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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum thermischen Spritzen, ein
Verfahren zum Überwachen
eines Prozesses des thermischen Spritzens und ein Verfahren zum
Beschichten und/oder Ausbessern von Turbinen- oder Triebwerksteilen
mithilfe thermischen Spritzens.
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Unter
dem Begriff des thermischen Spritzens sind völlig unterschiedliche Spritzverfahren
zusammengefasst, wie beispielsweise Plasmaspritzen, Lichtbogenspritzen,
Laserspritzen und Flammspritzen. Details zu unterschiedlichen Spritzverfahren können der
DIN 32530 sowie der Homepage der Gemeinschaft Thermisches Spritzen
(GTS) entnommen werden, welche am 25. Oktober 2006 unter www.gts-ev.de aufgerufen
werden konnte.
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Den
unterschiedlichen Spritzverfahren, die unter den Begriff des thermischen
Spritzens fallen, ist gemeinsam, dass ein auf einen Gegenstand aufzubringendes
Material einer Vorrichtung zum thermischen Spritzen zugeführt wird,
und dass ihm dort thermische und kinetische Energie zugeführt wird. Das
Ausgangsmaterial, ein Pulver oder Multikomponentenpulver wird erhitzt,
so dass es schmilzt, wobei es mikroskopisch kleine Kügelchen
bildet. Mithilfe eines Gases, das auch ionisiert sein kann (beim
Plasmaspritzen), wird ein Strahl erzeugt, der das Material auf einen
zu beschichtenden Gegenstand beschleunigt.
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Beim
thermischen Spritzen mit einer bestimmten Vorrichtung erhält man nicht
immer Schichten mit konstanten Eigenschaften. Bestimmte physikalische
Eigenschaften der Schichten sind empfindlich von den Prozessbedingungen
abhängig.
Zu den Prozessbedingungen gehört
naturgemäß die Zusammensetzung
des Ausgangsmaterials aus einzelnen Teilstoffen, aber auch die erzeugten
Temperaturen und die Strahlgeschwindigkeit können die Schichtparameter beeinflussen.
Nun wird aber gelegentlich gewünscht,
dass bestimmte Eigenschaften wie zum Beispiel die Haftzugfestigkeit
und die Härte
der Schicht gezielt eingestellt werden sollen, oder dass zumindest
diese Eigenschaften nicht außerhalb
eines vorbestimmten Eigenschaftsintervalls fallen. Es ist somit
erforderlich, die physikalischen Eigenschaften zu kennen, um eine
Aussage über
die Qualität des
Prozesses des thermischen Spritzens machen zu können.
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Aus
den europäischen
Patenten
EP 1 340 577
B1 ,
EP 1 340
578 B1 und
EP
1 340 580 B1 ist es bekannt, einen Prozess des thermischen
Spritzens laufend zu überwachen,
hierbei physikalische Größen aufzunehmen
und daraus auf Eigenschaften der entstehenden Schicht zu schließen. Gemessen
wird die Position des im Betrieb einer Vorrichtung zum thermischen
Spritzen aus dieser austretenden Strahls, seine Temperatur oder
auch die maximal von dem Strahl abgestrahlte Lichtleistung bzw.
Leuchtstärke.
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Die
in den genannten Patentschriften offenbarten Verfahren zeigen sich
jedoch nicht als geeignet, die Haftzugfestigkeit oder die Härte der
Schicht während
des laufenden Prozesses vorauszusagen. Bisher bleibt es dabei, dass
diese physikalischen Eigenschaften an der fertigen Schicht mühsam gemessen
werden müssen.
Es besteht keine Möglichkeit, während des
laufenden Verfahrens selbiges hinsichtlich dieser Eigenschaften
zu überwachen
und gegebenenfalls einzugreifen.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, die im Stand der
Technik vorhandenen Möglichkeiten
zum Überwachen
eines Prozesses des thermischen Spritzens zu erweitern, damit insbesondere
bei bestimmten physikalischen Eigenschaften wie in der Haftzugfestigkeit
oder der Härte
der Schicht eine Voraussage möglich
ist.
