DE102017209842A1 - Process for coating a surface of a component by thermal spraying - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Beschichten einer Oberfläche eines Bauteils mittels thermischen Spritzens, bei dem ein Gasstrom erzeugt wird, Spritzpartikel an- oder aufgeschmolzen und mittels des Gasstroms zur Oberfläche des Bauteils transportiert und auf der Oberfläche des Bauteils unter Ausbildung einer Beschichtung abgeschieden werden, wobei die spezifische Enthalpie des Gasstroms ermittelt und Eigenschaften der Beschichtung mittels einer Einstellung der spezifischen Enthalpie gesteuert werden.The invention relates to a method for coating a surface of a component by means of thermal spraying, wherein a gas stream is generated, sprayed on or melted and transported by the gas flow to the surface of the component and deposited on the surface of the component to form a coating, wherein the specific enthalpy of the gas flow is determined and properties of the coating are controlled by means of a setting of the specific enthalpy.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Beschichten einer Oberfläche eines Bauteils mittels thermischen Spritzens.The invention relates to a method for coating a surface of a component by means of thermal spraying.

Oberflächenbeschichtungen auf Bauteilen können mittels Verfahren des thermischen Spritzens hergestellt werden. Dabei werden Zusatzwerkstoffe, sog. Spritzpartikel, innerhalb oder außerhalb eines Spritzbrenners an- oder aufgeschmolzen, in einem Gasstrom beschleunigt und auf die Oberfläche des zu beschichtenden Bauteils geschleudert. Die Bauteiloberfläche wird dabei nicht angeschmolzen und nur in geringem Maße thermisch belastet. Beim Auftreffen auf die Bauteiloberfläche bleiben die Spritzpartikel an der Oberfläche haften, so dass sich die Oberflächenbeschichtung lagenweise ausbilden kann.Surface coatings on components can be made by thermal spraying techniques. In this case, additional materials, so-called. Spray particles, inside or outside of a spray burner on or melted, accelerated in a gas stream and thrown onto the surface of the component to be coated. The component surface is not melted and only slightly thermally stressed. When hitting the component surface, the spray particles remain adhered to the surface, so that the surface coating can be formed in layers.

Die erzielbaren Eigenschaften der Beschichtung, wie z. B. deren Haftfestigkeit, Oberflächenmorphologie (z. B. Rauheit), Porosität, Dichte, Phasenzusammensetzung, Härte, E-Modul oder Schichtdicke, werden maßgeblich von der Temperatur und der Geschwindigkeit der Spritzpartikel zum Zeitpunkt ihres Auftreffens auf die zu beschichtende Oberfläche beeinflusst. Der Oberflächenzustand der zu beschichtenden Oberfläche, z. B. deren Reinheit, Aktivierungszustand oder Temperatur, übt ebenfalls maßgeblichen Einfluss auf die Eigenschaften der resultierenden Beschichtung aus.The achievable properties of the coating, such. As their adhesion, surface morphology (eg roughness), porosity, density, phase composition, hardness, modulus or thickness, are significantly influenced by the temperature and the speed of the spray particles at the time of their impact on the surface to be coated. The surface condition of the surface to be coated, z. As their purity, activation state or temperature, also exerts a significant influence on the properties of the resulting coating.

Thermische Spritzverfahren dienen vorrangig dem Aufbringen von Beschichtungen aus Metallen, oxidkeramischen Werkstoffen und/oder carbidischen Werkstoffen auf metallische oder nichtmetallische Bauteile.Thermal spraying processes are primarily used to apply coatings of metals, oxide-ceramic materials and / or carbidic materials to metallic or non-metallic components.

Die Energie zum Aufheizen und Beschleunigen der Spritzpartikel kann z. B. mittels eines Plasmastrahls bereitgestellt werden. Das zugehörige Beschichtungsverfahren wird in diesem Fall auch als Plasmaspritzen bezeichnet.The energy for heating and accelerating the spray particles may, for. B. be provided by means of a plasma jet. The associated coating method is referred to in this case as plasma spraying.

Für das Plasmaspritzen wird ein Plasmabrenner eingesetzt, der über eine Anode und mindestens eine Kathode verfügt. Mittels Gleichspannung wird ein Lichtbogen zwischen Anode und Kathode erzeugt. Ein durch den Plasmabrenner strömendes Arbeitsgas wird durch den Lichtbogen geleitet und hierbei ionisiert, so dass ein sehr heißes, elektrisch leitendes Gas aus positiven Ionen und Elektronen (Plasmastrom) entsteht. Als Arbeitsgas können beispielsweise Argon, Wasserstoff, Helium, Stickstoff oder Mischungen aus den genannten Gasen eingesetzt werden.For plasma spraying, a plasma torch is used which has an anode and at least one cathode. DC voltage creates an arc between anode and cathode. A working gas flowing through the plasma torch is passed through the arc and thereby ionized, so that a very hot, electrically conductive gas of positive ions and electrons (plasma stream) is formed. As a working gas, for example, argon, hydrogen, helium, nitrogen or mixtures of the gases mentioned can be used.

Zum Plasmastrom werden die Spritzpartikel, ggf. mittels eines Trägergases, zugeführt und dabei an- oder aufgeschmolzen. Der Plasmastrom reißt die Spritzpartikel mit und schleudert sie auf das zu beschichtende Bauteil, wo sie unter Ausbildung der Beschichtung abgeschieden werden.For plasma flow, the spray particles, possibly by means of a carrier gas, fed and thereby on or melted. The plasma stream entrains the spray particles and hurls them at the component to be coated, where they are deposited to form the coating.

Zur Verringerung des Materialverschleißes des Plasmabrenners und zur Abführung des Wärmestroms ist eine Kühlung des Plasmabrenners notwendig. Diese kann als Wasserkühlung ausgebildet sein.To reduce the material wear of the plasma torch and to dissipate the heat flow cooling of the plasma torch is necessary. This can be designed as water cooling.

