METHOD FOR TREATING A COMPONENT WITH GEOGRAPHIC ADAPTATION

Verfahren zur Bearbeitung eines Bauteils mit geometrischer

Adaption

Die Erfindung betrifft ein Verfahren, bei dem die geometrische Orientierung des Bauteils innerhalb der Vorrichtung fortwährend der Bearbeitung ständig adaptiert werden kann.

Bauteile wie Turbinenschaufeln werden oft bearbeitet durch Beschichtung.

Dabei wird je nach Bauteiltyp ein bestimmtes Beschichtungs- programm, d.h. eine Verfahrensrichtung einer Beschichtungs- düse gegenüber der Turbinenschaufel festgelegt.

Für thermische Spritzprozesse wird eine Produktion mit gleichbleibender Qualität der Beschichtung gefordert.

Insbesondere für die Beschichtung von Turbinenschaufeln werden sehr enge Fertigungstoleranzen vorgegeben.

Die Genauigkeit mechanischer Fertigungseinrichtungen wird aufgrund von Verschleiß und thermischer Verformung oft redu- ziert, so dass die Beschichtungsqualität häufig beeinträch^¬ tigt wird.

Thermische Spritzprozesse unterliegen für die Beschichtung von Turbinenschaufeln einem zeit- und ressourcenaufwändigen Qualifizierungsprozess . Ergebnis der Qualifizierung ist eine Prozessfreigabe nach Maßgabe vorgegebener Anlagenparameter, die nicht verändert werden sollen. Anlagen zum thermischen Spritzen werden bislang stets mit denselben Parametern eingerichtet, um das Ziel einer gleichbleibenden Prozessqualität zu erreichen. Dieses Ziel wird für das thermische Spritzen von Turbinenschaufeln jedoch nur teilweise erreicht. Üblicherweise ist die Zahl der Prozess bestimmenden Anlagenpara^¬ meter sehr hoch, so dass nicht alle Parameter in einer Freigabe festgelegt werden können. Behelfsweise bezieht sich eine Freigabe daher nur jeweils auf eine Anlage. Es wird davon ausgegangen, dass die nicht determinierten Parameter der Anlage stets konstant bleiben. Verschleiß (z.B. in den Roboter^¬ gelenken, den Antrieben von Roboter und Drehkipptisch, Ver- schleiß in den Aufnahmen für die Vorrichtungen etc.) und der Austausch von Komponenten in Wartungsintervallen führt jedoch zu unerwünschten Maßabweichungen. Weitere Maßabweichungen resultieren aus der thermischen Beanspruchung von Spannvorrich- tungen und Turbinenschaufeln. Die Vorrichtungen werden zudem durch die Aufbereitung nach dem Beschichten in ihrer Positioniergenauigkeit verändert, so dass die Position der Schaufel in der Vorrichtung nicht zu 100% reproduzierbar eingehalten werden kann und sich mit der Vorrichtungsnutzung zusätzlich verändert.

Produkte, die bereits einer Betriebsbeanspruchung ausgesetzt wurden und aufgearbeitet werden, sog. Refurbishment Turbinen^¬ schaufeln, weisen ursächlich durch den Betrieb und durch die erneute Oberflächenvorbereitung jeweils unterschiedliche Maße auf. Selbst Schaufeln aus der Neufertigung weisen Maßabweichungen vom Sollmodell auf, die an nicht bearbeiteten Oberflächen wegen der Gusstoleranz im Bereich von einigen Zehntel mm liegen können. Das führt dazu, dass die Position der zu beschichtenden Schaufel von der Sollposition, die Ausgangspunkt für die Entwicklung des Beschichtungsprogramms , ab^¬ weicht. Aufgrund dieser räumlichen Verschiebung "passt" das qualifizierte und auszuführende Bewegungsprogramm nicht opti^¬ mal zur zu beschichtenden Schaufel. Daraus resultieren Abwei- chungen in Schichtdicke, Porosität, Oberflächenrauhigkeit der Beschichtung . Dies kann inakzeptabel sein, so dass zeitauf- wändige und kostspielige Nacharbeit erforderlich ist. Zumin^¬ dest aber wird durch diese räumliche Verschiebung die Pro^¬ zessfähigkeit des Beschichtungsprozesses beeinträchtigt.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung dieses Problem zu lösen.

Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 und eine Vorrichtung gemäß Anspruch 14.

Ein Beschichtungsverfahren wird nur beispielhaft verwendet für die Erläuterung eines Bearbeitungsverfahrens. Zur Verbesserung der Prozessfähigkeit des Prozesses für die Beschichtung wird vorgeschlagen, dass die Position der Turbinenschaufel in der Anlage - das heißt, wenn die Turbinen^¬ schaufel über eine Vorrichtung in die Beschichtungsanlage, insbesondere einen Drehkipptisch, eingebaut ist - erfasst wird .