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Die
Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zum thermischen Spritzen gemäß Patentanspruch
1, ein Verfahren zum Überwachen
eines Prozesses des thermischen Spritzens gemäß Patentanspruch 2 und ein
Verfahren zum Beschichten und/oder Ausbessern von Turbinen- oder
Triebwerksteilen mithilfe thermischen Spritzens gemäß Patentanspruch
13 gelöst.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
zum thermischen Spritzen umfasst ein Spektrometer, das auf einen
im Betrieb der Vorrichtung aus dieser austretenden Strahl gerichtet
ist und zum wellenlängenabhängigen Messen
der Intensität
des von dem Strahl emittierten Lichtes dient, sowie eine dem Spektrometer
nachgeordnete Auswerteeinheit.
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Während im
Stand der Technik nur grob die maximale Leuchtdichte erfasst wurde,
beruht die vorliegende Erfindung auf der Erkenntnis, dass das Spektrum
des von dem Strahl emittierten Lichts noch viel weitgehendere Aussagen
ermöglicht.
Nicht nur die gesamte abgestrahlte Leistung (oder die maximale Leuchtdichte)
kann mit den Prozessbedingungen schwanken. Vielmehr können sich
unterschiedliche Prozessbedingungen, die für eine unterschiedliche Haftzugfestigkeit
und eine unterschiedliche Härte
der Schicht sorgen, im Spektrum bei ganz bestimmten Wellenlängen oder
be stimmten Wellenlängenintervallen,
welche gegenüber
dem gesamten Wellenlängenbereich
des sichtbaren Lichts klein sind, in Schwankungen der Intensitätswerte
niederschlagen, welche ein (optisches) Spektrometer erfassen kann. Mithilfe
der Auswerteeinheit wird es dann möglich, einen Wert zumindest
einer Eigenschaft rechnerisch abzuleiten, insbesondere anhand einer
bekannten Beziehung zwischen den Messwerten des Spektrometers und
den gesuchten Eigenschaften, wobei diese Beziehung in Form einer
Formel bevorzugt in der Auswerteeinheit abgespeichert ist.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
zum Überwachen
eines Prozesses des thermischen Spritzens, bei dem auf einen Gegenstand
eine Schicht aufgebracht wird, indem ein Strahl mit aufzubringendem
Material auf den Gegenstand geleitet wird, umfasst die Schritte:
- a) Ableiten einer Beziehung zwischen der Intensität des von
dem Strahl emittierten Lichts bei bestimmten Wellenlängen oder
in bestimmten Wellenlängenintervallen
(welche im Rahmen des Ableitens möglicherweise erst ausgesucht
werden) und zumindest einer physikalischen Eigenschaft der durch
den Strahl aufzubringenden Schicht,
- b) Messen der Intensität
des von dem Strahl emittierten Lichts bei den bestimmten Wellenlängen oder über die
bestimmten Wellenlängenbereiche mit
einem Spektrometer,
- c) Schließen
auf den Wert der zumindest einen Eigenschaft anhand der abgeleiteten
Beziehung und der gemessenen Intensitäten.
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Dieser
Aspekt der Erfindung beruht auf der Erfahrung im Hause der Anmelderin,
dass es eine verwendbare Beziehung tatsächlich gibt, die im Schritt
a) abgeleitet werden kann. Es muss dann nur die Vorrichtung nach
Patentanspruch 1 verwendet werden, damit anhand der Messgrößen und
der Intensitäten
insbesondere während
des Prozesses und damit auch nach dem Prozess der Eigenschaften
bekannt wird.
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Mit
der so gewonnen Information ist eine Qualitätssicherung möglich, ohne
dass kostenintensiv an dem fertig beschichteten Gegenstand oder
an Prozesskontrollproben noch Messungen durchgeführt werden müssen.