Ein weiteres thermisches Spritzverfahren stellt das Hochgeschwindigkeitsflammspritzen dar, bei dem durch Verbrennung eines gasförmigen Kraftstoffs, wie z. B. Propan, Ethylen, Butan, Acetylen, Wasserstoff, oder eines flüssigen Brennstoffs, wie z. B. Diesel oder Kerosin, in einer gekühlten Brennkammer mit nachgeordneter Expansionsdüse ein Gasstrom mit hoher Geschwindigkeit entsteht. Die Verbrennung kann entweder unter Sauerstoff (engl. high velocity oxygen fuel, HVOF) oder unter Luft (engl. high velocity air fuel, HVAF) erfolgen. Die Spritzpartikel werden entweder zur Brennkammer oder im Bereich der Expansionsdüse zugeführt, beschleunigt, in Richtung des zu beschichtenden Bauteils transportiert und auf dessen Oberfläche abgeschieden.Another thermal spraying method is the high-speed flame spraying, in which by combustion of a gaseous fuel such. As propane, ethylene, butane, acetylene, hydrogen, or a liquid fuel such. B. diesel or kerosene, in a cooled combustion chamber with downstream expansion nozzle, a gas flow at high speed is formed. Combustion may be either high velocity oxygen fuel (HVOF) or high velocity air fuel (HVAF). The spray particles are either supplied to the combustion chamber or in the region of the expansion nozzle, accelerated, transported in the direction of the component to be coated and deposited on the surface thereof.

Zur Beurteilung des Beschichtungsprozesses wird häufig der Auftragswirkungsgrad (engl. deposition efficiency, DE) bestimmt. Dieser entspricht dem Verhältnis der Masse der haftenden Spritzpartikel am Bauteil zur Masse der zugeführten Spritzpartikel und kann Werte zwischen 0 und 1 annehmen.To assess the coating process, the order efficiency (DE) is often determined. This corresponds to the ratio of the mass of adhering spray particles on the component to the mass of the injected spray particles and can assume values between 0 and 1.

Die Elektroden, insbesondere die Kathoden, eines Plasmabrenners unterliegen im Verlauf ihres Einsatzes einer gewissen Abnutzung (Verschleiß). Eine derartige Abnutzung führt üblicherweise zu einer Verschlechterung der Leistungsfähigkeit der Elektroden.The electrodes, in particular the cathodes, of a plasma torch are subject to wear (wear) in the course of their use. Such wear usually results in deterioration of the performance of the electrodes.

Die Abnutzung der Elektroden ist u. a. abhängig von der Plasmaleistung, die für den Beschichtungsprozess genutzt wird. Ist die erforderliche Plasmaleistung hoch, ist eine schnellere Abnutzung der Elektroden zu beobachten. Dies kann dazu führen, dass die Elektroden bereits nach einigen Betriebsstunden ersetzt werden müssen.The wear of the electrodes is u. a. depending on the plasma power used for the coating process. If the required plasma power is high, a faster wear of the electrodes can be observed. This can cause the electrodes to be replaced after a few hours of use.

Aufgrund der Abnutzung und verschlechterten Leistungsfähigkeit der Elektroden können sich die Spannung des Lichtbogens und damit die Plasmaleistung ändern. Dies kann die Effizienz des Beschichtungsverfahrens verringern und Eigenschaften der Beschichtung beeinflussen. Dies kann sich in einer Abnahme des Auftragswirkungsgrads widerspiegeln.Due to the wear and deterioration of the performance of the electrodes, the voltage of the arc and thus the plasma power may change. This can reduce the efficiency of the coating process and affect coating properties. This may be reflected in a decrease in the order efficiency.

Durch die Abnutzung wird außerdem die Geometrie der Spitze der Kathoden verändert, da während des Beschichtungsverfahrens Material von der Kathodenspitze abgetragen wird. Zudem verändert sich auch die chemische Zusammensetzung des Materials an der Kathodenspitze. Weiterhin kann auch der Anodenkanal erodieren. Dies kann die Ausbildung des Lichtbogens beeinflussen, was anhand einer Änderung der Spannung festgestellt werden kann.The wear also changes the geometry of the tip of the cathodes, as material is removed from the cathode tip during the coating process. moreover Also changes the chemical composition of the material at the cathode tip. Furthermore, the anode channel can also erode. This can affect the formation of the arc, which can be determined by changing the voltage.

Die beschriebenen Änderungen können sich auf die aufzubringende Beschichtung auswirken und beispielsweise dazu führen, dass sich Eigenschaften der Beschichtung ändern. Mit anderen Worten besteht die Gefahr, dass die resultierende Beschichtung nicht die gewünschten Eigenschaften aufweist, z. B. dass keine homogene Beschichtung auf dem Bauteil erhalten wird.The changes described may affect the coating to be applied and, for example, lead to changes in the properties of the coating. In other words, there is a risk that the resulting coating does not have the desired properties, eg. B. that no homogeneous coating is obtained on the component.

Um die Parameter des Plasmabrenners, z. B. die Spannung des Lichtbogens, und Parameter des Beschichtungsverfahrens, z. B. den Auftragswirkungsgrad, über eine gewisse Betriebsdauer möglichst konstant halten und damit eine homogene Beschichtung auf dem Bauteil erreichen zu können, werden im Stand der Technik die Stromstärke und/oder der dem Plasmabrenner zugeführte Strom des Arbeitsgases, z. B. der Strom an gasförmigem Wasserstoff, geändert.To the parameters of the plasma torch, z. As the voltage of the arc, and parameters of the coating process, for. As the order efficiency, hold as constant as possible over a certain period of operation and thus to achieve a homogeneous coating on the component, in the prior art, the current and / or the plasma torch supplied power of the working gas, eg. As the flow of gaseous hydrogen changed.

Beispielsweise kann durch eine Änderung des Zuflusses an Arbeitsgas die Spannung des das Plasma erzeugenden Lichtbogens beeinflusst werden. Durch Änderung der Stromstärke kann der Auftragswirkungsgrad beeinflusst werden. Mit anderen Worten kann z. B. der Auftragswirkungsgrad gesteuert oder geregelt, z. B. konstant gehalten, werden, indem die Stromstärke eingestellt wird.For example, by changing the inflow of working gas, the voltage of the plasma-generating arc can be influenced. By changing the current intensity, the order efficiency can be influenced. In other words, z. B. the order efficiency controlled or regulated, z. B. held constant, by the current level is set.

