgrößen verwendet werden ausgehend von einem optimalen Sollzustand für ZI, Z2, Z3, für die hier verwendeten drei Regelgrößen Rl, R2, R3.
Ausgehend von den Regelgrößen Rl, R2, R3, bei denen die Zielgrößen ZI, Z2, Z3 eingehalten werden, werden vorab Parametersätze Kl, K2, ... ermittelt, bei denen die Regelgrößen Rl, R2, R3 gleichzeitig oder teilweise erhöht (> 1,0) oder erniedrigt (< 1,0) werden oder konstant (1,0) bleiben. 1,0 stellt dabei für Rl, R2, R3, ... einen nominierten Wert dar, nämlich der eingestellte Wert geteilt durch den Aus¬ gangszustand von Rl, R2, .... Die Werte 1,1; 0,9 stellen dementsprechend eine entsprechende Erhöhung oder Erniedrigung von Rl, R2, ... dar.
Figure imgf000005_0001
Aufgrund dieser Erhöhungen und/oder Änderungen der Regelgrößen Rl, R2, R3 werden dann die veränderten Werte der hier vorzugsweise drei verwendeten Zielgrößen Zi, Z2, Z3 ermittelt
Figure imgf000005_0002
Die Werte 1,1; 0,9; 1,0 stellen dementsprechend eine entspre- chende Erhöhung, Erniedrigung oder keine Veränderung der normierten Werte von ZI, Z2, ... dar.
Die Veränderungen der Zielgrößen ZI, Z2, Z3, hier Partikeltemperatur TP, Spannung UB, Leistung P, Partikelgeschwindig- keit, hängen von der jeweiligen Düse 30 ab. Ebenso ist es möglich, nur mit höheren (†) und niedrigeren ( I ) Werten für Rl, R2, ... eine Datentabelle zu erfassen, d.h. keine gleichbleibende Werte (-) für die Regelgrößen.
Figure imgf000006_0001
Ebenso ist es möglich, die höheren (1,0) oder niedrigeren (0.9) Werte von Rl, R2, R3 unterschiedlich groß auszugestal¬ ten und die Auswirkung auf die Zielgrößen ZI, Z2, Z3 zu bestimmen :
Kl: R2 hat prozentual größere Änderungen als Rl, R3; K2 : Rl hat prozentual größere Änderungen als R2, R3; K4 : R3 kleiner als Rl, R2.
Figure imgf000006_0002
Diese vorab ermittelten Parametersätze Kl, ... werden dann zur Regelung verwendet, wenn eine Abweichung bei ZI, Z2, Z3 auftritt .
Es wird bei einer Abweichung des Wertes von ZI, Z2, ... ermittelt, welche Kombination Kl, K2, ... von ZI, Z2, Z3 der Abweichung am nächsten kommt, ggf. eine Bestfist-Anpassung durchgeführt und die Regelwerte Rl, R2, R3 dieser so gefundenen Kombination Kl, K2, ... werden dann für den weiteren Betrieb der Düse 30 und Elektrode 36 verwendet, um die Abweichungen zu kompensieren.
Durch diese Regelung bleiben die Schichtstruktur, die
Schichtdicke und das Schichtgewicht mc (Fig. 6) der Schaufel sowie Porosität p (Fig. 7) über die Zeit t konstant.
Durch die Regelung der Stromstärke IB (Fig. 4) wird die die Leistung P relativ konstant gehalten (Fig. 5) . Dies ist dann auch erkennbar an den konstanten Werten der Partikeltemperaturen und der Partikelgeschwindigkeiten Vp (nicht dargestellt) .
Figur 10 zeigt eine Düse 30, bei der als Primärgas Argon
(Ar), Helium (He) und/oder als Sekundärgas Wasserstoff (H2) an einem Düsenende 31 eingeleitet werden und am anderen Ende 33 Material (Mx,y) hinzugeführt wird. Durch das Anlegen der Spannung UB zwischen der Elektrode 36 und der Düse 30 wird durch einen hochenergetischen Lichtbogen ein Plasma erzeugt, das die Plasmaflamme bildet.
Ebenso können die Gas-Flussraten m G von Argon m Ar (Fig. 8) sowie die von Wasserstoff m H2 (Fig. 9) an der Düse 30 ge¬ regelt werden, um die gewünschten Ergebnisse zu erzielen, insbesondere für die Spannung UB.
In Figur 11 ist eine Verteilung 36 der Temperatur T(x,y) oder der Helligkeit H(x,y) in Ausströmrichtung z des Materialstroms 42 dargestellt.