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Da
Schritt b) naturgemäß während des
laufenden Prozesses läuft
und Schritt c) so schnell durchgeführt werden kann, dass es praktisch
zu keiner Zeitverzögerung
kommt, wird bevorzugt dieser zeitliche Vorsprung auch dazu genutzt,
noch Einfluss auf den laufenden Prozess zu nehmen. Somit umfasst
das erfindungsgemäße Verfahren
bevorzugt den weiteren Schritt d): Eingreifen in den Prozess des
thermischen Spritzens, falls der in Schritt c) gefundene Wert nicht
in ein vorbestimmtes Intervall fällt. Im
ein fachsten Fall kann das Eingreifen so aussehen, dass der Prozess
des thermischen Spritzens einfach abgebrochen wird. Dies ist insbesondere
dann sinnvoll, wenn entweder das thermische Spritzen schon soweit
vorangeschritten ist, dass die aufgebrachte Schicht nicht mehr manipuliert
werden kann oder wenn der gefundene Wert so stark von dem gewünschten
Wert abweicht, dass eine Korrektur nicht möglich erscheint. Alternativ
umfasst das Eingreifen das Ändern
der Prozessbedingungen. Zu den Prozessbedingungen gehören insbesondere
einstellbare Temperaturen, die Menge an zugeführtem aufzubringenden Material
pro Zeit (auch im Verhältnis
zu dem dieses Material in dem Strahl mitführenden Gas oder Plasma) oder
auch die Zusammensetzung des aufzubringenden Materials, also die
Gewichtsanteile der einzelnen Komponenten. Das Ändern der Prozessbedingungen
kann wiederholt oder regelmäßig erfolgen.
Im Grenzfall ergibt sich ein geregelter Prozess des thermischen
Spritzens, wobei Regelgröße die zumindest
eine physikalische Eigenschaft ist, und zwar deren Prognose-Wert.
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Nach
einer bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung erfolgt das Ableiten der Beziehung in Schritt a) empirisch.
Die Vorrichtung zum thermischen Spritzen wird hierbei unter unterschiedlichen Prozessbedingungen
zum Aufbringen von Schichten genutzt. Während dieses Aufbringens werden
jeweils Spektren des von dem Strahl emittierten Lichts aufgenommen.
Nach dem Aufbringen der Schichten wird der zumindest eine physikalische
Parameter der Schicht gemessen. Dann wird bevorzugt die bestimmte
Wellenlänge
oder werden die bestimmten Wellenlängenintervalle bestimmt, und
zwar sind dies dann solche, bei denen bzw. in denen eine Änderung der
Intensität
(in den gemessenen Spektren) zu einer Änderung des gemessenen Parameters
korreliert. Von den aufgenommenen Spektren werden nur die Bereiche,
anhand derer eine Aussage über
eine Änderung
des Parameters getroffen werden kann, verwendet. Sind die bestimmten
Wellenlängen
oder die bestimmten Wellenlängenintervalle
festgelegt, dann können
auch die Beziehung schnell quantifiziert werden kann.
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Es
kann die Beziehung in Schritt a) als Tabelle abgeleitet werden,
wobei in Schritt c) im Regelfall der Nichtentsprechung der gemessenen
Werte mit den Tabelleneinträgen
ein Wert anhand von Interpolation abgeleitet wird. In der Regel
ist es sogar möglich,
die Beziehung als Formel abzuleiten, in die im Schritt c) nur die
gemessenen Größen eingesetzt werden
müssen,
um den Wert des Parameters zu erhalten.
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Alternativ
zu der empirischen Ableitung der Beziehung in Schritt a), ist es
möglich,
die Beziehung anhand von Kenntnissen über die Emissionsspektren der
Komponenten des aufzubringenden Materials und/oder des transpor tierenden
Mediums (des Gases) und den Einfluss der Anteilswerte der Komponenten
an dem aufzubringenden Material auf den physikalischen Parameter
der erzeugten Schicht theoretisch abzuleiten. Zwar kann die Beziehung
dann möglicherweise
nicht die Präzision
erreichen, wie wenn sie empirisch ermittelt wird, dafür sind aber
keine Versuche mehr nötig.
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Bisher
war zwischen bestimmten Wellenlängen
und bestimmten Wellenlängenintervallen
unterschieden worden. Hierbei wurde davon ausgegangen, dass die
genannten bestimmten Wellenlängenintervalle
größere Intervalle
sind, als es die Auflösung des
Spektrometers erfordert. Es hat sich gezeigt, dass keineswegs große Intervalle
notwendig sind. Vielmehr genügt
es, die bestimmte Wellenlänge
bis auf ein nm genau festzulegen. Entweder liegt dann die Auflösung des
Spektrometers in diesem Bereich, oder es wird ein entsprechendes
Wellenlängenintervall
im Rahmen der Rundungsgrenzen um 1 nm herum festgelegt, zu dem die
Intensität
gemessen wird.