Dies kann die Einstellung oder Wiederherstellung einer bestimmten (vorgebbaren) Spannung und eines bestimmten (vorgebbaren) Auftragswirkungsgrads ermöglichen. Sowohl die Einstellung der Stromstärke als auch der Gaszufluss an Arbeitsgas können also genutzt werden, um Parameter des Beschichtungsverfahrens und damit auch Eigenschaften der Beschichtung zumindest ungefähr einzustellen und im Verlauf eines Beschichtungsverfahrens unter Verwendung desselben Plasmabrenners möglichst konstant zu halten.This can enable the setting or restoration of a specific (predefinable) tension and a certain (specifiable) order efficiency. Both the adjustment of the current intensity and the gas flow to working gas can thus be used to at least approximately adjust parameters of the coating process and thus also properties of the coating and to keep them as constant as possible in the course of a coating process using the same plasma torch.

Nachteilig ist jedoch, dass durch Änderung der Stromstärke und/oder des Gaszuflusses nicht nur jeweils ein Parameter des Plasmabrenners oder Beschichtungsverfahrens beeinflusst wird, sondern mehrere, z. T. voneinander abhängige Parameter.The disadvantage, however, that not only one parameter of the plasma torch or coating process is affected by changing the current and / or the gas flow, but several, z. T. interdependent parameters.

Beispielsweise wird durch eine Erhöhung des Gaszuflusses nicht nur die Spannung beeinflusst, sondern auch die Strömungsgeschwindigkeit des resultierenden Gasstroms geändert. Dies führt dazu, dass zwar die Plasmaleistung konstant gehalten werden kann, sich jedoch die Beschichtungsrate, d. h. die pro Zeiteinheit erzielbare Schichtdicke der Beschichtung, ändert. Wird zum Konstanthalten des Auftragswirkungsgrads die Stromstärke erhöht, um einen Spannungsabfall durch Abnutzung der Elektroden zu kompensieren, kann dies zu einer Überhitzung der Spritzpartikel führen, wodurch letztendlich die Porosität und Mikrostruktur der resultierenden Beschichtung beeinflusst werden.For example, by increasing the gas flow, not only the voltage is affected, but also the flow rate of the resulting gas flow is changed. As a result, although the plasma power can be kept constant, the coating rate, i. H. the achievable per unit time layer thickness of the coating changes. If the current intensity is increased to keep the application efficiency constant in order to compensate for a voltage drop due to wear of the electrodes, this can lead to overheating of the spray particles, which ultimately affects the porosity and microstructure of the resulting coating.

Mit anderen Worten können die Änderung der Stromstärke und/oder des Gaszuflusses zu einer Änderung der Temperatur und des Geschwindigkeitsprofils des Plasmas führen, was u. a. ein nicht reproduzierbares Erhitzen der Spritzpartikel mit sich bringt. Die Qualität der Beschichtung und Wiederholbarkeit des Beschichtungsverfahrens kann nicht gewährleistet werden.In other words, the change of the current intensity and / or the gas inflow may lead to a change in the temperature and the velocity profile of the plasma, which u. a. brings a non-reproducible heating of the spray particles with it. The quality of the coating and repeatability of the coating process can not be guaranteed.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Möglichkeit anzugeben, mit der vorgebbare Eigenschaften einer mittels thermischen Spritzens, z. B. mittels Plasmaspritzen oder Hochgeschwindigkeitsflammspritzen, auf ein Bauteil aufgebrachten Beschichtung erzielt werden können. Beispielsweise sollen gleichbleibende Eigenschaften über einen gewissen Betriebszeitraum, beispielsweise innerhalb eines Beschichtungsvorgangs, gewährleistet werden können.Object of the present invention is therefore to provide a way with the specifiable properties of a thermal spraying, z. B. by plasma spraying or high-speed flame spraying, applied to a component coating can be achieved. For example, consistent properties over a certain period of operation, for example within a coating process, can be guaranteed.

Es soll auch eine Möglichkeit angegeben werden, mit der auf eine Abnutzung der Elektroden eines Plasmabrenners in einem Plasmaspritzverfahren so reagiert werden kann, dass sich die Eigenschaften der Beschichtung im Laufe eines Beschichtungsvorgangs nicht oder nur unwesentlich ändern.It is also intended to specify a possibility with which it is possible to react to a wear of the electrodes of a plasma torch in a plasma spraying process such that the properties of the coating do not change or only insignificantly change during the course of a coating process.

Wünschenswert wäre es zudem, reproduzierbare Bedingungen zum Erhalt vorgebbarer Beschichtungseigenschaften während eines Beschichtungsvorgangs, die z. B. auf eine andere baugleiche Vorrichtung zum thermischen Spritzen, beispielsweise auf einen baugleichen Plasmabrenner, übertragbar sind, ermitteln und festlegen zu können.It would also be desirable to reproducible conditions for obtaining specifiable coating properties during a coating process, the z. B. on another identical device for thermal spraying, for example, on a structurally identical plasma torch, are transferable to identify and determine.

Diese Aufgabe wird gelöst durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs. Die davon abhängigen Ansprüche beinhalten Ausgestaltungen dieser erfindungsgemäßen Lösung.This object is solved by the subject matter of the independent claim. The dependent claims include embodiments of this inventive solution.

