Entwicklung einer Prozessregelung für das atmosphärische Plasmaspritzen zur Kompensation elektrodenverschleißbedingter Effekte

Richter, Johannes

Die Herstellung von keramischen Wärmedämmschichten mithilfe des atmosphärischen Plasmaspritzprozesses stellt aufgrund der Vielzahl von Einflussgrößen eine Herausforderung dar. Zur Erzeugung reproduzierbarer Schichtqualität ist insbesondere eine Kompensation des Elektrodenverschleißes erforderlich, da dieser Effekt eine kontinuierliche Veränderung der Beschichtungsergebnisse bewirkt. In der vorliegenden Arbeit wurde eine Prozessregelung beschrieben, welche eine Reduktion der Schwankungen der Beschichtungsergebnisse über die Elektrodenlaufzeit ermöglicht. Dies wurde mithilfe einer Regelung von Parametern realisiert, die auf Online-Prozessdiagnostik basiert. Die Ermittlung der Zusammenhänge zwischen den Prozessgrößen erfolgte anhand von Langzeitbeschichtungsversuchen über komplette Elektrodenlaufzeiten, welche eine detaillierte Beschreibung der elektrodenverschleißinduzierten Prozessveränderungen ermöglichen. Alle Ergebnisse wurden dabei in fertigungsnaher Umgebung anhand von Gasturbinenschaufelbeschichtungen verifiziert.

The atmospheric plasma spray process is characterized by numerous influencing variables and a high sensitivity to external effects. Therefore, the production of thermal barrier coatings represents a major challenge, particularly under increasing quality requirements. Whereas most effects provoke uniformly distributed deviances, the electrode wear causes a continuous shift in the coating results with regard to deposition effciency and coating microstructure. Hence, the objective of this thesis is the development of a process control which allows a reduction of these variations throughout the electrodes' operating cycle and thereby a stabilization of the entire coating process. The tests shall be performed under production conditions of turbine blade manufacturing in order to enable a direct implementation of the developed process control in series manufacturing. The development process is based on a profound analysis of thermal barrier coating technologies, manufacturing methods and process diagnostics. The most important influencing factors on coating results are identified and defined as control variables using long-term coating experiments. Subsequently, the most effective control factors are determined before verifying the process control approaches in long-term coating experiments. The experimental findings show significantly stabilized coating results, using a process control based on the control variables (i) particle intensity, (ii) particle velocity and (iii) voltage. As control factors the amperage and the volumetric flow of the primary and secondary gas lines are established. Furthermore, the results of the verification experiments show that the state-of-the-art control of the electrical power does not provide an effective stabilization of the coating process and that the process control can also be applied to other atmospheric plasma spray processes with modified parameters and gun congurations.

Die Herstellung von keramischen Wärmedämmschichten auf Gasturbinenschaufeln stellt eine komplexe Herausforderung dar, da der atmosphärische Plasmaspritzprozess durch eine Vielzahl von Einflussgrößen und hohe Sensitivität gegenüber äußeren Einwirkungen gekennzeichnet ist. Eine Sonderstellung unter den Störgrößen nimmt der Elektrodenverschleiß ein, da durch diesen Effekt eine kontinuierliche Veränderung der Beschichtungsergebnisse bezüglich Spritzeffzienz und Schichtmikrostruktur hervorgerufen wird. Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, eine Prozessregelung zu entwickeln, die eine Stabilisierung des atmosphärischen Plasmaspritzprozesses und damit eine Reduzierung der Schwankungen der Beschichtungsergebnisse über die Elektrodenlaufzeit ermöglicht. Die Versuche sollen im fertigungsnahen Umfeld anhand von Turbinenschaufeln durchgeführt werden, um eine direkte Implementierung der Regelung in die Serienfertigung zu ermöglichen. Als Basis für die Entwicklung der Prozessregelung erfolgt zunächst die Beschreibung der Grundlagen zu Wärmedämmschichten, Herstellungsverfahren und Prozessdiagnostik. Darauf aufbauend werden die Einflussfaktoren mit den stärksten Effekten auf die Beschichtungsergebnisse anhand der elektrodenverschleißinduzierten Veränderungen im ungeregelten Langzeitbeschichtungsversuch ermittelt und als Regelgrößen definiert. Nach der Bestimmung der Steuergrößen werden im Anschluss die Prozessregelungsansätze in Langzeitbeschichtungsversuchen überprüft und die Prozessfähigkeiten berechnet. Die Versuche zeigen insgesamt eine signifikante Stabilisierung der Beschichtungsergebnisse unter Verwendung der entwickelten Prozessregelung auf Basis der Regelgrößen (i) Partikelintensität, (ii) Partikelgeschwindigkeit und (iii) elektrischer Spannung. Als Steuergrößen werden die elektrische Stromstärke, sowie das primäre und sekundäre Plasmagas verwendet. In den Verifizierungsversuchen wird darüber hinaus gezeigt, dass mit Hilfe der konventionellen Leistungsregelung nur eine bedingte Stabilisierung des Beschichtungsprozesses ermöglicht wird und die entwickelte Prozessregelung auch auf andere atmosphärische Plasmaspritzprozesse mit veränderten Parametern und Brennerkonfigurationen anwendbar ist.

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Richter, Johannes: Entwicklung einer Prozessregelung für das atmosphärische Plasmaspritzen zur Kompensation elektrodenverschleißbedingter Effekte. Ilmenau 2014. Universitätsverlag Ilmenau.

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