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EP2757175A1 - Determination of parameters for coating methods - Google Patents

Determination of parameters for coating methods Download PDF

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Publication number
EP2757175A1
EP2757175A1 EP13152234.4A EP13152234A EP2757175A1 EP 2757175 A1 EP2757175 A1 EP 2757175A1 EP 13152234 A EP13152234 A EP 13152234A EP 2757175 A1 EP2757175 A1 EP 2757175A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
nozzle
coating
variables
target
material flow
Prior art date
Legal status (The legal status 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 status listed.)
Withdrawn
Application number
EP13152234.4A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Karsten Barautzki
Johannes Richter
Rolf WILKENHÖNER
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Siemens Corp
Original Assignee
Siemens AG
Siemens Corp
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 AG, Siemens Corp filed Critical Siemens AG
Priority to EP13152234.4A priority Critical patent/EP2757175A1/en
Priority to PCT/EP2014/051042 priority patent/WO2014114598A1/en
Publication of EP2757175A1 publication Critical patent/EP2757175A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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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
    • C23C4/12—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 and its parameter development.
  • Thermal spraying processes are used to produce metallic and ceramic layers in which a material melts completely or at least partially.
  • the material is injected into a nozzle of, for example, a plasma torch or externally. Due to very high plasma temperatures and the influence of the powder material, at least the nozzle wears out. 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.
  • 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.
  • FIG. 1 shows an exemplary profile of the voltage U B between the nozzle 30 and an electrode 36 (FIG. Fig. 11 ) According to the state of the art.
  • the voltage U B between the nozzle 30 and the electrode drops with time t and then goes into saturation.
  • a continuous drop in the voltage U B over the time t or other gradients is possible.
  • the coating weight m c decreases with time ( FIG. 2 ) and / or the porosity p ( FIG. 3 ) is increasing.
  • the properties of the flame or of the plasma and / or of the molten material which emerge from the nozzle during the thermal coating, in particular during the plasma coating or HVOF coating, are determined.
  • the regulation of the target values takes place via the adaptation of controlled variables (R1, R2, R3), here preferably of the current intensity I B of the nozzle 30, the flow rates of the primary and / or secondary gases at the nozzle 30, through which the target parameters Z1, Z2 , Z3 can be set specifically.
  • controlled variables R1, R2, R3
  • Primary gases are argon (Ar) and / or helium (He), secondary gas is for example hydrogen (H 2 ) flowing through the nozzle 30.
  • One, two or three controlled variables can be used, starting from an optimal nominal state for Z1, Z2, Z3, for the three controlled variables R1, R2, R3 used here.
  • parameter sets K1, K2,... are determined in which the controlled variables R1, R2, R3 are increased simultaneously or partially (FIG. > 1.0) or decreased ( ⁇ 1.0) or constant (1.0).
  • 1.0 represents a nominated value for R1, R2, R3,..., Namely the set value divided by the optimum initial state of R1, R2,...
  • the values 1.1; 0.9 represent accordingly a corresponding increase or decrease of R1, R2, .... R1 R2 R3 K1 1, 1 1, 1 1, 1 K2 1, 1 1.0 1.0 K3 1, 1 1.0 1, 1 K4 1, 1 1.0 0, 9 K5 0, 9 0.9 0, 9 K6 0, 9 1.1 1, 0 K7 ... ... ...
  • the values 1.1; 0.9; 1.0 accordingly represent a corresponding increase, decrease or no change in the normalized optimal values of Z1, Z2,.
  • the changes of the target variables Z1, Z2, Z3 depend on the respective nozzle 30.
  • the layer structure, the layer thickness and the layer weight m c ( Fig. 6 ) of the blade and porosity p ( Fig. 7 ) is constant over time t.
  • FIG. 12 a distribution 36 of the temperature T (x, y) or the brightness distribution H (x, y) is shown.
  • the representation of several areas is here only schematically a continuous decrease or change.
  • H (x, y) is proportional to the product of the number n of particles M xy at the position (x, y) and the temperature T of the particles M xy in the measuring range around the point (x, y): (H (x, yxn M xy T Mxy ). H (x, y) also depends on the distance to the nozzle 30 (along the z-direction). This measurement result can be used for regulation. Either a pictorial comparison between two images is made and deviations are determined or an integral value R of an area ⁇ H (x, y) dxdy , ST (x, y) dxdy over the cross section according to FIG. 12 determined and there is a single integral brightness value or temperature value R, which is then repeatedly determined at different times and when deviations in this integral value R are detected, also occurs a regulation. This integral, singular R value then also represents a controlled variable Z.
  • the material flow rate ⁇ M of the material flow is preferably not changed.
  • FIG. 11 shows a nozzle 30, in which argon (Ar), helium and / or as a secondary gas hydrogen (H2) are introduced at one end 31 as the primary gas and at the other end 33 material (M) is added.
  • Ar argon
  • H2 helium
  • M material
  • a plasma is generated by a high-energy arc, which forms the gases and plasma flame.
  • FIG. 13 shows a perspective view of a blade 120 or guide vane 130 of a turbomachine, which extends along a longitudinal axis 121.
  • 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 consecutively a fastening region 400, a blade platform 403 adjacent thereto and an airfoil 406 and a blade tip 415.
  • the blade 130 may have at its blade tip 415 another platform (not shown).
  • 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 a leading edge 409 and a trailing edge 412 for a medium flowing past the airfoil 406.
  • blades 120, 130 for example, solid metallic materials, in particular superalloys, are used in all regions 400, 403, 406 of the blade 120, 130.
  • Such superalloys are for example from EP 1 204 776 B1 .
  • EP 1 306 454 .
  • 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.
  • the blades 120, 130 may have coatings against corrosion or oxidation, e.g. 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 silicon and / or at least one element of the rare ones Earth, or hafnium (Hf)).
  • 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 silicon and / or at least one element of the rare ones Earth, or hafnium (Hf)).
  • Such alloys are known from the EP 0 486 489 B1 .
  • EP 0 412 397 B1 or EP 1 306 454 A1 The density is preferably 95% of the theoretical density.
  • 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-11Al-0.4Y-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 ZrO 2 , Y 2 O 3 -ZrO 2 , that is, it is not, partially or completely stabilized by yttrium oxide and / or calcium oxide and / or magnesium oxide.
  • the thermal barrier coating covers the entire MCrAlX layer.
  • suitable coating processes such as electron beam evaporation (EB-PVD)
  • stalk-shaped grains are produced in the thermal barrier coating.
  • Other coating methods are conceivable, for example atmospheric plasma spraying (APS), LPPS, VPS or CVD.
  • the thermal barrier coating may have porous, micro- or macro-cracked 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 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 may still film cooling holes 418 (indicated by dashed lines) on.

