DE4135326C1 - Coating components by thermal spraying - using preheating kiln to heat workpiece before plasma spraying in vacuum chamber - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Beschich­ ten von Bauteilen durch thermisches Spritzen, insbesondere durch Vakuum-Plasmaspritzen, bei dem die Bauteile vor dem Spritzvorgang auf eine definierte Temperatur vorgewärmt werden. Unter Vakuum-Plasmaspritzen sind dabei auch die sogenannten Niederdruckspritzverfahren abgedeckt. Daneben bezieht sich die Erfindung auf eine Anlage zur Durchfüh­ rung dieses Verfahrens, insbesondere zum Beschichten von Turbinenschaufeln, mit einer Kammer zum Aufspritzen von Schichten unter Vakuum oder vorgegebenem Gasdruck.

Vor dem Beschichten von Substraten, insbesondere durch Vakuum-Plasmaspritzen, kann in Sonderfällen durch Vorwär­ men des Substrates eine Verbesserung der Haftfestigkeit auf dem Substrat erreicht werden. Dadurch werden insbeson­ dere thermische Spannungen, wie sie bei heißem Spritzgut und kalter Substratoberfläche entstehen, verringert.

Beim thermischen Spritzen sind bereits verschiedene Ver­ fahren der Substraterwärmung vor dem eigentlichen Be­ schichtungsvorgang bekannt: Insbesondere wird in der Praxis eine Erwärmung des zu beschichtenden Bauteiles durch den Plasmabrenner selbst durchgeführt, wobei bei diesem Vorgang noch kein Spritzgut injiziert wird. Das Bauteil wird dabei gewöhnlich als Anode geschaltet, damit die Elektronen des Plasmas durch Energieabgabe die Auf­ heizung bewirken. Zur Verkürzung der Heizperiode ist dabei auch der gleichzeitige Einsatz von zwei Brennern möglich. Alternativ dazu wird die Aufheizung des Bauteiles bei ne­ gativ gepoltem Substrat vorgenommen, so daß Reinigung und Heizung durch Ionenbeschuß parallel ablaufen.

Weiterhin sind Einrichtungen zur induktiven Erwärmung des zu beschichtenden Bauteiles bekannt, wobei eine Wärmeein­ kopplung entweder indirekt über einen Graphitsuszeptor oder direkt mittels geeignet geformter Induktoren erfolgen kann.

Bei allen obigen Verfahren erfolgt die Erwärmung und das nachfolgende thermische Spritzen im gleichen Vakuumkessel. Wegen der Gefahr einer Oxidation der Bauteiloberflächen muß aber beim Erwärmen unter Vakuum oder Schutzgas­ atmosphäre gearbeitet werden, während der eigentliche Beschichtungsvorgang beim Arbeitsdruck des Plasma- und Trägergases abläuft. Für eine solche Arbeitsweise müssen geeignete, entsprechend aufwendige Maßnahmen vorgesehen sein, wobei das gewünschte Ergebnis, d. h. eine gleich­ mäßige Erwärmung des Bauteiles ohne Spannungen, nicht immer erreicht wird.

Aus der Praxis sind auch Arbeitsverfahren mit getrennten Kammern bekannt. Dabei wird eine Vakuumkammer zum Vorhei­ zen verwendet, die über eine Schleuse an die Beschich­ tungskammer angeschlossen ist. Die Aufheizung der Bauteile erfolgt in diesem Fall durch Infrarot(IR)-Strahler, deren Strahlungsenergie durch geeignete Spiegel möglichst voll­ ständig auf die Bauteiloberfläche gelenkt wird. Dieses Verfahren ist vergleichsweise aufwendig, da zur Vermeidung von Überhitzungen die Strahlen- und Spiegelanordnung sorg­ fältig auf die jeweils vorhandene Geometrie des Bauteiles abgestimmt werden muß.

Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, ein Verfahren und eine diesbezügliche Anlage vorzuschlagen, mit denen in einfacher Weise bei Erreichen eines höchsten Qualitäts­ standards gearbeitet werden kann.

Die Aufgabe ist erfindungsgemäß bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß das Vorwärmen des Bauteiles mit Wärmestrahlung und/oder Konvektion mittels eines induktiv- oder widerstandsbeheizten Ofens durchgeführt wird. Dabei befindet sich das zu beschich­ tende Bauteil in einem ersten Verfahrensschritt zwecks Erwärmung im induktiv- oder widerstandsbeheizten Ofen, wobei Bauteil und/oder Ofen derart manipuliert werden, daß in einem zweiten Verfahrensschritt das Bauteil zum Be­ schichten zur Verfügung steht.

Bei der zugehörigen Anlage zur Durchführung letzteren Verfahrens ist an der Kammer für das Aufspritzen der Schicht oder auch innerhalb der Kammer ein induktiv- oder widerstandsbeheizter Ofen vorhanden. Ein solcher Ofen kann vorzugsweise ein Kammerofen sein, von dem wenigstens drei Innenflächen beheizt sind. Alternativ dazu ist auch ein Rohrofen möglich.