Die Erfindung beruht auf dem Grundgedanken, das Beschichten mittels thermischen Spritzens, z. B. mittels Plasmaspritzen oder Hochgeschwindigkeitsflammspritzen, unter Berücksichtigung der spezifischen Enthalpie des erzeugten Gasstroms, d. h. der im Gasstrom enthaltenen Energie (vor allem Wärmeenergie), bezogen auf die Masse des Gasstroms, durchzuführen. Beispielsweise kann die spezifische Enthalpie eingestellt, also z. B. geändert oder konstant gehalten werden, um Parameter des Beschichtungsverfahrens, z. B. den Auftragswirkungsgrad, und/oder Beschichtungseigenschaften steuern zu können. Mit anderen Worten besteht ein direkter Zusammenhang zwischen spezifischer Enthalpie und Beschichtungseigenschaften. Die spezifische Enthalpie kann auch als Stellgröße in einer Regelung der Beschichtungseigenschaften (Regelgröße) dienen.The invention is based on the idea that coating by thermal spraying, z. Example by means of plasma spraying or high-velocity flame spraying, taking into account the specific enthalpy of the gas stream generated, ie the energy contained in the gas stream (especially heat energy), based on the mass of the gas stream to perform. For example, the specific enthalpy can be set, ie z. B. changed or kept constant to parameters of the coating process, for. B. the To control order efficiency, and / or coating properties. In other words, there is a direct relationship between specific enthalpy and coating properties. The specific enthalpy can also serve as a manipulated variable in a regulation of the coating properties (controlled variable).

Die Verwendung der spezifischen Enthalpie als Referenzgröße für den Beschichtungsprozess stellt einen deutlich aussagekräftigeren Parameter dar als die bisher zur Prozesssteuerung genutzten Parameter, wie z. B. Spannung oder Auftragswirkungsgrad. Vorteilhaft kann zudem die Überwachung der spezifischen Enthalpie während des Beschichtungsverfahrens ausreichend sein, während gemäß dem Stand der Technik eine Vielzahl von Parametern überwacht werden mussten.The use of the specific enthalpy as a reference variable for the coating process is a significantly more meaningful parameter than the parameters previously used for process control, such. B. tension or order efficiency. In addition, the monitoring of the specific enthalpy during the coating process may advantageously be sufficient, while according to the prior art, a large number of parameters had to be monitored.

Beispielsweise kann im Falle eines Plasmaspritzverfahrens die spezifische Enthalpie des erzeugten Plasmastroms genutzt werden.For example, in the case of a plasma spraying process, the specific enthalpy of the generated plasma stream can be utilized.

Beim Hochgeschwindigkeitsflammspritzen kann die spezifische Enthalpie des durch Kraftstoffverbrennung erzeugten Gasstroms berücksichtigt werden.High-speed flame spraying can take into account the specific enthalpy of gas-fueled gas flow.

Dadurch besteht auch die Möglichkeit, die Kühlleistung der Kühlvorrichtung des Plasmabrenners beim Plasmaspritzen bzw. der Brennkammer beim Hochgeschwindigkeitsflammspritzen und deren Auswirkungen auf das Beschichtungsverfahren und die resultierende Beschichtung zu berücksichtigen.This also makes it possible to take into account the cooling performance of the cooling device of the plasma torch during plasma spraying or the combustion chamber during high-speed flame spraying and their effects on the coating method and the resulting coating.

Erfindungsgemäß ist daher vorgesehen, dass in einem Verfahren zum Beschichten einer Oberfläche eines Bauteils mittels thermischen Spritzens, bei dem ein Gasstrom erzeugt wird, Spritzpartikel an- oder aufgeschmolzen und mittels des Gasstroms zur Oberfläche des Bauteils transportiert und auf der Oberfläche des Bauteils unter Ausbildung einer Beschichtung abgeschieden werden, die spezifische Enthalpie des Gasstroms ermittelt und Eigenschaften der Beschichtung mittels einer Einstellung der spezifischen Enthalpie gesteuert werden.According to the invention, it is therefore provided that, in a method for coating a surface of a component by means of thermal spraying, in which a gas flow is generated, spray particles are melted or melted and transported by means of the gas flow to the surface of the component and on the surface of the component to form a coating are determined, the specific enthalpy of the gas flow determined and properties of the coating are controlled by means of a setting of the specific enthalpy.

Die spezifische Enthalpie kann als Sammelgröße aufgefasst werden, die variiert werden kann, um vorgebbare Beschichtungseigenschaften erzielen zu können. Sie kann ihrerseits eingestellt werden, indem die Enthalpie beeinflussende Parameter, wie z. B. Stromstärke eines Plasmabrenners beim Plasmaspritzen, geändert werden.The specific enthalpy can be understood as a collective size, which can be varied in order to achieve predefinable coating properties. You can in turn be adjusted by the enthalpy influencing parameters such. B. Amperage of a plasma torch during plasma spraying, to be changed.

In verschiedenen Ausführungsvarianten kann das thermische Spritzen als Plasmaspritzen ausgeführt werden, indem mittels eines mittels einer Kühlvorrichtung gekühlten Plasmabrenners aus einem Arbeitsgas ein Plasmastrom als Gasstrom erzeugt wird.In various embodiments, the thermal spraying can be carried out as plasma spraying by using a plasma burner cooled by a cooling device from a working gas, a plasma stream is generated as a gas stream.

In weiteren Ausführungsvarianten kann das thermische Spritzen als Hochgeschwindigkeitsflammspritzen ausgeführt werden, indem eine Kraftstoffzusammensetzung in einer mittels einer Kühlvorrichtung gekühlten Brennkammer zur Erzeugung eines Hochgeschwindigkeitsgasstroms verbrannt wird.In further embodiments, the thermal spraying may be carried out as high speed flame spraying by burning a fuel composition in a combustor cooled by a cooling device to produce a high velocity gas flow.

Generell gilt, dass die Enthalpie aus der Bilanz zwischen eingebrachter Energie, z. B. elektrische Energie beim Plasmaspritzen oder innere Energie der Kraftstoffe beim Hochgeschwindigkeitsflammspritzen, und abgegebener Energie, z. B. durch Kühlung der Vorrichtung zum thermischen Spritzen anhand der Kühlleistung der Kühlvorrichtung, ermittelt werden kann. Bei konstantem Gasstrom kann dann die spezifische Enthalpie bestimmt werden, indem das Verhältnis von Energie zur Masse des Gases ermittelt wird.In general, the enthalpy from the balance between introduced energy, z. As electrical energy in plasma spraying or internal energy of the fuels in high-velocity flame spraying, and emitted energy, eg. B. by cooling the device for thermal spraying based on the cooling capacity of the cooling device, can be determined. At constant gas flow, the specific enthalpy can then be determined by determining the ratio of energy to mass of the gas.