Landscapes

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Abstract

Thermally coating using a material stream and a nozzle, preferably using a powder stream, comprises heating and melting a material of the material stream by plasma or flame. The material is discharged from the nozzle or is injected at the end of the nozzle based on at least one target variable, preferably material flow speed of the material stream, brightness distribution of the material stream, temperature distribution and/or voltage between an electrode and the nozzle. The changes in the target variables are determined, which are used for controlling the target variables in the coating. Thermally coating using a material stream and a nozzle, preferably using a powder stream, comprises heating and melting a material of the material stream by plasma or flame. The material is discharged from the nozzle or is injected at the end of the nozzle based on at least one target variable, preferably material flow speed of the material stream, brightness distribution of the material stream, temperature distribution and/or voltage between an electrode and the nozzle. The power of the nozzle is measurable and controllable. The desired optimal target sizes are achieved and/or maintained starting from at least one optimal initial value of controlled variables, before coating. The method allows the adjustment of parameter sets for different configurations e.g. higher-, lower- and constant control variables. The changes in the target variables are determined, which are used for controlling the target variables in the coating.

Description

Die Erfindung betrifft einen Prozess der thermischen Beschichtung und deren Parameterentwicklung.
Thermische Spritzprozesse werden zur Herstellung von metallischen und keramischen Schichten eingesetzt, bei denen ein Material ganz oder zumindest teilweise aufschmilzt.The invention relates to a process of thermal coating and its parameter development.
Thermal spraying processes are used to produce metallic and ceramic layers in which a material melts completely or at least partially.

Das Material wird in eine Düse beispielsweise eines Plasmabrenners oder extern injiziert. Durch sehr hohe Plasmatemperaturen und den Pulvermaterialeinfluss verschleißt zumindest die Düse. Dies führt zu verschleißbedingten Schwankungen im Beschichtungsprozess, welche hauptsächlich durch einen Spannungsabfall am Brenner verursacht werden.The material is injected into a nozzle of, for example, a plasma torch or externally. Due to very high plasma temperatures and the influence of the powder material, at least the nozzle wears out. This leads to wear-related fluctuations in the coating process, which are mainly caused by a voltage drop at the burner.

Bisher wurden diese Schwankungen durch Nachjustieren des Pulvermassenstroms ausgeglichen, um das gewünschte Schichtgewicht der Schaufel im Toleranzband zu halten.So far, these fluctuations were compensated by readjusting the powder mass flow to keep the desired coating weight of the blade in the tolerance band.

Dies ist jedoch nicht optimal, da lediglich der spannungsabfallinduzierte Leistungsabfall am Brenner durch eine Erhöhung des Pulvermassenstroms kompensiert wird.However, this is not optimal, since only the voltage drop-induced power loss at the burner is compensated by an increase in the powder mass flow.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung oben genanntes Problem zu lösen.It is therefore an object of the invention to solve the above-mentioned problem.

Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1.The object is achieved by a method according to claim 1.

In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Maßnahmen aufgelistet, die beliebig miteinander kombiniert werden können, um weitere Vorteile zu erzielen.In the dependent claims further advantageous measures are listed, which can be combined with each other in order to achieve further advantages.

Es zeigen:

Figuren 1 - 3
Parameterverläufe aus dem Stand der Technik,
Figuren 4 - 9
erfindungsgemäße Parameterverläufe,
Figur 11
eine Düse,
Figuren 10 - 12
eine Temperaturverteilung,
Figur 13
eine Turbinenschaufel.
Show it:
Figures 1 - 3
Parameter curves from the prior art,
FIGS. 4 to 9
parameter profiles according to the invention,
FIG. 11
a nozzle,
Figures 10 - 12
a temperature distribution,
FIG. 13
a turbine blade.

Die Beschreibung und die Figuren stellen nur Ausführungsbeispiele der Erfindung dar.The description and the figures represent only embodiments of the invention.

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.Coatings are applied by thermal coating processes such as SPPS, HVOF, APS, LPPS, VPS, ... In this case, a plasma or a flame is generated in a nozzle, wherein a material flows through the nozzle or at the end of the nozzle.

Durch den Verschleiß an der Düse oder an der Beschichtungsvorrichtung verändern sich die Materialstromeigenschaften und damit auch der Aufschmelzgrad des Materials, insbesondere vom Pulver.Due to the wear on the nozzle or on the coating device, the material flow properties and thus also the degree of melting of the material, in particular of the powder, change.

Figur 1 zeigt einen beispielhaften Verlauf der Spannung UB zwischen der Düse 30 und einer Elektrode 36 (Fig. 11) 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. FIG. 1 shows an exemplary profile of the voltage U B between the nozzle 30 and an electrode 36 (FIG. Fig. 11 ) According to the state of the art.
The voltage U B between the nozzle 30 and the electrode drops with time t and then goes into saturation. For other types of nozzles, a continuous drop in the voltage U B over the time t or other gradients is possible.

Dementsprechend ist der Verlauf der durchschnittlichen Temperaturen T und der durchschnittlichen Materialstromgeschwindigkeit vp (nicht dargestellt) über die Zeit.Accordingly, the course of the average temperatures T and the average material flow velocity v p (not shown) over time.

Als Auswirkung davon nimmt das Schichtgewicht mc mit der Zeit ab (Figur 2) und/oder die Porosität p (Figur 3) nimmt zu.As a consequence, the coating weight m c decreases with time ( FIG. 2 ) and / or the porosity p ( FIG. 3 ) is increasing.

Es werden daher erfindungsgemäß die Eigenschaften der Flamme oder des Plasmas und/oder des aufgeschmolzenen Materials, die bei der thermischen Beschichtung aus der Düse, insbesondere bei der Plasma-Beschichtung oder HVOF-Beschichtung austreten, ermittelt.Therefore, according to the invention, the properties of the flame or of the plasma and / or of the molten material which emerge from the nozzle during the thermal coating, in particular during the plasma coating or HVOF coating, are determined.

Dabei werden die Zielwerte Z1, Z2, Z3, wie insbesondere von Spannung 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, die Temperaturverteilung T(x,y) des Materialstroms 42 oder die Helligkeit H oder Helligkeitsverteilung H(x,y) der Partikel im Materialstrom 42 ermittelt.
Dies erfolgt durch Messgeräte, die über Pyrometrie oder CCD-Kameras quantitative Daten ermitteln.In this case, the target values Z1, Z2, Z3, in particular of the 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, the temperature distribution T (x , y) of the material flow 42 or the brightness H or brightness distribution H (x, y) of the particles in the material flow 42.
This is done by measuring devices, which determine quantitative data via pyrometry or CCD cameras.

Werden bei der Messung also Abweichungen festgestellt, so ist auf einen Verschleiß zu schließen und Regelgrößen R1, R2, R3 zur Veränderung der Zielgrößen Z1, Z2, Z3 werden entsprechend eingestellt, so dass wieder die gewünschten Zielwerte Z1, Z2, Z3 erreicht werden.If, therefore, deviations are detected during the measurement, wear must be concluded and controlled variables R1, R2, R3 for changing the target variables Z1, Z2, Z3 are set accordingly, so that the desired target values Z1, Z2, Z3 are again achieved.

Die Regelung der Zielwerte erfolgt über die Anpassung von Regelgrößen (R1, R2, R3), hier vorzugsweise von Stromstärke IB der Düse 30, der Flussraten der Primär- und/oder Sekundärgase an der Düse 30, durch welche sich die Zielparameter Z1, Z2, Z3 gezielt einstellen lassen.The regulation of the target values takes place via the adaptation of controlled variables (R1, R2, R3), here preferably of the current intensity I B of the nozzle 30, the flow rates of the primary and / or secondary gases at the nozzle 30, through which the target parameters Z1, Z2 , Z3 can be set specifically.