Dabei gibt es einen heißesten inneren Kern 39' und weiter außen gelegene Bereiche 39' ' , 39' ' ' , die weniger heiß sind. Das Vorhandensein von mehreren Bereichen 39' , 39' ' , 39' ' ' ist hier nur schematisch bzgl. eines kontinuierlichen Abfalls oder Veränderung der Temperatur oder Helligkeit. Figur 12 ist eine seitliche Ansicht auf den Materialstrom 42 und dessen Helligkeitsverteilung H(x,y) oder dessen Temperaturverteilung T(x,y).
Bei dieser seitlichen Aufsicht werden die Helligkeitswerte in x-Richtung für eine y Position aufsummiert.
Die Helligkeit H(x,y) wird bestimmt durch alle Partikel Mxy entlang der x-Richtung für eine Stelle y und der Temperatur T der Partikel Mxy, da nicht nur die äußeren Partikeln im Bereich 39' ' ' strahlen, sondern auch die inneren Partikel im Bereich 39' nach außen abstrahlen und erfasst werden.
Die Temperatur T(x,y) wird eher nur durch die äußeren Partikel im Bereich 39''' bestimmt.
Es kann auch ein integraler Wert R einer Fläche |H(x,y) dxdy über die Aufsicht gemäß Figur 11 oder Figur 12 ermittelt werden und es ergibt sich ein einzelner integraler Helligkeitswert R.
Dieser Wert R kann zur Regelung verwendet werden.
Wenn Abweichungen in diesem Integralwert R festgestellt werden, tritt eine Regelung ein.
Ebenso kann ein integraler Temperaturwert R = | T(x,y) dxdy über den Querschnitt gemäß Figur 12 oder Figur 11 für die Regelung ermittelt werden.
Dieser integrale, singuläre Wert R stellt dann auch eine Regelgröße Z dar.
Ebenso kann ein bildhafter Vergleich zu verschiedenen Zeiten zwischen zwei Bildern der Figuren 11, 12 für die Temperaturverteilung T(x,y) oder Helligkeitsverteilung H(x,y) angestellt und Abweichungen ermittelt werden.
Wenn Abweichungen festgestellt werden, tritt ebenfalls eine Regelung ein. Die Materialflussrate m M des Materialstroms wird bei der Regelung dabei vorzugsweise nicht verändert.
Die Figur 13 zeigt in perspektivischer Ansicht eine Lauf¬ schaufel 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 Schwalbenschwanzfuß 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 hohen 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 Richtung 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) ,
Nickel (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 oder EP 1 306 454 AI.
Die Dichte liegt vorzugsweise bei 95% der theoretischen
Dichte.
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, Y2Ü3-Zr02, d.h. sie ist nicht, teil- weise oder vollständig stabilisiert durch Yttriumoxid
und/oder Kalziumoxid und/oder Magnesiumoxid.
Die Wärmedämmschicht 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.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur thermischen Beschichtung mittels eines Materialstroms (42) mittels einer Düse (30),
insbesondere mittels eines Pulverstroms,
bei dem ein Material (Mxy) des Materialstroms (42) erwärmt, angeschmolzen und/oder aufgeschmolzen wird,
insbesondere mittels eines Plasmas oder einer Flamme, bei dem zumindest eine der Zielgrößen ( Z i , Z 2 , 7, 3 , ... )
Materialstromgeschwindigkeit (vp) des Materialstroms (42) und/oder
Helligkeitsverteilungen (H(x,y); jH(x, y) dxdy ) oder
Temperaturverteilung (T(x,y; jT(x, y) dxdy ) des Materialstroms (42)
und/oder
Spannung (UB) zwischen einer Elektrode (36) und der Düse (30)
und/oder
die Leistung (P) der Düse (30)
gemessen oder bestimmt und geregelt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
bei dem als zumindest eine Zielgröße (Zlr Z2, Z3i ...)
eine Helligkeitsverteilung (H(x,y); jH(x, y) dxdy ) des
Materialstroms (42) oder die Spannung (UB) zwischen der Düse (30) und der Elektrode (36) oder die Leistung (P) der Düse (30) geregelt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1,
bei dem als Zielgrößen ( Z i , Z 2 )
entweder
die Materialstromgeschwindigkeit (vp) und
die Spannung (UB) zwischen der Düse (30) und
der Elektrode (36)
oder
die Materialstromgeschwindigkeit (vp) und
die Leistung (P) an der Düse (30)
geregelt werden.