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Bei
einer beispielhaften Schicht hat sich gezeigt, dass folgende bestimmte
Wellenlängen
besonders gut zur Analyse geeignet sind: 378,771 nm, 391,531 nm,
538,240 nm, 560,526 nm und 588,899 nm. Im Rahmen dieser Anmeldung
wird darauf verzichtet, diese Wellenlängen einem bestimmten Stoff in
dem bei dem thermischen Spritzen verwendeten Ausgangsmaterial zuzuordnen
oder auch dem Emissionsspektrum des das Ausgangsmaterial transportierenden
Gases bzw. Plasmas zuzuordnen. Wie oben erwähnt, ist eine theoretische
Bestimmung von Wellenlängen
anhand der Emissionsspektren der Komponenten des aufzubringenden
Materials oder auch des Gases möglich.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
wird gemäß einem
weiteren Aspekt der Erfindung zur ständigen Überwachung beim Beschichten
und/oder Ausbessern von Turbinen- oder Triebwerksteilen mithilfe thermischen
Spritzens eingesetzt. Turbinen- oder Triebwerksteile sind besonders
große
Bauteile, bei denen sich der Aufwand des vorliegenden Verfahrens
lohnt, damit möglichst
eine hochqualitative Beschichtung an solchen Bauteilen erzielt wird.
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Nachfolgend
wird die Erfindung unter Bezug auf die Zeichnung näher beschrieben,
wobei
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1 die
Beziehung zwischen berechneter und gemessener Haftzugfestigkeit
bei einer ersten und einer zweiten Probenserie veranschaulicht und
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2 die
Beziehung zwischen berechneter und gemessener Härte HR15T bei einer ersten
und einer zweiten Probenserie veranschaulicht.
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Hierbei
wurde die Beziehung zwischen Messwerten eines optischen Spektrometers,
das Spektren beim thermischen Spritzen aufnimmt, und einer physikalischen
Eigenschaft, der durch dieses thermische Spritzen schließlich aufgebrachten Schicht,
abgeleitet. Das Spektrometer ist hierbei auf den Strahl aus dem
transportierenden Medium (Gas bzw. Plasma) und dem zu transportierenden
schichtbildenden Material gerichtet, der die Vorrichtung zum thermischen
Spritzen verlässt
und auf den zu beschichtenden Gegenstand geleitet wird.
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Als
Beschichtungsmaterial wurde hierbei Yttrium-teilstabilisiertes Zirkonoxid
verwendet, welches insbesondre als Titanfeuerschutz oder als Wärmedämmschicht
zum Einsatz kommt. Das Beschichtungspulver besteht dabei aus maximal
0,2 Gew% Al2O3,
max. 0,2 Gew% Fe2O3,
maximal 0,4 Gew% SiO2, maximal 0,3 Gew%
TiO2, 6 Gew%–25 Gew% (insbesondere 8 Gew%)
Y2O3 und Rest ZrO2. Anstelle des Stabilisators Y2O3 kann allerdings auch Yb2O3 oder MgO oder ein alternativer Stabilisator
verwendet werden. Das Beschichtungspulver kann hier aus einer Mischung
der einzelnen Bestandteile bestehen, bevorzugt ist das Beschichtungspulver
jedoch vorlegiert.
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Zur
Ableitung der Beziehung zwischen der Haftzugfestigkeit (HZF) und
dem gemessenen Spektren wurden Spektren während des Vorgangs des thermischen
Spritzens beim Beschichten einer ersten Serie von Proben aufgenommen,
welche vorliegend als Entwicklungsproben bezeichnet werden. Die
Entwicklungsproben wurden sorgfältig
vermessen, insbesondere wurde die Haftzugfestigkeit und die Härte HR15T
gemessen. Die Härte
HR15T wird im Rahmen einer Härtemessung
nach Rockwell mit einer Prüfkraft,
die 15 kg entspricht, unter Verwendung eines T-Stempels gemessen.
Beim Prozess des thermischen Spritzens wurden die Prozessbedingungen
so variiert, dass Haftzugfestigkeit und Härte HR15T nicht für alle Entwicklungsproben gleich
waren.
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Die
jeweiligen Spektren wurden ausgewertet, und es ergab sich, dass
bei folgenden Wellenlängen
die Intensitäten
besonders sensitiv reagierten: λ1 = 378,771 nm, λ2 =
391,531 nm, λ3 = 538,240 nm, λ4 =
560,526 nm und λ5 = 588,899 nm. Bei anderen Eigenschaften
wie insbesondere der Härte
können
hier alternativ auch andere Wellenlängen oder Wellenlängenbereiche
sensitiv reagieren. Durch eine Analyse der Spektren ergab sich eine
physikalische Beziehung zwischen der Haftzugfestigkeit HFZ und den
Intensitäten
I1 bis I5, welche
zu den Wellenlängen λ1 bis λ5 gemessen
wurden.