Primärgase sind Argon (Ar) und/oder Helium (He), Sekundärgas ist z.B. Wasserstoff (H2), die durch die Düse 30 strömen.Primary gases are argon (Ar) and / or helium (He), secondary gas is for example hydrogen (H 2 ) flowing through the nozzle 30.

Es können ein, zwei oder drei Regelgrößen verwendet werden ausgehend von einem optimalen Sollzustand für Z1, Z2, Z3, für die hier verwendeten drei Regelgrößen R1, R2, R3.One, two or three controlled variables can be used, starting from an optimal nominal state for Z1, Z2, Z3, for the three controlled variables R1, R2, R3 used here.

Ausgehend von den optimalen Regelgrößen R1, R2, R3, bei denen die optimalen Zielgrößen Z1, Z2, Z3 eingehalten werden, werden vorab Parametersätze K1, K2, ... ermittelt, bei denen die Regelgrößen R1, R2, R3 gleichzeitig oder teilweise erhöht (> 1,0) oder erniedrigt (< 1,0) werden oder konstant (1,0) bleiben.Starting from the optimal controlled variables R1, R2, R3, in which the optimal target variables Z1, Z2, Z3 are adhered to, parameter sets K1, K2,... Are determined in which the controlled variables R1, R2, R3 are increased simultaneously or partially (FIG. > 1.0) or decreased (<1.0) or constant (1.0).

1,0 stellt dabei für R1, R2, R3, ... einen nominierten Wert dar, nämlich der eingestellte Wert geteilt durch den optimalen Ausgangszustand von R1, R2, ...1.0 represents a nominated value for R1, R2, R3,..., Namely the set value divided by the optimum initial state of R1, R2,...

Die Werte 1,1; 0,9 stellen dementsprechend eine entsprechende Erhöhung oder Erniedrigung von R1, R2, ... dar. R1 R2 R3 K1 1, 1 1, 1 1, 1 K2 1, 1 1,0 1,0 K3 1, 1 1,0 1, 1 K4 1, 1 1,0 0, 9 K5 0, 9 0,9 0, 9 K6 0, 9 1,1 1, 0 K7 ... ... ... The values 1.1; 0.9 represent accordingly a corresponding increase or decrease of R1, R2, .... R1 R2 R3 K1 1, 1 1, 1 1, 1 K2 1, 1 1.0 1.0 K3 1, 1 1.0 1, 1 K4 1, 1 1.0 0, 9 K5 0, 9 0.9 0, 9 K6 0, 9 1.1 1, 0 K7 ... ... ...

Aufgrund dieser Erhöhungen und/oder Änderungen der Regelgrößen R1, R2, R3 werden dann die veränderten Werte der hier vorzugsweise drei verwendeten Zielgrößen Z1, Z2, Z3 ermittelt: R1 R2 R3 Z1 Z2 Z3 K1 1, 1 1, 1 1, 1 1,2 0, 8 0, 8 K2 1, 1 1, 0 1, 0 1,2 1,2 1,2 K3 1, 1 1, 0 1, 1 1,2 1,2 1,2 K4 1, 1 1, 0 0, 9 1,2 1,2 1,2 K5 ... ... ... ... ... ... On the basis of these increases and / or changes in the controlled variables R1, R2, R3, the changed values of the here preferably three used target variables Z 1 , Z 2 , Z 3 are then determined: R1 R2 R3 Z1 Z2 Z3 K1 1, 1 1, 1 1, 1 1.2 0, 8 0, 8 K2 1, 1 1, 0 1, 0 1.2 1.2 1.2 K3 1, 1 1, 0 1, 1 1.2 1.2 1.2 K4 1, 1 1, 0 0, 9 1.2 1.2 1.2 K5 ... ... ... ... ... ...

Die Werte 1,1; 0,9; 1,0 stellen dementsprechend eine entsprechende Erhöhung, Erniedrigung oder keine Veränderung der normierten optimalen Werte von Z1, Z2, ... dar.The values 1.1; 0.9; 1.0 accordingly represent a corresponding increase, decrease or no change in the normalized optimal values of Z1, Z2,.

Die Veränderungen der Zielgrößen Z1, Z2, Z3 hängen von der jeweiligen Düse 30 ab.The changes of the target variables Z1, Z2, Z3 depend on the respective nozzle 30.