In praktischer Realisierung der Erfindung zur Anwendung bei Turbinenschaufeln erfolgt die Erwärmung der Schaufeln im widerstandsbeheizten Ofen, der entweder in der Be­ schichtungskammer oder aber vorzugsweise in einer über eine Schleuse angeflanschten Vorwärmkammer betrieben wer­ den kann. In letzterem Fall wird das Bauteil zum Aufheizen in den Ofen eingeführt und anschließend automatisiert an die Beschichtungsstation weitergegeben. Über Türen oder Klappen zwischen Kammer und Ofen, die pneumatisch oder motorgetrieben verschließbar sind, kann dabei dabei die Abstrahlung minimiert und die Belegung der Ofenwände durch Beschichtungsmaterial vermieden werden. Insbesondere mit einem rechteckigen Kammerofen, bei dem wenigstens drei der Innenflächen mit Heizelementen versehen sind, läßt sich eine schnelle und gleichmäßige Erwärmung der Bauteile erreichen.

Neben der Energieübertragung durch Strahlung im Vakuumbetrieb läßt sich alternativ oder additiv durch eine Erwärmung in Schutzgasatmosphäre zusätzlich die Konvektion ausnutzen. Zur Vermeidung von Spannungsüberschlägen an den Heizanschlüssen bei Arbeitsdrücken im Bereich von 20 bis 200 mbar verwendet man dabei vorteilhafterweise Heizelemente mit Betriebsspannun­ gen von unter 100 V.

Bei der Erfindung ist besonders vorteilhaft, daß sich der er­ wärmte Ofeninnenraum samt eingebrachtem Bauteil dem Ideal des schwarzen Strahlers nähert. Somit wird eine Überhitzung von insbesondere dünnwandigen Partien des Bauteils, wie sie bei Turbinenschaufeln vorhanden sind, wirksam verhindert. Weiter­ hin ist vorteilhaft, daß bei einem Kammerofen jede Bauteilgeo­ metrie ohne aufwendige Anpassung des Heizraumes gleichmäßig erwärmt wird und sich insbesondere Masseanhäufungen im Bauteil nicht nachteilig bemerkbar machen.

Speziell bei einem Kammerofen bestimmen die Innenverkleidungen der Kammer die Wärmekapazität und die rückwandige Isolation der Ofenwicklung die Abstrahlverluste. Durch geeignete Auswahl der Materialien ergibt sich nunmehr ein wirtschaftliches Er­ wärmungskonzept, das in der Praxis insbesondere zur Vorwärmung von Turbinenschaufeln realisiert wurde.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich durch die nachfolgende Figurenbeschreibung eines Ausführungs­ beispiels in Verbindung mit den Patentansprüchen. Die einzige Figur zeigt in schematischer Darstellung den Querschnitt durch eine Beschichtungskammer mit daran angeflanschtem Kammerofen.

In der Figur ist ein Vakuumkessel zum Plasmaspritzen mit 1 be­ zeichnet. Im Vakuumkessel 1, der in bekannter Weise mit An­ schlüssen zum Zuführen bzw. Absaugen von Gasen und anderen Be­ triebsmitteln versehen ist, befindet sich ein Industrieroboter 2 mit Plasmabrenner 20, mit dem beliebig geformte Bauteile be­ schichtet werden können. Da üblicherweise bei derartigen Ver­ fahren im quasi-kontinuierlichen Betrieb mit Durchlauf der Werkstücke gearbeitet wird, sind an der Kammer 1 Schleusen zum Einbringen und Ausbringen von Werkstücken 10, 10′, 10′′,... angeordnet. Dabei kennzeichnet speziell 3 eine Ausgangsschleu­ se zwischen Kammer 1 und einer Entnahmestation 8 mit Entnahme­ tür 81. Es ist ein Werkstückmanipulator 4 vorhanden, mit dem ein Werkstück 10 für eine spezifische Beschichtung in eine ge­ eignete Lage gebracht werden kann. Dabei bezeichnet das Be­ zugszeichen 5 die jeweilige Spritzposition mit dem zugehörigen Werkstückhalter 50, während Bezugszeichen 6 auf die Entnahme­ position deutet.

Eine solche vorhandene Anlage zum Vakuumplasmaspritzen ist dergestalt komplettiert, daß an der Schleuse zum Einbringen der Werkstücke ein Vorwärmofen 7 angeflanscht ist. Der Vor­ wärmofen 7 ist speziell als Kammerofen in rechteckiger Ausfüh­ rung mit einem Verschlußelement 70 zur Spritzkammer 1 ausge­ bildet und hat eine Außentür 71.

