DE102004059549A1

DE102004059549A1 - Verfahren zur Beschichtung eines Werkstücks

Info

Publication number: DE102004059549A1
Application number: DE102004059549A
Authority: DE
Inventors: Manuel Dr. Hertter; Andreas Jakimov; Wolfgang Dr. Wachter
Original assignee: MTU Aero Engines GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines AG
Priority date: 2004-12-10
Filing date: 2004-12-10
Publication date: 2006-06-22
Also published as: EP1825016A1; DE502005004056D1; WO2006060991A1; US20080131610A1; EP1825016B1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beschichtung eines Werkstücks, wobei ein Beschichtungswerkstoff und ein Zuschlagwerkstoff durch thermisches Spritzen auf das Werkstück aufgetragen werden. Erfindungsgemäß wird zusätzlich zu dem Beschichtungswerkstoff ein Zuschlagwerkstoff auf das Werkstück aufgetragen, in dem bzw. auf dem ein fluoreszierender Markerwerkstoff fest gebunden ist, wobei der Spritzvorgang dadurch online überwacht wird, dass zumindest die in einem Spritzstrahl befindlichen Partikel des fluoreszierenden Markerwerkstoffs erfasst und ausgewertet werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beschichtung eines Werkstücks nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Aus dem Stand der Technik sind zahlreiche Verfahren zur Beschichtung von Werkstücken bekannt. Beim sogenannten thermischen Spritzen handelt es sich um ein Beschichtungsverfahren, bei welchem ein thermisch aktiver Beschichtungswerkstoff auf eine zu beschichtende Oberfläche eines Werkstücks gespritzt bzw. gesprüht wird. Da nahezu alle schmelzbaren Beschichtungswerkstoffe verwendet werden können, lassen sich durch thermisches Spritzen Beschichtungen mit unterschiedlichen Eigenschaften bzw. Funktionen wie zum Beispiel Wärmedämmung, Korrosionsschutz oder Verschleißschutz realisieren. Beim thermischen Spritzen gibt es nahezu unbegrenzte Kombinationsmöglichkeiten zwischen dem Werkstoff des zu beschichtenden Gegenstands bzw. Werkstücks und dem für die Beschichtung zu verwendenden, thermisch aktiven Beschichtungswerkstoff.

Abhängig von der verwendeten Wärmequelle unterscheidet man verschiedene thermischen Spritzverfahren, nämlich zum Beispiel das Plasmaspritzen, Lichtbogenspritzen, Flammspritzen oder auch Hochgeschwindigkeitsflammspritzen. Auch das Kalt Kinetische Kompaktieren ist ein thermisches Spritzverfahren. Die Auswahl des entsprechenden thermischen Spritzverfahrens hängt zum Beispiel vom Beschichtungswerkstoff, den gewünschten Eigenschaften der Beschichtung und von den jeweiligen Kosten ab.

Zur Bereitstellung von zum Beispiel einer porösen Beschichtung auf dem zu beschichtenden Werkstück ist es bereits bekannt, zusätzlich zu dem eigentlichen Beschichtungswerkstoff einen Zuschlagwerkstoff durch thermisches Spritzen auf das zu beschichtende Werkstück aufzutragen, wobei der Zuschlagwerkstoff nach dem thermischen Spritzvorgang zersetzt bzw. aufgelöst wird, um so die poröse Beschichtung bereitzustellen. So hinterlässt der sich zersetzende Zuschlagwerkstoff in der Beschichtung Poren. Das Zersetzen des Zuschlagwerkstoffs erfolgt dabei insbesondere durch eine Wärmebehandlung des beschichteten Werkstücks. Sollte keine Porosität gewünscht sein, kann der Zuschlagswerkstoff – soweit er sich nicht schädlich auswirkt – auch in der Schicht verbleiben und die Eigenschaften der Schicht beeinflussen.