Ebenso ist es möglich, nur mit höheren (↑) und niedrigeren (↓) Werten für R1, R2, ... eine Datentabelle zu erfassen, d.h. keine gleichbleibende Werte (-) für die Regelgrößen. R1 R2 R3 Z1 Z2 Z3 K1 1, 1 1, 1 1, 1 1,2 0, 8 0, 8 K7 1, 1 1, 1 0, 8 1,2 1,2 1,3 K8 1, 1 0, 9 1, 1 1,2 1, 1 1, 1 K9 0, 9 1, 1 0, 9 1,2 1,2 1,2 K10 • • • • • • It is also possible to acquire a data table only with higher (↑) and lower (↓) values for R1, R2, ..., ie no constant values (-) for the controlled variables. R1 R2 R3 Z1 Z2 Z3 K1 1, 1 1, 1 1, 1 1.2 0, 8 0, 8 K7 1, 1 1, 1 0, 8 1.2 1.2 1.3 K8 1, 1 0, 9 1, 1 1.2 1, 1 1, 1 K9 0, 9 1, 1 0, 9 1.2 1.2 1.2 K10 • • • • • •

Ebenso ist es möglich, die höheren (1,0) oder niedrigeren (0.9) Werte von R1, R2, R3 unterschiedlich groß auszugestalten und die Auswirkung auf die Zielgrößen Z1, Z2, Z3 zu bestimmen:

  • K1: R2 hat prozentual größere Änderungen als R1, R3; K2: R1 hat prozentual größere Änderungen als R2, R3; K4: R3 kleiner als R1, R2.
R1 R2 R3 Z1 Z2 Z3 K11 1, 1 1,2 1, 1 1, 1 0, 9 0, 9 K12 1,2 1, 1 1, 1 1, 1 1, 4 1,2 K13 1, 1 1, 1 1, 1 1, 1 1, 1 1, 1 K14 1, 1 1, 0 0, 8 1, 1 1, 1 1, 1 K15 - - - - - - It is also possible to design the higher (1.0) or lower (0.9) values of R1, R2, R3 to be different in size and to determine the effect on the target variables Z1, Z2, Z3:
  • K1: R2 has larger percentage changes than R1, R3; K2: R1 has percentage changes greater than R2, R3; K4: R3 less than R1, R2.
R1 R2 R3 Z1 Z2 Z3 K11 1, 1 1.2 1, 1 1, 1 0, 9 0, 9 K12 1.2 1, 1 1, 1 1, 1 1, 4 1.2 K13 1, 1 1, 1 1, 1 1, 1 1, 1 1, 1 K14 1, 1 1, 0 0, 8 1, 1 1, 1 1, 1 K15 - - - - - -

Diese vorab ermittelten Parametersätze K1, ... werden dann später zur Regelung verwendet, wenn eine Abweichung bei Z1, Z2, Z3 auftritt.These previously determined parameter sets K1,... Are then used later for regulation if a deviation occurs at Z1, Z2, Z3.

Es wird bei einer Abweichung des Wertes von Z1, Z2, ... während der Beschichtung ermittelt, welche Kombination K1, K2, ... von Z1, Z2, Z3 der Abweichung am nächsten kommt, ggf. eine Bestfist-Anpassung durchgeführt und die Regelwerte R1, R2, R3 dieser so gefundenen Kombination K1, K2, ... werden dann für den weiteren Betrieb der Düse 30 und Elektrode 36 verwendet, um die Abweichungen zu kompensieren.It is determined in a deviation of the value of Z1, Z2, ... during the coating, which combination K1, K2, ... of Z1, Z2, Z3 of the deviation comes closest, possibly performed a Bestfist adjustment and the Control values R1, R2, R3 of this combination K1, K2,... Thus found are then used for the further operation of the nozzle 30 and electrode 36 in order to compensate for the deviations.

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.By this regulation, the layer structure, the layer thickness and the layer weight m c ( Fig. 6 ) of the blade and porosity p ( Fig. 7 ) is constant over time t.

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).By regulating the current intensity I B ( Fig. 4 ) the power P is kept relatively constant ( Fig. 5 ). This is then also evident from the constant values of the particle temperatures and the particle velocities V p (not shown).

Ebenso können die Flussraten ṁ G von Argon ṁ Ar (Fig. 8) sowie die von Wasserstoff ṁ H2 (Fig. 9) an der Düse geregelt werden, um die gewünschten Ergebnisse zu erzielen, insbesondere für die Spannung UB.Similarly, the flow rates ṁ G of argon ṁ A r ( Fig. 8 ) as well as that of hydrogen ṁ H2 ( Fig. 9 ) are controlled at the nozzle to achieve the desired results, in particular for the voltage U B.

In Figur 12 ist eine Verteilung 36 der Temperatur T(x,y) oder der Helligkeitsverteilung H(x,y) dargestellt.
Hier ist die Helligkeitsverteilung H(x,y) oder Temperaturverteilung T(x,y) in Ausströmrichtung z (FIG 11) des Materialstroms 42 gezeigt.
Dabei gibt es den heißesten inneren Kern 39' und weiter außen gelegene Bereiche 39", 39"', die weniger heiß sind. Die Darstellung von mehreren Bereichen ist hier nur schematisch eines kontinuierlichen Abfalls oder Veränderung.In FIG. 12 a distribution 36 of the temperature T (x, y) or the brightness distribution H (x, y) is shown.
Here, the brightness distribution H (x, y) or temperature distribution T (x, y) in the outflow direction z ( FIG. 11 ) of the material stream 42.
There are the hottest inner core 39 'and outermost regions 39 ", 39"', which are less hot. The representation of several areas is here only schematically a continuous decrease or change.