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Die
Haftungsfestigkeit ergibt sich aus der Summe der mittels Gewichtungsfaktoren
gewichteten Linienverhältnisse
der bei den einzelnen Wellenlängen
gemessenen Intensitäten
und einem Intensitätsfreien
Korrekturwert. Vorteilhaft werden hierbei die Verhältnisse
der Intensitäten
von vierter und fünfter,
von dritter und fünfter
sowie von erster und zweiter Wellenlänge gewichtet aufsummiert.
Neben den Intensitäten
bei bestimmten Wellenlängen
ist es natürlich
auch möglich,
Intensitätsintegrale
von bestimmten Wellenlängenbereichen
in Relation zu setzen. Vorteilhafterweise umfassen diese Bereiche
nur ein Intensitätsmaximum.
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1 zeigt
zu einer Mehrzahl von Entwicklungsproben den Wert der berechneten
HZF und den Wert der gemessenen HZF in einem Diagramm (siehe Rauten).
Nach Ableitung der Beziehung mithilfe der Entwicklungsproben wurde
nun zur Validierung eine zweite Serie von Proben erzeugt, wobei
abermals die Prozessbedingungen variierten, abermals ein Spektrum
aufgenommen wurde, und abermals die HZF gemessen wurde. Auch die
zu diesen Proben berechneten und gemessenen Werte sind in 1 dargestellt
(siehe Quadrate). Die Gerade G1 in 1 entspricht
einer völligen Übereinstimmung
von berechneter HZF mit gemessener HZF. Die Geraden A1 und B1 definieren
ein Intervall um die Werte der Geraden G1. 1 ist zu
entnehmen, dass die Entwicklungsproben quasi sämtlich in dieses Intervall fallen.
Erfreulich ist, dass die Proben der zweiten Serie (Validierung)
ebenfalls keine schlechtere Übereinstimmung
zeigen als die Entwicklungsproben und ebenfalls quasi ausschließlich in
das Intervall fallen. Die Qualität
der Vorhersage durch die oben angegebene entwickelte Formel zur
HZF hat sich somit als ausreichend gut erwiesen, um bei zukünftigen
Prozessen des thermischen Spritzens eine Überwachung unter Verwendung
eines Spektrometers tatsächlich
vorzunehmen.
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Zu
den Entwicklungsproben wurde auch die Härte HR15T gemessen, und auch
hier eine Beziehung abgeleitet und dargestellt. Aufgrund dieser
Formel wurde die Härte
berechnet.
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2 zeigt
die berechnete Härte
HF15T gegenüber
der gemessenen Härte
HF15T. (Man beachte, dass Y- und X-Achse in 2 genau
umgekehrt gewählt
sind wie in 1.) Für die Proben der zweiten Serie
(Validierung) wurde auch die Härte
HF15T gemessen und berechnet, und auch diese Werte sind in 2 eingetragen.
Es lässt
sich abermals eine Gerade definieren, G2, bei der die berechnete
Härte HF15T
genau der gemessenen Härte
HF15T entspricht, und es sind zwei Geraden A2 und B2 definierbar,
welche ein Intervall festlegen, in das sämtliche Werte sowohl zu den
Entwicklungsproben, als auch zu den Validierungsproben, fallen.
Man beachte, dass 2 nur den Härtebereich zwischen 90 und 96
veranschaulicht, dass die Abweichungen von der Geraden G2 im absoluten
Zahlenwert also besonders gering sind.
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Zusätzlich zur
Haftzugfestigkeit und zur Härte
können
auch weitere Eigenschaften ausgesucht werden, für die eine Beziehung zu Messwerten
eines Spektrometers abgeleitet wird. Die beiden Beispiele zeigen,
dass Derartiges grundsätzlich
möglich
ist. Zudem können
aus der Form des Spektrums noch weitere Informationen gezogen werden.
So ist es zur Überwachung
des Spritzprozesses möglich,
aus der Form des aufgenommen Spektrums nachträglich zu bestimmen, ob eine
Haftschicht aufgebracht wurde.