Bei einem Kammerofen 7 sind üblicherweise die vier, die Durch­ laufstrecke umgebenden Innenflächen mit Heizelementen verse­ hen. Es kann aber genügen, statt der unteren beheizten Grund­ fläche Teile aus einem Material mit hoher Wärmekapazität vor­ zusehen, wie sie beispielsweise durch eine massive Metallplat­ te 50, beispielsweise aus Edelstahl, realisiert sind.

Das Verschlußelement 70 des Ofens 7 ist im allgemeinen nicht beheizt. Es kann als Schleuse ausgebildet sein und den glei­ chen Aufbau wie die Schleuse 3 haben. In diesem Fall kann bei geschlossener Spritzkammer 1 über die Ofentür 71 eine Beschic­ kung des Ofens 70 und über die Tür 81 eine Entnahme fertiger Bauteile erfolgen. Wenn die Atmosphäre in der Kammer 1 und im Ofen 7 identisch ist, genügt als Verschlußelement 70 ebenfalls eine übliche Tür bzw. Klappe. In diesem Fall sollte aber eine Vorkammer für den Ofen vorhanden sein.

Erprobungen haben gezeigt, daß mit der beschriebenen Anlage die Vorbereitung der Bauteile vor der Beschichtung bezüglich Erwärmungszeit und Temperaturkonstanz besonders günstig ist. Werkstoffschäden bei Turbinenschaufeln als Bauteile, insbeson­ dere Rißbildung aufgrund von thermischen Spannungen werden vermieden. Das Verfahren ist automatisierungsfreundlich, wobei Bauteile im Durchlauf erwärmt und beschichtet werden.

Claims (16)

1. Verfahren zum Beschichten von Bauteilen durch thermi­ sches Spritzen, insbesondere durch Vakuum-Plasmaspritzen, bei dem die Bauteile vor dem Spritzvorgang auf eine de­ finierte Temperatur vorgewärmt werden, dadurch gekennzeichnet, daß das Vorwärmen der Bauteile mit Wärmestrahlung und/oder Konvektion mittels eines induktiv- oder widerstandsbeheizten Ofens durchge­ führt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das zu beschichtende Bauteil sich in einem ersten Verfahrensschritt zwecks Erwärmung im induktiv- oder widerstandsbeheizten Ofen befindet, wobei Bauteil und/ oder Ofen derart manipuliert werden, daß in einem zweiten Verfahrensschritt das Bauteil in einer definierten Position zur Beschichtung zur Ver­ fügung steht.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß vor dem zweiten Verfahrens­ schritt das Bauteil aus dem Ofen in die Beschichtungsposi­ tion gebracht wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß vor dem zweiten Verfahrens­ schritt der Ofen aus der Beschichtungsposition herausbe­ wegt wird, so daß das Bauteil zur Beschichtung freigegeben wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Bauteil bei beiden Ver­ fahrensschritten in der gleichen Position gehalten wird.

6. Anlage zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder einem der Ansprüche 2 bis 5, insbesondere zum Be­ schichten von Turbinenschaufeln, mit einer Kammer zum Auf­ spritzen von Schichten unter Vakuum oder vorgegebenem Gas­ druck, dadurch gekennzeichnet, daß an der Kammer (1) oder auch innerhalb der Kammer (1) ein induktions- oder widerstandsbeheizter Ofen (7) vor­ handen ist.

7. Anlage nach Anspruch 6 mit einem widerstandsbeheizten Ofen, dadurch gekennzeichnet, daß der widerstandsbeheizte Ofen ein Niederspannungsofen ist, vorzugsweise für Spannungen unter 100 V.

8. Anlage nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Ofen (7) ein Kammerofen ist, von dem wenigstens drei Innenflächen beheizt sind.

9. Anlage nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Ofen (7) ein Rohrofen ist.

10. Anlage nach Anspruch 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Wärmekapazität des Ofens (7) durch Teile aus Materialien großer Wärmekapa­ zität erhöht werden.

11. Anlage nach Anspruch 10, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Erhöhung der Wärme­ kapazität des Ofens (7) mit einer einschiebbaren massiven Metallplatte erfolgt.

12. Anlage nach Anspruch 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Ofen (7) an der Kammer (1) angeflanscht ist und das Werkstück auf einem Werk­ stückträger aus dem Ofen (7) in eine Position zur Be­ schichtung bewegbar ist.

13. Anlage nach Anspruch 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Ofen (7) sich innerhalb der Kammer (1) befindet und darin verfahrbar ist.

14. Anlage nach Anspruch 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß Kammer (1) und Ofen (7) über ein Verschlußelement (70), verbunden sind.

15. Anlage nach Anspruch 14, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Verschlußelement (70) eine Schleuse ist.

16. Anlage nach Anspruch 14, wobei die Atmosphäre zwischen Kammer (1) und Ofen (7) identisch ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Verschlußelement (70) eine Tür oder eine Klappe ist.