Methodik und ganzheitliche Prozessoptimierung zur Effizienzsteigerung des atmosphärischen Plasmaspritzens von Wärmedämmschichten

Mihm, Sebastian

Verbunden mit dem globalen Wirtschaftswachstum und der überproportional wachsenden Nachfrage nach Rohstoffen, wirken sich stetig steigende Energie- und Rohstoffpreise auf die Wirtschaftlichkeit des atmosphärischen Plasmaspritzens von Wärmedämmschichten im Gasturbinenbau aus. Um diese Schichtsysteme basierend auf keramischen, porösen Yttrium-stabilisierten Zirkonoxidschichten auch zukünftig wirtschaftlich wie auch ressourcenoptimiert zu produzieren, muss der Verknappung von Rohstoffen durch Erhöhung der Energie- und Ressourceneffizienz entgegengewirkt werden. Das zentrale Forschungsthema der vorliegenden Arbeit beinhaltet die Entwicklung einer Methodik zur Effizienzsteigerung des atmosphärischen Plasmaspritzens von Wärmedämmschichten unter beibehalten qualifizierter und bekannter Schichteigenschaften. Unter Verwendung des industriell weitverbreiteten Ein-Anoden-Kathoden Gleichstromplasmagenerators F4/MC60, wird basierend auf einer konvergent-divergenten Düsengeometrie (VMT_1.0) eine Methodik zur ganzheitlichen Prozessoptimierung entwickelt und validiert. Auf Grundlage von 12 definierten Prozessparametern erfolgt über die Messgegenstände Spritzfleck, String, Beschichtungsplatte eine schrittweise Optimierung von Plasma-, Partikel- und Schichteigenschaften. In Verbindung mit der Auswertung effizienzbeschreibender Größen (Auftragwirkungsgrad, effektiver Schichtauftrag pro Zeit) und Schichteigenschaften (Porosität, Schichtdicke) wird durch den ganzheitlichen Optimierungsansatz eine signifikante Effizienzsteigerung bei vergleichbarer Schichtqualität erreicht. Die erzielten Ergebnisse, eine Reduktion des Pulververbrauchs und der Beschichtungszeit um ca. 50 % sowie ein Schichtauftrag pro Zeit von 59 g/min verdeutlichen, dass mit dem Ein-Kathoden-Anoden System Prozesseigenschaften zu realisieren sind, die normalerweise nur durch Mehr-Anoden/Kathoden- und Hochenergie-Applikationen erreicht werden. Durch Prozesscharakterisierungen der optimierten Plasma-, Partikel- und Schichteigenschaften mit Hilfe verschiedener diagnostischer Messverfahren (Enthalpiesonde, SprayWatch, ICP-Sensor) und der Vergleich mit der Ausgangssituation, werden die Ergebnisse der einzelnen Entwicklungsphasen der Methodik validiert und das Prozessverständnis für das atmosphärischen Plasmaspritzen verbessert. Dabei werden Prozessdefizite hinsichtlich schwankender Düsenstandzeiten der konvergent-divergenten Düsengeometrie aufgezeigt, die durch eine eingeschränkte Anodenfußpunktbewegung des Lichtbogens verursacht sind. Untersuchungen des Einflusses unterschiedlicher konvergent-divergenter Düsengeometrie (VMT_1.0, VMT_2.0, VMT_3.0) auf den Plasmaspritzprozess in Verbindung mit den entwickelten Parametern sowie numerische Strömungssimulationen, beschreiben die Ursache der unterdrückten Anodenfußpunktbewegung und bilden Voraussetzung für das Auslegen einer neuartigen konvergent-zweistufigen divergenten Düsengeometrie (VMT_4.0, 3-Zonen-Düse). Durch ihre geometrisch gegliederte Gestaltung wird die Anodenfußpunktbewegung erhöht und zeitgleich die Prozesseigenschaften der entwickelten Parameter bezüglich Effizienz und Schichtqualität beibehalten. Sie stellt eine weitere Prozessverbesserung dar und bildet das Bindeglied zwischen zylindrischer und konvergent-divergenter Düsengeometrie.

Due to the global economic growth and a disproportionate increase in demand for resources, steadily rising prices for energy and raw materials are affecting the economic viability of atmospheric plasma spraying of thermal barrier coatings on gas turbine components. To secure an economic and resource optimized production of these porous, ceramic yttria-stabilized zirconia coatings, the scarcity of raw materials must be counteracted by improved energy and resource efficiency. Focus of present work is the development of a methodology to improve the efficiency of the atmospheric plasma spraying process of thermal barrier coatings by keeping exisiting and qualified coating properties constant. Based on the most widely used single cathode-anode DC plasma torch F4/MC60 and in combination with a convergent-divergent nozzle design (VMT_1.0), a method for holistic process optimisation is developed and validated. On the basis of 12 defined process variables, a stepwise optimisation of plasma, particle and coating properties is demonstrated using spray spot, string and coating plate as test objects. In conjunction with analysis of variables that describe the efficiency (deposition efficiency, effective powder deposition rate) and coating properties (coating porosity, thickness), a significant increase of process economy by realizing comparable coating quality is achieved. The results obtained - a reduction in powder consumption and coating time of approximately 50 %, and an effective powder deposition rate of 59 g/min - show that with a single cathode-anode system, process properties are achieveable which are generally only realized by multi cathode/anode- and high-energy applications. The results of the development steps are validated through characterisation of the optimised plasma, particle, and coating properties by several diagnostic measurement systems (enthalpy probe, SprayWatch, ICP-senor). In comparison with the initial coating process properties, contributions are made towards better comprehension of the atmospheric plasma spraying. Thereby process eviations in terms of varying nozzle lifetime for the convergent-divergent geometry are identified due to a restricted arc movement of the anode attachement. Analysis of the influence of different convergent-divergent nozzle geometries (VMT_1.0, VMT_2.0, VMT_3.0) to the spray process and computational fluid dynamics explain the reason for the restricted arc movement. This represents a prerequisite for the design of a new convergent, two-stage divergent nozzle geometry (VMT_4.0, 3-zone-nozzle), which improves the arc movement and keeps the properties of the developed process at the same time.

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Mihm, Sebastian: Methodik und ganzheitliche Prozessoptimierung zur Effizienzsteigerung des atmosphärischen Plasmaspritzens von Wärmedämmschichten. Ilmenau 2017.

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