Im Falle des Hochgeschwindigkeitsflammspritzens kann die erzeugte Energie aus der Verbrennungsenthalpie der Verbrennungsreaktion abgeleitet werden. Bei Plasmaspritzen ergibt sich die eingebrachte Energie aus der Leistung des Plasmabrenners (Produkt von Stromstärke und Spannung des Lichtbogens). In beiden Fällen kann die durch Kühlung abgegebene Energie kalorimetrisch bestimmt oder aus dem Produkt von Massendurchsatz des Kühlmediums, spezifischer Wärmekapazität des Kühlmediums und der Temperaturdifferenz zwischen Kühlmedium und Gasstrom berechnet werden.In the case of high velocity flame spraying, the energy produced may be derived from the combustion enthalpy of the combustion reaction. In the case of plasma spraying, the energy introduced is the output of the plasma torch (the product of the current and the voltage of the arc). In both cases, the energy emitted by cooling can be calorimetrically determined or calculated from the product of the mass flow rate of the cooling medium, the specific heat capacity of the cooling medium and the temperature difference between the cooling medium and the gas flow.

Bei Betrachtung des Plasmabrenners als ohmsche Widerstandsheizung kann bei konstanter spezifischer Enthalpie des Plasmastroms von einer gleichbleibenden Temperatur und einem gleichbleibenden Geschwindigkeitsprofil des Plasmas ausgegangen werden, sodass die Spritzpartikel reproduzierbar erhitzt und beschleunigt werden und letztendlich reproduzierbare Beschichtungseigenschaften resultieren. Die spezifische Enthalpie kann für die Steuerung oder Regelung der Eigenschaften der Beschichtung genutzt werden.When viewing the plasma torch as ohmic resistance heating can be assumed at a constant specific enthalpy of the plasma flow of a constant temperature and a constant velocity profile of the plasma, so that the spray particles are reproducibly heated and accelerated and ultimately reproducible coating properties result. The specific enthalpy can be used to control or control the properties of the coating.

Auch im Falle des Hochgeschwindigkeitsflammspritzens kann die spezifische Enthalpie zur Prozesskontrolle genutzt werden, um vorgebbare und ggf. konstante Beschichtungseigenschaften zu erhalten. Zudem kann die spezifische Enthalpie ebenfalls genutzt werden, um bei einer weiteren Vorrichtung zum Hochgeschwindigkeitsflammspritzen die gewünschten Beschichtungseigenschaften einfach und kostengünstig einstellen zu können.Even in the case of high-speed flame spraying, the specific enthalpy can be used for process control in order to obtain predefinable and possibly constant coating properties. In addition, the specific enthalpy can also be used to easily and inexpensively adjust the desired coating properties in another device for high-speed flame spraying.

Gemäß verschiedenen Ausführungsvarianten kann bei einer Ausführung des thermischen Spritzens als Plasmaspritzen vorgesehen sein, die spezifische Enthalpie durch Variation der Plasmaleistung und/oder Variation des Massendurchsatzes des Gasstroms und/oder Variation der Zusammensetzung des Arbeitsgases, z. B. des Wasserstoffgehalts des Arbeitsgases, einzustellen.According to various embodiments can be provided in an embodiment of the thermal spraying as plasma spraying, the specific enthalpy by varying the plasma power and / or variation of the mass flow rate of the gas stream and / or variation of the composition of the working gas, z. B. the hydrogen content of the working gas to adjust.

Dazu kann die spezifische Enthalpie aus der Plasmaleistung und dem Massendurchsatz des Gasstroms und der Zusammensetzung des Arbeitsgases ermittelt werden.For this purpose, the specific enthalpy of the plasma power and the mass flow rate of the gas stream and the composition of the working gas can be determined.

Gemäß weiteren Ausführungsvarianten kann die Plasmaleistung durch Variation der Stromstärke und/oder Spannung des Plasmabrenners und/oder der Kühlleistung der Kühlvorrichtung eingestellt werden.According to further embodiments, the plasma power can be adjusted by varying the current intensity and / or voltage of the plasma torch and / or the cooling capacity of the cooling device.

Dazu kann die Plasmaleistung aus der Stromstärke und Spannung des Plasmabrenners und der Kühlleistung der Kühlvorrichtung ermittelt werden. Es gilt: $$P_{Plasma}=U\cdot I-\left(\dot{m}\cdot c\cdot \mathrm{\Delta }T\right)$$

mit

P_Plasma

Plasmaleistung

U

Spannung

I

Stromstärke

m

Massendurchsatz des Kühlmediums

c

spezifische Wärmekapazität des Kühlmediums

ΔT

Temperaturdifferenz zwischen Kühlmedium und Plasmabrenner

wobei (m·c·ΔT) die Kühlleistung und U I die Ausgangsleistung ist.For this purpose, the plasma power can be determined from the current intensity and voltage of the plasma torch and the cooling capacity of the cooling device. The following applies: $$P_{Plasma}=U\cdot I-\left(\dot{m}\cdot c\cdot \mathrm{\Delta }T\right)$$

With

_Plasma

plasma power

U

tension

I

amperage

m

Mass flow rate of the cooling medium

c

specific heat capacity of the cooling medium

.DELTA.T

Temperature difference between cooling medium and plasma torch

where (m · c · ΔT) is the cooling power and UI is the output power.

Untersuchungen zeigten, dass weitere Einflüsse, wie z. B. Wärmeverluste aufgrund von Wärmestrahlung vernachlässigbar sind. Bei Bedarf können Korrekturfaktoren in die Ermittlung der spezifischen Enthalpie einfließen.Investigations showed that further influences, such. B. heat losses due to heat radiation are negligible. If necessary, correction factors can be included in the determination of the specific enthalpy.