H(x,y) ist proportional dem Produkt der Anzahl n der Partikel Mxy an der Stelle (x,y) und der Temperatur T der Partikel Mxy in dem Messbereich um den Punkt (x, y) : (H(x,y ~ n Mxy TMxy). H(x,y) hängt auch vom Abstand zur Düse 30 (entlang z-Richtung).
Dieses Messergebnis kann zur Regelung verwendet werden. Dabei wird entweder ein bildhafter Vergleich zwischen zwei Bildern angestellt und es werden Abweichungen ermittelt oder es wird ein integraler Wert R einer Fläche ∫H(x,y)dxdy , ST(x,y)dxdy über den Querschnitt gemäß Figur 12 ermittelt und es ergibt sich ein einzelner integraler Helligkeitswert oder Temperaturwert R, der dann zu verschiedenen Zeiten immer wieder ermittelt wird und wenn Abweichungen in diesem Integralwert R festgestellt werden, tritt ebenfalls eine Regelung ein. Dieser integrale, singuläre R Wert stellt dann auch eine Regelgröße Z dar.H (x, y) is proportional to the product of the number n of particles M xy at the position (x, y) and the temperature T of the particles M xy in the measuring range around the point (x, y): (H (x, yxn M xy T Mxy ). H (x, y) also depends on the distance to the nozzle 30 (along the z-direction).
This measurement result can be used for regulation. Either a pictorial comparison between two images is made and deviations are determined or an integral value R of an area ∫ H (x, y) dxdy , ST (x, y) dxdy over the cross section according to FIG FIG. 12 determined and there is a single integral brightness value or temperature value R, which is then repeatedly determined at different times and when deviations in this integral value R are detected, also occurs a regulation. This integral, singular R value then also represents a controlled variable Z.

Die Materialflussrate ṁ M des Materialstroms wird dabei vorzugsweise nicht verändert.The material flow rate ṁ M of the material flow is preferably not changed.

Figur 11 zeigt eine Düse 30, bei der als Primärgas Argon (Ar), Helium und/oder als Sekundärgas Wasserstoff (H2) an einem Ende 31 eingeleitet werden und am anderen Ende 33 Material (M) hinzugeführt wird. FIG. 11 shows a nozzle 30, in which argon (Ar), helium and / or as a secondary gas hydrogen (H2) are introduced at one end 31 as the primary gas and at the other end 33 material (M) is added.

Durch das Anlegen der Spannung UB an die Elektrode 36 wird durch einen hochenergetischen Lichtbogen ein Plasma erzeugt, das die Gase und Plasmaflamme bildet.By applying the voltage U B to the electrode 36, a plasma is generated by a high-energy arc, which forms the gases and plasma flame.

Die Figur 13 zeigt in perspektivischer Ansicht eine Laufschaufel 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.The FIG. 13 shows a perspective view of a blade 120 or guide vane 130 of a turbomachine, which extends along a longitudinal axis 121.
The turbomachine may be a gas turbine of an aircraft or a power plant for power generation, a steam turbine or a compressor.

Die Schaufel 120, 130 weist entlang der Längsachse 121 aufeinander 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 Schaufelspitze 415 eine weitere Plattform aufweisen (nicht dargestellt).The blade 120, 130 has along the longitudinal axis 121 consecutively a fastening region 400, a blade platform 403 adjacent thereto and an airfoil 406 and a blade tip 415.
As a guide blade 130, the blade 130 may have at its blade tip 415 another platform (not shown).

Im Befestigungsbereich 400 ist ein Schaufelfuß 183 gebildet, der zur Befestigung der Laufschaufeln 120, 130 an einer Welle oder einer Scheibe dient (nicht dargestellt).In the mounting region 400, a blade root 183 is formed, which serves for attachment of the blades 120, 130 to a shaft or a disc (not shown).

Der Schaufelfuß 183 ist beispielsweise als Hammerkopf ausgestaltet. Andere Ausgestaltungen als Tannenbaum- oder Schwalbenschwanzfuß sind möglich.
Die Schaufel 120, 130 weist für ein Medium, das an dem Schaufelblatt 406 vorbeiströmt, eine Anströmkante 409 und eine Abströmkante 412 auf.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 a leading edge 409 and a trailing edge 412 for a medium flowing past the airfoil 406.