Dafür kommen Sensoren wie taktile Sensoren, Laserscan-Sensoren, induktive Sensoren, Ultraschallsensoren und bildgebende Verfahren in Frage. Danach wird das qualifizierte Bewegungs^¬ programm für die Beschichtung derart über geeignete Koordina^¬ tentransformationen im Raum verschoben, dass es so zur realen Schaufelposition verfährt, wie es während der Programmerstel^¬ lung angenommen wurde .

Für die Bestimmung der Position (Abstand und Orientierung) der Schaufel in der Beschichtungsanlage sind Abweichungen der Sollgeometrie der Schaufel gemäß CAD-Modell zur realen Geo^¬ metrie zu berücksichtigen. Dazu sind „Best-Fit" Algorithmen zu verwenden, die als Referenz z.B. das CAD-Modell, eine ge^¬ eignete Masterschaufel oder eine empirisch ermittelte Schau^¬ felgeometrie durch Vermessung von beliebig vielen Schaufeln ermittelt verwenden.

Die sensorische Bestimmung der Schaufelposition kann dabei nach dem Einrüsten der Anlage zu Beginn der Beschichtungen erfolgen, wobei vorgeschlagen wird, die Bestimmung für jeden Anlagentisch / jede Vorrichtung einzeln durchzuführen, oder sie kann für jede zu beschichtende Schaufel einzeln erfolgen oder zu beliebiger anderer Stelle während des Einrüstens oder der Fertigung von Schaufeln erfolgen.

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 eine Beschichtungsvorrichtung nach dem

Stand der Technik,

Figuren 2, 4, 5, 6 die Erfindung,

Figur 7 eine Turbinenschaufel

Die Figuren und die Beschreibung stellen nur Ausführungsbeispiele der Erfindung dar.

In Figur 1 ist eine Beschichtungsanlage 1' nach dem Stand der Technik gezeigt.

Innerhalb der Beschichtungsanlage 1' ist eine Auflage oder eine Halterung 4 vorhanden, und/oder in der ein Bauteil 7, 120, 130 vorhanden ist, das beschichtet werden soll.

Die Halterung 4 kann starr ausgebildet sein, ein Drehtisch oder einen Roboter darstellen, der das Bauteil 7, 120, 130 nur dreht oder in alle Richtungen bewegen kann.

Die Beschichtung erfolgt durch einen Roboter 10 mit seinen Roboterarmen 13 an dessen Ende eine Beschichtungsdüse 16 (nur beispielhaft) angebracht ist und aus der 16 Beschichtungs- material 19 ausströmen kann.

Für einen Bauteiltyp 7, 120, 130 ist ein festgelegtes Pro^¬ gramm 11 (Fig. 3) für die Bewegung der Roboterarme 13 vorhanden, um die Beschichtung 14' des Bauteils 7 zu erzielen.

Daher wird der Abstand 22 und/oder die genaue Orientierung 22 des Bauteils 7, 120, 130 gegenüber dem Beschichtungsroboter 10 in der Beschichtungsanlage 1' genau eingestellt.

Dabei können jedoch Fehler gemacht werden oder das Bauteil 7 selber weist Abweichungen auf, so dass es zu abweichenden Abständen zwischen dem Bauteil 7 und dem Roboter 10 kommt. In Figur 2, 6 jeweils ist eine erfindungsgemäße Beschich- tungsanlage 1 als beispielhafte Bearbeitungsanlage 1 gezeigt. Die Erläuterung der Erfindung anhand einer Beschichtungsdüse 16 und einem ausströmenden Beschichtungsmaterial 19, hier Pulver, ist nur beispielhaft.

Diese Beschichtungsanlage 1 weist zumindest im Wesentlichen dieselben Komponenten 2, 10, 13, 16 wie im Stand der Technik (Figur 1 Beschichtungsanlage 1') auf.

Jedoch muss nicht auf einen bestimmten Abstand 27 oder Orientierung zwischen Bauteil 7, 120, 130 und Roboter 10 geachtet werden .

Die Beschichtungsanlage 1 oder der Roboter 10 weist eine Messvorrichtung 25 auf, die den Abstand 22 und die Orientie- rung des Roboters 10 zum Bauteil 7, 120, 130 erfasst.

Dabei kann dann ermittelt werden (15, Fig. 3), ob das Bauteil 7 in dem gewünschten Abstand und in der gewünschten Orientierung in der Halterung 4 eingebaut ist.

Die Messvorrichtung 24 ist vorzugsweise am Ende der Roboterarme 13 an der Beschichtungsdüse 16 befestigt (Fig. 6) .

Ebenso ist es möglich, dass ein weiterer Roboter das Bauteil 1, 120, 130 hält und/oder verfährt und die Messvorrichtung 25 fest bezüglich der Vorrichtung 1 angeordnet ist (Fig. 2) .