Verfahren nach Anspruch 1,
bei dem als Zielgrößen ( Z i , Z 2 )
eine Helligkeitsverteilung (H(x,y); fH(x, y) dxdy )
Materialstroms (42) und
die Materialstromgeschwindigkeit
geregelt werden.
Verfahren nach Anspruch 1,
bei dem als Zielgrößen (Zlr Z2)
eine Temperaturverteilung
Figure imgf000014_0001
Materialstroms (42) und
die Materialstromgeschwindigkeit (vp)
geregelt werden.
6. Verfahren nach Anspruch 1,
bei dem als Zielgrößen (Zlr Z2, Z3)
entweder
eine Temperaturverteilung (T(x,y); |T(x, y) dxdy ) des Materialstroms (42),
die Materialstromgeschwindigkeit (vp) und
die Spannung (UB) zwischen der Düse (30) und der Elektrode
(36) oder
eine Temperaturverteilung (T(x,y); fT(x, y) dxdy ) des
Materialstroms (42),
die Materialstromgeschwindigkeit (vp) und
die Leistung der Düse (30)
geregelt werden.
7. Verfahren nach Anspruch 1,
bei dem als Zielgrößen ( Z l r Z2, Z3)
entweder
die Helligkeitsverteilung (H(x,y); jH(x,y) dxdy ) des Materialstroms (42),
die Materialstromgeschwindigkeit (vp) und
die Spannung (UB) zwischen der Düse (30) und der Elektrode
(36)
oder
die Helligkeitsverteilung des (H(x,y); jH(x,y) dxdy )
Materialstroms (42),
die Materialstromgeschwindigkeit (vp) und
die Leistung (P) an der Düse (30)
geregelt werden.
8. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2, 3, 4, 5, 6 oder 7,
bei dem die Stromstärke (IB) zwischen der Düse (30) und der Elektrode (36),
und/oder
die Gasflussraten ( // m Ar) der Düse (30),
als Regelgrößen (Rl, R2, R3) verändert werden,
um die Zielgrößen (ZI, Z2, Z3) wie die Helligkeitsvertei¬ lung (H(x,y); IH(x,y) dxdy ) des Materialstroms (42) oder die Temperaturverteilung (Tx,y); fT(x, y) dxdy ) des Material- Stroms (42) oder
die Spannung (UB) an der Düse (30) oder
die Leistung (P) an der Düse (30) und/oder Materialstromgeschwindigkeit (vp)
in einem bestimmten Toleranzbereich oder konstant zu halten .
9. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8,
bei dem als eine Regelgröße (Rl, R2, R3) die Stromstärke (IB) erhöht oder gesenkt wird.
10. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9,
bei dem als zumindest eine Regelgröße (Rl, R2, R3) die Gas¬ flussrate (/KÄr, /// ) der Primärgase (Argon, Helium)
und/oder der Sekundärgase (Wasserstoff, ...) der Düse (30) erhöht oder gesenkt werden.
11. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10,
bei dem die Materialflussrate (mm) während der Beschich- tung nicht verändert wird.
12. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11,
bei dem als Temperatur die Temperaturverteilung (T(x,y)) des Materialsstroms (42) verwendet wird.
13. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11,
bei dem als Temperatur des Materialsstroms (42) ein Integ¬ ralwert (IT(x, y) dxdy ) des Materialsstroms (42) verwendet wird .
14. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche
11,
bei dem als Helligkeitswert ein Integralwert
(IH(x,y) dxdy ) des Materialstroms (42) verwendet wird.
15. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11,
bei dem als Helligkeitswert die Helligkeitsverteilung
(H(x,y)) des Materialsstroms (42) verwendet wird.
16. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, 14 oder 15,
bei dem als Helligkeitswert (H) die Lichtstärke oder Strah¬ lungsleistung des Materialstroms (42) verwendet wird.
17. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 16,
bei dem ein HVOF-Verfahren verwendet wird.
18. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 16,
bei dem ein Plasmaspritzverfahren verwendet wird.
19. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 18,
bei dem vor der Beschichtung,
ausgehend von einem und/oder mehreren Anfangswerten der Regelgrößen (Rl, R2, R3) ,
bei dem die gewünschten Zielgrößen (ZI, Z2, Z3) erreicht und/oder eingehalten werden,
Parametersätze für verschiedene Konstellationen wie höher, tiefer, konstant der Regelgrößen (Rl, R2, R3) eingestellt werden und
die Veränderungen der Zielgrößen (ZI, Z2, Z3) ermittelt werden,
die dann später zur Regelung verwendet werden.
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