Bei herkömmlichen Schaufeln 120, 130 werden in allen Bereichen 400, 403, 406 der Schaufel 120, 130 beispielsweise massive metallische Werkstoffe, insbesondere Superlegierungen verwendet.
Solche Superlegierungen sind beispielsweise aus der EP 1 204 776 B1 , EP 1 306 454 , EP 1 319 729 A1 , 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.In conventional blades 120, 130, for example, solid metallic materials, in particular superalloys, are used in all regions 400, 403, 406 of the blade 120, 130.
Such superalloys are for example from EP 1 204 776 B1 . EP 1 306 454 . EP 1 319 729 A1 . WO 99/67435 or WO 00/44949 known.
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.

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 besteht 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 ausbilden, 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 A1 bekannt.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.
The production of such monocrystalline workpieces, for example, by directed solidification from the melt. These are casting methods in which the liquid metallic alloy solidifies into a monocrystalline structure, ie a single-crystal workpiece, or directionally.
Here, 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 consists of a single crystal. In these processes, one must avoid the transition to globulitic (polycrystalline) solidification, since non-directional growth necessarily produces transverse and longitudinal grain boundaries, which negate the good properties of the directionally solidified or monocrystalline component.
The term generally refers to directionally solidified microstructures, which means both single crystals that have no grain boundaries or at most small angle grain boundaries, and stem crystal structures that have probably longitudinal grain boundaries but no transverse grain boundaries. These second-mentioned crystalline structures are also known as directionally solidified structures.
Such methods are known from U.S. Patent 6,024,792 and the EP 0 892 090 A1 known.

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 B1 , EP 0 786 017 B1 , EP 0 412 397 B1 oder EP 1 306 454 A1 .
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).Likewise, the blades 120, 130 may have coatings against corrosion or oxidation, e.g. 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 silicon and / or at least one element of the rare ones Earth, or hafnium (Hf)). Such alloys are known from the 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 density.
A protective aluminum oxide layer (TGO = thermal grown oxide layer) is formed on the MCrAlX layer (as an intermediate layer or as the outermost 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-11Al-0,4Y-2Re oder Ni-25Co-17Cr-10A1-0,4Y-1,5Re.Preferably, the layer composition comprises Co-30Ni-28Cr-8A1-0.6Y-0.7Si or Co-28Ni-24Cr-10Al-0.6Y. Besides these cobalt-based protective coatings, nickel-based protective layers such as Ni-10Cr-12Al-0.6Y-3Re or Ni-12Co-21Cr-11Al-0.4Y-2Re or Ni-25Co-17Cr-10A1-0,4Y-1 are also preferably used , 5RE.

Auf der MCrAlX kann noch eine Wärmedämmschicht vorhanden sein, die vorzugsweise die äußerste Schicht ist, und besteht beispielsweise aus ZrO2, Y2O3-ZrO2, d.h. sie ist nicht, teilweise oder vollständig stabilisiert durch Yttriumoxid und/oder Kalziumoxid und/oder Magnesiumoxid.
Die Wärmedämmschicht bedeckt die gesamte MCrAlX-Schicht. Durch geeignete Beschichtungsverfahren wie z.B. Elektronenstrahlverdampfen (EB-PVD) werden stängelförmige Körner in der Wärmedämmschicht erzeugt.
Andere Beschichtungsverfahren sind denkbar, z.B. atmosphärisches Plasmaspritzen (APS), LPPS, VPS oder CVD. Die Wärmedämmschicht kann poröse, mikro- oder makrorissbehaftete Körner zur besseren Thermoschockbeständigkeit aufweisen. Die Wärmedämmschicht ist also vorzugsweise poröser als die MCrAlX-Schicht.On the MCrAlX may still be present a thermal barrier coating, which is preferably the outermost layer, and consists for example of ZrO 2 , Y 2 O 3 -ZrO 2 , that is, it is not, partially or completely stabilized by yttrium oxide and / or calcium oxide and / or magnesium oxide.
The thermal barrier coating covers the entire MCrAlX layer. By means of suitable coating processes, such as electron beam evaporation (EB-PVD), stalk-shaped grains are produced in the thermal barrier coating.
Other coating methods are conceivable, for example atmospheric plasma spraying (APS), LPPS, VPS or CVD. The thermal barrier coating may have porous, micro- or macro-cracked grains for better thermal shock resistance. The thermal barrier coating is therefore preferably more porous than the MCrAlX layer.

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 Oxidationsschichten bzw. -produkte. Gegebenenfalls werden auch noch Risse im Bauteil 120, 130 repariert. Danach erfolgt eine Wiederbeschichtung des Bauteils 120, 130 und ein erneuter Einsatz des Bauteils 120, 130.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.

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 angedeutet) auf.The blade 120, 130 may be hollow or solid. If the blade 120, 130 is to be cooled, it is hollow and may still film cooling holes 418 (indicated by dashed lines) on.