Um gleichbleibende Beschichtungseigenschaften trotz Abnutzung der Elektroden während eines Beschichtungsvorgangs beim Plasmaspritzen, d. h. einem Zeitabschnitt, indem das Beschichtungsverfahren ausgeführt wird, zu ermöglichen, kann die spezifische Enthalpie konstant gehalten werden, beispielsweise durch Änderung der Stromstärke bei konstantem Massendurchsatz des Gasstroms oder Änderung des Massendurchsatz des Gasstroms bei konstanter Stromstärke oder entsprechender Änderung der beiden Parameter Stromstärke und Massendurchsatz des Gasstroms. Es kann also die spezifische Enthalpie über die Lebensdauer der Elektroden konstant gehalten werden. Die Prozesskontrolle des Beschichtungsverfahrens kann erheblich verbessert werden.To maintain consistent coating properties despite electrode wear during a plasma spraying coating operation, i. H. a specific time period in which the coating process is carried out, the specific enthalpy can be kept constant, for example by changing the constant mass flow rate of the gas stream or changing the mass flow rate of the gas stream at constant current or correspondingly changing the two parameters current intensity and mass flow rate of the gas stream , It is thus possible to keep the specific enthalpy constant over the lifetime of the electrodes. The process control of the coating process can be significantly improved.

Zudem kann die spezifische Enthalpie auch genutzt werden, um mit baugleichen Plasmabrennern, die z. B. aufgrund von Elektrodenabnutzung eine abweichende Spannung aufweisen, weitgehend gleiche Beschichtungseigenschaften zu erzielen. Beispielsweise können die Parameter des Plasmabrenners und des Beschichtungsvorgangs so eingestellt werden, dass eine bestimmte spezifische Enthalpie resultiert.In addition, the specific enthalpy can also be used to build with identical plasma torches, z. B. due to electrode wear have a different voltage to achieve substantially the same coating properties. For example, the parameters of the plasma torch and the coating process can be adjusted so that a certain specific enthalpy results.

Dadurch kann auch der Zeitbedarf für die Einstellung von Parametern des Plasmabrenners und des Beschichtungsverfahrens verringert werden, da bei gleicher spezifischer Enthalpie die gleichen Beschichtungseigenschaften erzielt werden können. Aufwendige und kostenintensive Tests der Parameter können somit vermieden oder zumindest auf ein Minimum reduziert werden.As a result, the time required for setting parameters of the plasma torch and the coating method can also be reduced since the same coating properties can be achieved with the same specific enthalpy. Elaborate and expensive tests of the parameters can thus be avoided or at least reduced to a minimum.

Gemäß verschiedenen Ausführungsvarianten kann bei einer Ausführung des thermischen Spritzens als Hochgeschwindigkeitsflammspritzen vorgesehen sein, die spezifische Enthalpie durch Variation der Kühlleistung der Kühlvorrichtung und/oder Variation des Massendurchsatzes des Kraftstoffs und/oder Variation der Kraftstoffzusammensetzung einzustellen.According to various embodiments, in an embodiment of thermal spraying, high-speed flame spraying may be provided to adjust the specific enthalpy by varying the cooling capacity of the cooling device and / or varying the mass flow rate of the fuel and / or varying the fuel composition.

Die spezifische Enthalpie kann dazu aus der Verbrennungsenthalpie der Kraftstoffzusammensetzung, der Kühlleistung der Kühlvorrichtung und dem Massendurchsatz des Kraftstoffs ermittelt werden.The specific enthalpy can be determined from the combustion enthalpy of the fuel composition, the cooling capacity of the cooling device and the mass flow rate of the fuel.

Mit anderen Worten kann die spezifische Enthalpie durch Änderung der Kühlleistung, des Massendurchsatzes des Kraftstoffs oder der Kraftstoffzusammensetzung, die sich auf die Verbrennungsenthalpie auswirkt, beeinflusst und auf die gewünschte Größe eingestellt werden.In other words, the specific enthalpy can be influenced and adjusted to the desired size by changing the cooling capacity, the mass flow rate of the fuel or the fuel composition, which has an effect on the combustion enthalpy.

Gemäß weiteren Ausführungsvarianten kann die spezifische Enthalpie konstant gehalten werden. Aufgrund des direkten Zusammenhangs zwischen spezifischer Enthalpie und Beschichtungseigenschaften können dadurch homogene Beschichtungseigenschaften erreicht werden.According to further embodiments, the specific enthalpy can be kept constant. Due to the direct relationship between specific enthalpy and coating properties, homogeneous coating properties can be achieved.

Gemäß weiteren Ausführungsvarianten können als Eigenschaft der Beschichtung die Haftfestigkeit, Rauheit, Porosität, Dichte, Phasenzusammensetzung, Härte, E-Modul und/oder Schichtdicke gesteuert wird. Unter anderem für diese Eigenschaften besteht ein direkter Zusammenhang zur spezifischen Enthalpie des Gasstroms.According to further embodiments, the adhesion, roughness, porosity, density, phase composition, hardness, modulus of elasticity and / or layer thickness can be controlled as the property of the coating. Among other things, these properties are directly related to the specific enthalpy of the gas stream.

Gemäß weiteren Ausführungsvarianten kann die Oberfläche eines Gasturbinenbauteils, z. B. einer Leit- oder Laufschaufel einer Gasturbine, beschichtet werden.According to further embodiments, the surface of a gas turbine component, for. B. one Guide or blade of a gas turbine to be coated.

Derartige Bauteile sind hohen, insbesondere thermischen Belastungen, ausgesetzt. Sie werden daher üblicherweise mit einer Oxidationsschutzschicht und/oder Korrosionsschutzschicht und/oder thermischen Barriereschicht beschichtet. Um eine hohe Wirksamkeit dieser Beschichtungen zu ermöglichen, ist eine besonders homogene Beschichtung notwendig. Beispielsweise können bereits kleinste Fehlstellen in der Beschichtung zu einer schnellen Oxidation und/oder Korrosion oder Beeinträchtigung durch zu hohe thermische Belastung führen. Die Erfindung ermöglicht die Schaffung derartiger besonders homogener Beschichtungen.Such components are exposed to high, in particular thermal loads. They are therefore usually coated with an oxidation protection layer and / or corrosion protection layer and / or thermal barrier layer. In order to enable a high effectiveness of these coatings, a particularly homogeneous coating is necessary. For example, even the smallest imperfections in the coating can lead to rapid oxidation and / or corrosion or impairment due to excessive thermal load. The invention enables the creation of such particularly homogeneous coatings.

Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Die zugehörigen Zeichnungen zeigen:

• 1 Abhängigkeit der spezifischen Enthalpie und Spannung von der Stromstärke während eines Plasmaspritzverfahrens;
• 2 Abhängigkeit der spezifischen Enthalpie und Spannung vom Wasserstoffgehalt des Arbeitsgases in einem Plasmaspritzverfahren;
• 3 Zusammenhang zwischen Ausgangsleistung, Wasserstoffgehalt des Arbeitsgases und spezifischer Enthalpie in einem Plasmaspritzverfahren.

The invention will be explained in more detail with reference to embodiments. The accompanying drawings show:

• 1 Dependence of specific enthalpy and voltage on current during a plasma spraying process;
• 2 Dependence of the specific enthalpy and voltage on the hydrogen content of the working gas in a plasma spraying process;
• 3 Relationship between output power, hydrogen content of the working gas and specific enthalpy in a plasma spraying process.

In den im Folgenden erläuterten Beispielen wird auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen, die einen Teil der Beispiele bilden und in denen zur Veranschaulichung spezifische Ausführungsformen gezeigt sind, in denen die Erfindung ausgeübt werden kann. Es versteht sich, dass andere Ausführungsformen benutzt und strukturelle oder logische Änderungen vorgenommen werden können, ohne von dem Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Es versteht sich, dass die Merkmale der hierin beschriebenen verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen miteinander kombiniert werden können, sofern nicht spezifisch anders angegeben. Die folgende ausführliche Beschreibung ist deshalb nicht in einschränkendem Sinne aufzufassen, und der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung wird durch die angefügten Ansprüche definiert.In the Examples explained below, reference is made to the accompanying drawings, which form a part of the Examples, and in which is shown by way of illustration specific embodiments in which the invention may be practiced. It should be understood that other embodiments may be utilized and structural or logical changes may be made without departing from the scope of the present invention. It should be understood that the features of the various exemplary embodiments described herein may be combined with each other unless specifically stated otherwise. The following detailed description is therefore not to be taken in a limiting sense, and the scope of the present invention is defined by the appended claims.

Alle Ausführungsbeispiele beziehen sich auf Verfahren zum Beschichten einer Oberfläche eines Bauteils mittels thermischen Spritzens, wobei das thermische Spritzen als Plasmaspritzen ausgeführt wird. 1 und 2 zeigen die Abhängigkeit der spezifischen Enthalpie des Plasmastroms und der Spannung von der Stromstärke (1) und dem Wasserstoffgehalt im Arbeitsgas (2), wobei das Arbeitsgas im Übrigen aus Argon besteht.All embodiments relate to methods for coating a surface of a component by means of thermal spraying, the thermal spraying being carried out as plasma spraying. 1 and 2 show the dependence of the specific enthalpy of the plasma current and the voltage on the current ( 1 ) and the hydrogen content in the working gas ( 2 Incidentally, the working gas is made of argon.

Es zeigt sich, dass die spezifische Enthalpie linear abhängig von der Stromstärke sowie vom Wasserstoffgehalt (mit Ausnahme eines Wasserstoffgehalts von 0 Gew%) ist und mit steigender Stromstärke und steigendem Wasserstoffgehalt zunimmt.It turns out that the specific enthalpy is linearly dependent on the current strength as well as on the hydrogen content (with the exception of a hydrogen content of 0% by weight) and increases with increasing current intensity and increasing hydrogen content.

Demgegenüber ist der Zusammenhang zwischen Stromstärke und Spannung sowie zwischen Wasserstoffgehalt und Spannung nicht linear. Die spezifische Enthalpie kann zumindest mittels einer Variation der Zusammensetzung des Arbeitsgases, d. h. im Ausführungsbeispiel durch Variation des Wasserstoffgehalts, und der Stromstärke eingestellt werden.In contrast, the relationship between current and voltage as well as between hydrogen content and voltage is not linear. The specific enthalpy can be determined at least by means of a variation of the composition of the working gas, i. H. be set in the embodiment by varying the hydrogen content, and the current.

Die Ermittlung der spezifischen Enthalpie kann direkt am Messstand der Beschichtungsvorrichtung anhand der Ausgangsleistung (Spannung x Stromstärke), der Verlustleistung durch Kühlung (Kühlleistung) und des Massendurchsatzes des Gasstroms erfolgen. Der ermittelte Wert der spezifische Enthalpie kann direkt am Messstand auf einer Anzeigeeinrichtung angezeigt werden.The determination of the specific enthalpy can be carried out directly at the measuring station of the coating device based on the output power (voltage x current), the power loss by cooling (cooling power) and the mass flow rate of the gas stream. The determined value of the specific enthalpy can be displayed directly on the measuring stand on a display device.

Da sich die Spannung im Laufe eines Beschichtungsvorgangs oder im Laufe der Betriebsdauer der Beschichtungsvorrichtung ändert und sich dies u. a. auf das An- oder Aufschmelzen der Spritzpartikel und letztendlich der Beschichtungseigenschaften auswirkt, muss dieser Spannungsänderung zum Erzielen homogener Beschichtungseigenschaften entgegengewirkt werden. Erfindungsgemäß wird dazu der Energiegehalt des Plasmastroms, d. h. die spezifische Enthalpie des Plasmastroms, möglichst konstant gehalten.Since the voltage changes in the course of a coating operation or during the service life of the coating apparatus and this u. a. On the melting or melting of the spray particles and ultimately affects the coating properties, this voltage change must be counteracted to achieve homogeneous coating properties. According to the invention, the energy content of the plasma stream, d. H. the specific enthalpy of the plasma stream, kept as constant as possible.

