Die Erfindung betrifft einen Prozess der thermischen Be- Schichtung und deren Parameterentwicklung.

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 Span- nungsabfall 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 - 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.

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 U _B zwischen der Düse 30 und einer Elektrode 36 (Fig. 11) nach dem Stand der Technik.

Die Spannung U _B 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 U _B über die Zeit t oder andere Verläufe möglich.

Dementsprechend ist der Verlauf der durchschnittlichen Tempe ^¬ raturen T und der durchschnittlichen Materialstromgeschwindigkeit v _p (nicht dargestellt) über die Zeit. Als Auswirkung davon nimmt das Schichtgewicht m _c 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, insbesondere bei der Plasma-Beschichtung oder HVOF-Beschichtung austreten, ermittelt . Dabei werden die Zielwerte ZI, Z2, Z3, wie insbesondere von Spannung U _B zwischen der Düse 30 und der Elektrode 36 oder der Leistung P an der Düse 30, Materialstromgeschwindigkeit v _p , die Temperatur T _p des Materialstroms 42, die Temperatur- Verteilung 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.

Werden bei der Messung also Abweichungen festgestellt, so ist auf einen Verschleiß zu schließen und Regelgrößen Rl, R2, R3 zur Veränderung der Zielgrößen ZI, Z2, Z3 werden entsprechend eingestellt, so dass wieder die gewünschten Zielwerte ZI, Z2, Z3 erreicht werden.

Die Regelung der Zielwerte erfolgt über die Anpassung von Regelgrößen (Rl, R2, R3) , hier vorzugsweise von Stromstärke I _B der Düse 30, der Flussraten der Primär- und/oder Sekundär- gase an der Düse 30, durch welche sich die Zielparameter ZI, Z2, Z3 gezielt einstellen lassen.

Primärgase sind Argon (Ar) und/oder Helium (He), Sekundärgas ist z.B. Wasserstoff (H ₂ ) , 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 optimalen Regelgrößen Rl, R2, R3, bei denen die optimalen 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) blei ^¬ ben . 1,0 stellt dabei für Rl, R2, R3, ... einen nominierten Wert dar, nämlich der eingestellte Wert geteilt durch den opti ^¬ malen Ausgangszustand von Rl, R2,...

Die Werte 1,1; 0,9 stellen dementsprechend eine entsprechende Erhöhung oder Erniedrigung von Rl, R2, ... dar.

Aufgrund dieser Erhöhungen und/oder Änderungen der Regelgrößen Rl, R2, R3 werden dann die veränderten Werte der hier vorzugsweise drei verwendeten Zielgrößen Zi, Z ₂ , Z3 ermittelt:

Die Werte 1,1; 0,9; 1,0 stellen dementsprechend eine entspre ^¬ chende Erhöhung, Erniedrigung oder keine Veränderung der normierten optimalen Werte von ZI, Z2, ... dar.

Die Veränderungen der Zielgrößen ZI, Z2, Z3 hängen von der jeweiligen Düse 30 ab.

Ebenso ist es möglich, nur mit höheren (†) und niedrigeren (l) Werten für Rl, R2, ... eine Datentabelle zu erfassen, d.h. keine gleichbleibende Werte (-) für die Regelgrößen. Rl R2 R3 ZI Z2 Z3

Kl 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 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.

Diese vorab ermittelten Parametersätze Kl, ... werden dann spä ^¬ ter zur Regelung verwendet, wenn eine Abweichung bei ZI, Z2, Z3 auftritt.

Es wird bei einer Abweichung des Wertes von ZI, Z2, ... während der Beschichtung 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 m _c (Fig. 6) der Schaufel sowie Porosität p (Fig. 7) über die Zeit t konstant. Durch die Regelung der Stromstärke I _B (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 V _p (nicht dargestellt) .

Ebenso können die Flussraten m _G von Argon m _Ar (Fig. 8) sowie die von Wasserstoff m _H 2 (Fig. 9) an der Düse geregelt wer ^¬ den, um die gewünschten Ergebnisse zu erzielen, insbesondere für die Spannung 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 Temperaturver- teilung 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.

H(x,y) ist proportional dem Produkt der Anzahl n der Partikel M _xy an der Stelle (x,y) und der Temperatur T der Partikel M _xy in dem Messbereich um den Punkt (x,y) : (H(x,y ~ n M _xy T _Mxy ) . H(x,y) hängt auch vom Abstand zur Düse 30 (entlang z-Rich- tung) .

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 Tempera- turwert 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, singulare R Wert stellt dann auch eine Regelgröße Z dar.

Die Materialflussrate m _M des Materialstroms wird dabei vorzugsweise nicht verändert. 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 Mate ^¬ rial (M) hinzugeführt wird. Durch das Anlegen der Spannung U _B an die Elektrode 36 wird durch einen hochenergetischen Lichtbogen ein Plasma erzeugt, das die Gase und Plasmaflamme bildet.

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 Dampf- turbine 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 er- folgt 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 Zr0 ₂ , 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.