Claims (5)

Verfahren zur thermischen Beschichtung mittels eines Materialstroms (42) mittels einer Düse (30),
insbesondere mittels eines Pulverstroms,
bei dem ein Material (11) des Materialstroms (42) erwärmt, angeschmolzen und/oder aufgeschmolzen wird,
insbesondere mittels eines Plasmas oder einer Flamme,
bei dem zumindest eine Zielgrößen (Z1, Z2, Z3, ...), insbesondere
Materialstromgeschwindigkeit (vp) des Materialstroms (42) und/oder
Helligkeitsverteilungen (H(x,y); ∫H(x,y)dxdy) des Materialstroms (42)
und/oder
Temperaturverteilung (T(x,y); ∫T(x,y)dxdy)
und/oder
Spannung (UB) zwischen einer Elektrode (36) und der Düse (30),
aus der (30) das Material (11) austritt oder am Ende der Düse (30) eingespritzt wird,
und/oder
die Leistung (P) der Düse (30)
gemessen und geregelt werden,
und bei dem vor der Beschichtung ausgehend von einem und/oder mehreren optimalen Anfangswerten von Regelgrößen (R1, R2, R3),
bei dem die gewünschten optimalen Zielgrößen (Z1, Z2, Z3) erreicht und/oder eingehalten werden,
Parametersätze (K1, K2, K3, ...) für verschiedene Konstellationen wie höhere, tiefere, konstante Regelgrößen (R1, R2, R3) eingestellt werden und
die Veränderungen der Zielgrößen (Z1, Z2, Z3) ermittelt werden,
die dann später zur Regelung der Zielgrößen (Z1, Z2, Z3) bei der Beschichtung verwendet werden.Method for thermal coating by means of a material flow (42) by means of a nozzle (30),
in particular by means of a powder flow,
in which a material (11) of the material flow (42) is heated, melted and / or melted,
in particular by means of a plasma or a flame,
in which at least one target variables (Z 1 , Z 2 , Z 3 , ...), in particular
Material flow rate (v p ) of the material flow (42) and / or
Brightness distributions (H (x, y); ∫ H (x , y) dxdy ) of the material flow (42)
and or
Temperature distribution (T (x, y); ∫ T (x, y) dxdy )
and or
Voltage (U B ) between an electrode (36) and the nozzle (30),
from (30) the material (11) exits or is injected at the end of the nozzle (30),
and or
the power (P) of the nozzle (30)
be measured and regulated,
and in which before the coating, starting from one and / or a plurality of optimum initial values of controlled variables (R1, R2, R3),
in which the desired optimal target values (Z1, Z2, Z3) are achieved and / or adhered to,
Parameter sets (K1, K2, K3, ...) can be set for different constellations such as higher, lower, constant control variables (R1, R2, R3) and
the changes of the target quantities (Z1, Z2, Z3) are determined,
which are then used later to control the target quantities (Z1, Z2, Z3) in the coating. Verfahren nach Anspruch 1,
bei dem bei einer Abweichung zumindest einer der Zielgrößen (Z1, Z2, Z3) ein Best-Fit mit den vorab ermittelten Veränderungen von Zielgrößen (Z1, Z2, Z3) der Parametersätze (K1, K2, K3, ...) durchgeführt wird und
die dazu gehörigen Regelgrößen (R1, R2, R3) dann zur Regelung eingesetzt werden.Method according to claim 1,
in which, in the case of a deviation of at least one of the target variables (Z1, Z2, Z3), a best-fit is carried out with the previously determined changes of target variables (Z1, Z2, Z3) of the parameter sets (K1, K2, K3,
the associated control variables (R1, R2, R3) are then used for control. Verfahren nach einem oder beiden der Ansprüche 1 oder 2, bei dem als Regelgröße (R1, R2, R3) die Stromstärke (IB) und/oder die Leistung (P) erhöht oder gesenkt wird.Method according to one or both of Claims 1 or 2, in which the current value (I B ) and / or the power (P) is increased or decreased as a controlled variable (R1, R2, R3). Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2 oder 3,
bei dem als Regelgröße (R1, R2, R3) die Gasflussrate ( ṁ Ar, ṁ H2) der Primärgase (Argon, Helium)
und/oder
der Sekundärgase (Wasserstoff, ...)
der Düse (30) erhöht oder gesenkt werden
um die Materialstromgeschwindigkeit (vp)Method according to one or more of claims 1, 2 or 3,
in which as a controlled variable (R1, R2, R3) the gas flow rate ( ṁ Ar , ṁ H2 ) of the primary gases (argon, helium)
and or
the secondary gases (hydrogen, ...)
the nozzle (30) can be increased or decreased
about the material flow rate (v p ) Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4,
bei dem die Materialflussrate ( ṁ m) während der Beschichtung nicht verändert wird.Method according to one or more of claims 1 to 4,
in which the material flow rate ( ṁ m ) is not changed during the coating.
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