Bei der Beschichtung von Werkstücken mit einem thermischen Spritzverfahren kommt der Qualitätskontrolle der sich einstellenden Beschichtung eine wichtige Rolle zu. Nur dann, wenn die Beschichtung vorgegebene Qualitätskriterien erfüllt, kann das beschichtete Werkstück die Qualitätskontrolle passieren und gegebenenfalls weiterverarbeitet werden. Da die Zuschlagstoffe, die zur Bereitstellung von zum Beispiel einer porösen Beschichtung zusammen mit dem Beschichtungswerkstoff auf das Werkstück aufgetragen werden, im Wege einer Online-Qualitätskontrolle nicht erfasst bzw. detektiert werden können, werden nach dem Stand der Technik zur Qualitätskontrolle zerstörende Prüfmethoden stichprobenartig eingesetzt. Eine das Werkstück zerstörende Qualitätskontrolle ist zum einen kosten- und zeitintensiv, zum anderen können nur stichprobenartige Kontrollen durchgeführt werden.

Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung das Problem zu Grunde ein neuartiges Verfahren zur Beschichtung eines Werkstücks zu schaffen.

Dieses Problem wird durch ein Verfahren zur Beschichtung eines Werkstücks gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Erfindungsgemäß wird zusätzlich zu dem Beschichtungswerkstoff ein Zuschlagwerkstoff auf das Werkstück aufgetragen, in dem bzw. auf dem ein fluoreszierender Markerwerkstoff fest gebunden ist, wobei der Spritzvorgang dadurch online überwacht wird, dass zumindest die in einem Spritzstrahl befindlichen Partikel des fluoreszierenden Markerwerkstoffs erfasst und ausgewertet werden.

Im Sinne des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zur Beschichtung eines Werkstücks ein Zuschlagwerkstoff verwendet, in dem bzw. auf dem ein fluoreszierender Markerwerkstoff gebunden ist. Der fluoreszierende Markerwerkstoff wird während des Spritzvorgangs online erfasst. Bei der Herstellung von zum Beispiel porösen Beschichtungen kann so bereits während des Spritzvorgangs auf die Qualität der sich nach dem Zersetzen des Zuschlagwerkstoffs einstellenden, porösen Beschichtung, geschlossen werden. Hierdurch ist es erstmals möglich, durch thermisches Spritzen hergestellte Beschichtungen einer umfassenden Online-Qualitätskontrolle zu unterziehen und damit auf zerstörende Prüfmethoden zu verzichten.

Bei der Herstellung poröser Beschichtungen wird nach dem Spritzvorgang der Zuschlagwerkstoff zusammen mit dem fluoreszierenden Markerwerkstoff insbesondere durch Wärmebehandlung des beschichteten Werkstücks zersetzt.

Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird, ohne hierauf beschränkt zu sein, an Hand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:
1 eine stark schematisierte Darstellung einer Vorrichtung zur Beschichtung eines Werkstücks zur Verdeutlichung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Nachfolgend wird die hier vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf 1 am Beispiel der Herstellung einer porösen Beschichtung in größerem Detail beschrieben.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beschichtung eines Werkstücks mittels thermischem Spritzen. Hierzu wird ein Beschichtungswerkstoff zusammen mit einem Zuschlagwerkstoff durch thermisches Spritzen auf das Werkstück aufgetragen, nämlich gespritzt bzw. gesprüht. Nach dem thermischen Spritzvorgang wird der Zuschlagwerkstoff insbesondere durch eine Wärmebehandlung des beschichteten Werkstücks zersetzt, um so eine poröse Beschichtung auf dem Werkstück bereitzustellen.
Nachfolgend wird die Erfindung für das Plasmaspritzen als bevorzugtes thermisches Spritzverfahren beschrieben. Die Erfindung soll jedoch nicht auf das Plasmaspritzen beschränkt sein. Vielmehr kann die Erfindung auch bei anderen thermischen Spritzverfahren, so zum Beispiel beim Flammspritzen, Hochgeschwindigkeitsflammspritzen, Lichtbogendrahtspritzen oder beim Kalt Kinetischen Kompaktieren, zum Einsatz kommen.
Das Plasmaspritzen als solches ist aus dem Stand der Technik hinlänglich bekannt. So offenbart zum Beispiel die EP 0 851 720 B1 ein für das Plasmaspritzen geeignetes Plasmatron. Der Vollständigkeit halber soll lediglich angemerkt werden, dass beim Plasmaspritzen zwischen einer Kathode und einer Anode eines nicht-dargestellten Plasmatrons ein Lichtbogen gezündet wird. Dieser Lichtbogen erhitzt ein durch das Plasmatron strömendes Plasmagas. Als Plasmagase werden zum Beispiel Argon, Wasserstoff, Stickstoff, Helium oder Gemische dieser Gase verwendet. Durch das Erhitzen des Plasmagases stellt sich ein Plasmastrahl ein, der im Kern Temperaturen von bis 20.000°C erreichen kann. Der zur Beschichtung verwendete Beschichtungswerkstoff wird mithilfe eines Trägergases in den Plasmastrahl injiziert. Des weiteren wird dieser für die Beschichtung zu verwendende Beschichtungswerkstoff durch den Plasmastrahl auf eine hohe Geschwindigkeit beschleunigt. Der auf diese Art und Weise beschleunigte Werkstoff wird auf das zu beschichtende Werkstück aufgetragen, nämlich aufgespritzt.
Zur Bereitstellung der porösen Beschichtung wird neben dem Beschichtungswerkstoff auch ein Zuschlagwerkstoff auf das zu beschichtende Werkstück aufgespritzt. Hierbei bildet sich ein Spritzstrahl aus, wobei der Spritzstrahl zum einen von dem Plasmastrahl und zum anderen von dem Partikelstrahl des Beschichtungswerkstoffs und Zuschlagwerkstoffs gebildet wird. Die Partikel prallen mit einer hohen thermischen sowie kinetischen Energie auf eine Oberfläche des zu beschichtenden Werkstücks auf und bilden dort eine Beschichtung. Abhängig von den Parametern des Spritzprozesses bilden sich die gewünschten Eigenschaften der Beschichtung aus.
Im Sinne der hier vorliegenden Erfindung wird beim thermischen Spritzen ein Zuschlagwerkstoff verwendet, in dem bzw. auf dem ein fluoreszierender Markerwerkstoff festgebunden ist. Beim thermischen Spritzen werden sowohl die Partikel des Beschichtungswerkstoffs als auch die Partikel des Markerwerkstoffs, der in dem bzw. auf dem Zuschlagwerkstoff fest gebunden ist, zum Leuchten angeregt, so dass die in dem Spritzstrahl bzw. Partikelstrahl enthaltenen Partikel des Beschichtungswerkstoffs und die Partikel des Markerwerkstoffs im Sinne einer Online-Überwachung erfasst und ausgewertet werden können. Die Anregung des fluoreszierenden Markerwerkstoffs sowie des Beschichtungswerkstoffs kann zum Beispiel über den Plasmastrahl erfolgen. Alternativ kann die Anregung über eine Laserquelle bewerkstelligt werden, welche die Partikel zum Leuchten anregt.
In diesem Zusammenhang soll darauf hingewiesen werden, dass Markerwerkstoffe verwendet werden, die in einem anderen Wellenlängenbereich leuchten als der Beschichtungswerkstoff. Hierdurch wird es möglich, im Partikelstrahl die Partikel des Beschichtungswerkstoffs von den Partikeln des Markerwerkstoffs und damit des Zuschlagwerkstoffs zu unterscheiden. Als Markerwerkstoffe finden insbesondere Laserfarbstoffe Verwendung, deren Fluoreszenz im sichtbaren Wellenlängenbereich liegt. Insbesondere eignet sich als Laserfarbstoff Rhodamin 6G, dessen Fluoreszenz-Emissionsmaximum bei ca. 560 nm liegt. Rhodamin 6G kann in organischen Zuschlagstoffen, wie Polyester, fest gebunden werden, indem zum Beispiel Rhodamin 6G in Polyester eindiffundiert wird.
Die Überwachung und Auswertung des Spritzvorgangs erfolgt, wie bereits erwähnt, mit Hilfe von Online-Prozesskontroll- bzw. -regelsystemen. Die Überwachung und Auswertung des Spritzvorgangs wird nachfolgend unter Bezugnahme auf 1 erläutert. 1 zeigt stark schematisiert einen sich beim Plasmaspritzen einstellenden Spritzstrahl 10. Der Spritzstrahl 10 wird mit einer Kamera 11 durch ein optisches Filter 12 optisch überwacht. Die Kamera 11 ist im gezeigten Ausführungsbeispiel als CCD-Kamera ausgebildet. Das optische Filter kann als Graufilter oder Farbfilter oder Bandpassfilter ausgeführt sein. Auch können mehrere Kameras und/oder andere Prozesskontrollsysteme, insbesondere ein Spektrometer zur Überwachung des Spritzvorgangs verwendet werden.
Das von der Kamera 11 erfasste bzw. ermittelte Bild wird einem im Detail nicht-dargestellten Bildverarbeitungssystem zugeführt. Im Bildverarbeitungssystem werden Eigenschaften des optisch überwachten Spritzstrahls aus den von der Kamera 11 erfassten Daten ermittelt. Die aus der optischen Überwachung des Spritzstrahls ermittelten Eigenschaften des Spritzstrahls 10 werden mit vorgegebenen Sollwerten für diese Eigenschaften verglichen. Wird eine Abweichung der ermittelten Eigenschaften (Istwerte) des Spritzstrahls von den vorbestimmten Werten (Sollwerten) für die Eigenschaften erkannt, so erfolgt eine automatische Anpassung der Prozessparameter für das Plasmaspritzen durch einen Regler.
Das hier beschriebene Verfahren kann selbstverständlich auch in Kombination mit anderen Methoden zur Überwachung des Spritzstrahls, insbesondere der Laser-induzierten Fluoreszenz, angewendet werden.
Abschließend sei darauf hingewiesen, dass die Erfindung zwar bevorzugt bei der Herstellung poröser Beschichtungen verwendet wird, jedoch nicht auf diesen Anwendungsfall beschränkt ist. Vielmehr kann die Erfindung auch bei der Herstellung massiver Beschichtungen angewendet werden, wobei dann der Zuschlagwerkstoff mit dem fluoreszierenden Markerwerkstoff in der Beschichtung verbleibt. So kann zum Beispiel Bornitrid (BN) oder Bentonit als Zuschlagstoff in eine massive Beschichtung eingebracht werden, um so eine Sollbruchstelle in der Beschichtung auszubilden. Das Bornitrid ist bei der Beschichtung durch einen auf bzw. in dem Bornitrid gebundenen, fluoreszierenden Markerwerkstoff online erfassbar.