Werden bei der Bearbeitung oder Beschichtung keine Abweichungen festgestellt (15, Fig. 3), so kann das fest vorgegebene Programm 11 (Fig. 3) des Beschichtungsroboters 10 zur Her^¬ stellung der Beschichtung 14 abgefahren werden.

Werden Abweichungen festgestellt (15, Fig. 3), so wird das Bewegungsprogramm 11 des Roboters 10 oder der Beschichtungs- düse 16 trotzdem nicht verändert, sondern ein zusätzliches

Adaptionsprogramm 12 (Fig. 4) erzeugt, das für jede Bewegung 11 eine veränderte Position 12 des Roboterarms 13 oder der Beschichtungsdüse 16 gegenüber dem Bauteil 7 bestimmt und diese an die Roboterarme 13 für die Bearbeitung 14 oder Be- schichtung 14 weitergibt (Figur 4) .

Da für jeden Bauteiltyp ein Bearbeitungsprogramm oder Be- schichtungsprogramm 11 vorhanden ist und für jedes Bauteil 7, 120, 130 ein und desselben Bauteiltyps verwendet wird, wird jeweils vor der Bearbeitung oder vor der Beschichtung durch die Vermessung mittels der Vorrichtung 25 ein separates Adaptionsprogramm 12 ermittelt.

Durch dieses separate Adaptionsprogramm 12, das ein zweites Bewegungsprogramm oder ein zweites Beschichtungsprogramm zusätzlich zu den fest installierten Programmen darstellt, werden die gewünschten Abstände und Orientierungen des Roboters 10 oder der Beschichtungsdüse 16 zum Bauteil 7 eingehalten und die gewünschte Bearbeitungsqualität oder Beschichtungs- qualität wird erreicht.

Der Roboter wird also vorzugsweise zweimal verfahren, um eine gewünschte Stelle zu erreichen.

Figur 5 zeigt einen Querschnitt durch ein zu beschichtendes Bauteil, hier eine Turbinenschaufel 120, 130.

Das Bauteil 120, 130 ist auf einem Drehteller oder Halterung 4 angeordnet und hier in 0°-Stellung gezeigt.

Ebenso gezeigt ist die Beschichtungsdüse 16 mit dem Material 19, das ebenfalls bezüglich des Drehtellers in der (^-Stel^¬ lung orientiert ist, d.h. in X-Richtung.

Für eine solche gekrümmte Querschnittsfläche, hier eine Tur- binenschaufel 120, 130, gibt es jeweils zwei Messpunkte (33, 30), (40, 43) für die X-Position und für die Y-Position.

Für die X-Orientierung sind das zwei Parallelen in Y-Richtung zur Anströmrichtung der Beschichtungsdüse 16 in der 0°-Stel- lung, die durch die entfernten Punkte 40, 43 des Bauteils 120, 130 verlaufen. Als Messpunkte 33, 30 für die Y-Komponente dienen die Berüh^¬ rungspunkte der Parallelen in X-Richtung, die durch die am weitest entfernten Punkten in Y-Richtung verlaufen. Somit kann das Bauteil oder die Turbinenschaufel 120, 130 be^¬ züglich des Materialstrahls 19 optimal erfasst werden.

Zur Erfassung der Geometrie werden insbesondere die Bereiche genommen eines Bauteils, die eine komplexe Geometrie aufwei- sen.

Bei Turbinenschaufeln ist dies vorzugsweise das Schaufel^¬ blatt .

Ebenso kann es aber auch möglich sein, andere Bereiche eines Bauteils 7, 120, 130 zur Abstands/Orientierungsmessung zu verwenden, insbesondere wenn ein gewisser Bereich des Bauteils eine Maskierungsschicht aufweisen, die unregelmäßig dick ist und die exakte Geometrie des Bauteils verschleiert. Im Falle einer Turbinenschaufel 120, 130 weist sie bei gewis^¬ sen Bearbeitungsprozessen das Schaufelblatt 406 eine Maskie^¬ rungsschicht auf, wie z.B. nach einer Innenalitierung, die entfernt werden soll. Dies geschieht durch abrasive Bestrah^¬ lung (Sandbestrahlung) .

Dann wird zur Erfassung der Geometrie ein unbeschichteter Bereich, vorzugsweise der Schaufelfuß 183 (Fig. 7) zur Orien^¬ tierung verwendet. Auch Oberflächenhärtungsverfahren, bei dem Düsen verwendet werden (Kugel, Laser), finden hier Anwendung.

Bezüglich der Orientierung von Bauteilen 7, 120, 130 und Robotern 10, 16 sind verschiedene Möglichkeiten denkbar.

Sowohl das Bauteil 7, 120, 130 und/oder der Roboter 10 können auf dem Kopf stehen. Die Figur 7 zeigt in perspektivischer Ansicht eine Laufschau^¬ fel 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.

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 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 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 zu- mindest 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 Zr0₂, 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.