Aus 3 ist ersichtlich, dass eine bestimmte spezifische Enthalpie auf unterschiedliche Art und Weise, d. h. durch verschiedene Kombinationen der die spezifische Enthalpie beeinflussenden Parameter, erreicht werden kann. In der Darstellung gemäß 3 sind die eingetragenen Werte für Ausgangsleistung, d. h. das Produkt aus Spannung und Stromstärke, und Wasserstoffgehalt im Arbeitsgas (Rest Argon) jeweils als zusammengehörige Wertepaare anzusehen.Out 3 It can be seen that a certain specific enthalpy can be achieved in different ways, ie by different combinations of the parameters influencing the specific enthalpy. In the illustration according to 3 the values entered for output power, ie the product of voltage and current, and hydrogen content in the working gas (remainder argon) are to be regarded as pairs of corresponding values.

Eine spezifische Enthalpie von ungefähr 14,8 kJ/g kann beispielsweise durch ein Ausgangsleistung von 34,5 kW und einen Wasserstoffgehalt von ca. 1,2 Gew% erreicht werden.A specific enthalpy of about 14.8 kJ / g can be achieved, for example, by an output of 34.5 kW and a hydrogen content of about 1.2% by weight.

Es wird deutlich, dass die spezifische Enthalpie als zuverlässiger Parameter des Beschichtungsverfahrens genutzt werden kann, um die Eigenschaften der resultierenden Beschichtung zu beeinflussen. Sollen homogene Beschichtungseigenschaften erreicht werden, sollte die spezifische Enthalpie möglichst konstant gehalten werden. Dies kann, wie sich aus 3 ergibt, auf unterschiedliche Weise erfolgen, z. B. indem die Ausgangsleistung und/oder der Wasserstoffgehalt im Arbeitsgas, d. h. die Zusammensetzung des Arbeitsgases, variiert werden. Die spezifische Enthalpie des Gasstroms kann als Stellgröße in einem thermischen Spritzverfahren, z. B. in einem Plasmaspritzverfahren, verwendet werden.It is clear that the specific enthalpy can be used as a reliable parameter of the coating process to influence the properties of the resulting coating. If homogeneous coating properties are to be achieved, the specific enthalpy should be kept as constant as possible. This can, as it turns out 3 results, done in different ways, for. B. by the output power and / or the hydrogen content in the working gas, that is, the composition of the working gas can be varied. The specific enthalpy of the gas stream can be used as a manipulated variable in a thermal spraying process, for. In a plasma spraying process.

Claims (10)

Verfahren zum Beschichten einer Oberfläche eines Bauteils mittels thermischen Spritzens, bei dem ein Gasstrom erzeugt wird, Spritzpartikel an- oder aufgeschmolzen und mittels des Gasstroms zur Oberfläche des Bauteils transportiert und auf der Oberfläche des Bauteils unter Ausbildung einer Beschichtung abgeschieden werden, wobei die spezifische Enthalpie des Gasstroms ermittelt und Eigenschaften der Beschichtung mittels einer Einstellung der spezifischen Enthalpie gesteuert werden.Method for coating a surface of a component by means of thermal spraying, in which a gas flow is generated, sprayed or melted and transported by means of the gas flow to the surface of the component and deposited on the surface of the component to form a coating, wherein the specific enthalpy of the Gas flow determined and properties of the coating can be controlled by means of a setting of the specific enthalpy. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das thermische Spritzen als Plasmaspritzen ausgeführt wird, indem mittels eines mittels einer Kühlvorrichtung gekühlten Plasmabrenners aus einem Arbeitsgas ein Plasmastrom als Gasstrom erzeugt wird.Method according to Claim 1 , wherein the thermal spraying is carried out as a plasma spraying by using a cooled by a cooling device plasma torch from a working gas, a plasma stream is generated as a gas stream. Verfahren nach Anspruch 2, wobei die spezifische Enthalpie durch Variation der Plasmaleistung und/oder Variation des Massendurchsatzes des Gasstroms und/oder Variation der Zusammensetzung des Arbeitsgases eingestellt wird.Method according to Claim 2 wherein the specific enthalpy is adjusted by varying the plasma power and / or varying the mass flow rate of the gas stream and / or varying the composition of the working gas. Verfahren nach Anspruch 3, wobei die Plasmaleistung durch Variation der Stromstärke und/oder Spannung des Plasmabrenners und/oder der Kühlleistung der Kühlvorrichtung eingestellt wird.Method according to Claim 3 wherein the plasma power is adjusted by varying the current intensity and / or voltage of the plasma torch and / or the cooling capacity of the cooling device. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das thermische Spritzen als Hochgeschwindigkeitsflammspritzen ausgeführt wird, indem eine Kraftstoffzusammensetzung in einer mittels einer Kühlvorrichtung gekühlten Brennkammer zur Erzeugung eines Hochgeschwindigkeitsgasstroms verbrannt wird.Method according to Claim 1 wherein the thermal spraying is carried out as high-speed flame spraying by burning a fuel composition in a combustion chamber cooled by a cooling device to generate a high-velocity gas flow. Verfahren nach Anspruch 5, wobei die spezifische Enthalpie durch Variation der Kühlleistung der Kühlvorrichtung und/oder Variation des Massendurchsatzes des Kraftstoffs und/oder Variation der Kraftstoffzusammensetzung eingestellt wird.Method according to Claim 5 wherein the specific enthalpy is adjusted by varying the cooling capacity of the cooling device and / or varying the mass flow rate of the fuel and / or varying the fuel composition. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die spezifische Enthalpie konstant gehalten wird.Method according to one of the preceding claims, wherein the specific enthalpy is kept constant. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei als Eigenschaft der Beschichtung die Haftfestigkeit, Rauheit, Porosität, Dichte, Phasenzusammensetzung, Härte, E-Modul und/oder Schichtdicke gesteuert wird.Method according to one of the preceding claims, wherein the adhesion, roughness, porosity, density, phase composition, hardness, modulus of elasticity and / or layer thickness is controlled as a property of the coating. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Oberfläche eines Gasturbinenbauteils beschichtet wird.Method according to one of the preceding claims, wherein the surface of a gas turbine component is coated. Verfahren nach Anspruch 9, wobei eine Leit- oder Laufschaufel einer Gasturbine beschichtet wird.Method according to Claim 9 wherein a guide or blade of a gas turbine is coated.

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