10: Spritzstrahl
11: Kamera
12: optisches Filter

Claims

Verfahren zur Beschichtung eines Werkstücks, wobei ein Beschichtungswerkstoff und ein Zuschlagwerkstoff durch thermisches Spritzen auf das Werkstück aufgetragen werden, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zu dem Beschichtungswerkstoff ein Zuschlagwerkstoff auf das Werkstück aufgetragen wird, in dem bzw. auf dem ein fluoreszierender Markerwerkstoff fest gebunden ist, wobei der Spritzvorgang dadurch online überwacht wird, dass zumindest die in einem Spritzstrahl befindlichen Partikel des fluoreszierenden Markerwerkstoffs erfasst und ausgewertet werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Spritzvorgang der Zuschlagwerkstoff insbesondere durch Wärmebehandlung des beschichteten Werkstücks zersetzt wird, um so die poröse Beschichtung bereitzustellen.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Spritzvorgang der Zuschlagwerkstoff zusammen mit dem fluoreszierenden Markerwerkstoff insbesondere durch Wärmebehandlung des beschichteten Werkstücks zersetzt wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Zuschlagwerkstoff ein organischer Zuschlagwerkstoff, insbesondere Polyester, verwendet wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass als fluoreszierenden Markerwerkstoff ein Laserfarbstoff, insbesondere Rhodamin 6G, verwendet wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der fluoreszierende Markerwerkstoff beim Spritzvorgang zum Leuchten angeregt und mit einer Kamera erfasst wird.