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Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:bsz:93-opus-48034
URL: http://elib.uni-stuttgart.de/opus/volltexte/2009/4803/


Untersuchungen zur Prozessregelung beim Plasmaspritzen von Verdichtereinlaufbelägen

Investigations to control the plasma spray process of abradable coatings

Jakimov, Andreas

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Gedruckte Ausgabe:
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SWD-Schlagwörter: Beschichtung , Verdichter , Thermisches Spritzen , Plasmaspritzen , Neuronales Netz
Freie Schlagwörter (Deutsch): Einlaufbeläge
Freie Schlagwörter (Englisch): Abradable Coating
PACS - Klassifikation: 81.15.Rs , Plasma spr
Institut: Institut für Luftfahrtantriebe
Fakultät: Fakultät Luft- und Raumfahrttechnik und Geodäsie
DDC-Sachgruppe: Ingenieurwissenschaften und Maschinenbau
Dokumentart: Dissertation
Hauptberichter: Staudacher, Stephan (Prof. Dr.-Ing.)
Sprache: Deutsch
Tag der mündlichen Prüfung: 09.11.2009
Erstellungsjahr: 2009
Publikationsdatum: 18.12.2009
Kurzfassung auf Deutsch: Um den Wirkungsgrad von Flugtriebwerken zu maximieren, müssen die Spalte zwi-schen rotierenden und stationären Teilen minimiert werden. In den unterschiedlichen Betriebszuständen kann es daher zu Berührungen zwischen diesen Bauteilen kom-men. Da es speziell beim Einlaufen von Verdichterlaufschaufeln in das Gehäuse zu kritischen Zuständen kommen kann, wird in vielen Triebwerken ein abreibbarer Ein-laufbelag auf die Gehäuseinnenseite aufgetragen.
Zur Herstellung dieser Einlaufbeläge werden Thermische Spritzverfahren wie das Atmosphärische Plasmaspritzen angewendet, bei denen pulverförmiger Werkstoff an- oder aufgeschmolzen und auf ein Bauteil geschleudert wird. Um die Einlauffähig-keit der so erzeugten Schicht zu gewährleisten, muss eine hohe Schichtporosität er-zeugt werden. Dies wird im Falle des in dieser Arbeit betrachteten Einlaufbelags durch die Einbettung von Polyesterpartikeln in die Schicht erzielt, die nach der Be-schichtung mit Hilfe einer Wärmebehandlung ausgebrannt werden. Das dem Spritz-pulver beigemengte Polyesterpulver ist eine Einflussgröße, die mit herkömmlichen Diagnosegeräten zum Zwecke einer Prozessregelung allerdings nicht detektiert wer-den kann. Neben dem Spritzpulver besitzt das Verfahren jedoch noch eine Vielzahl von weiteren Einflussgrößen, die mangels Stellgrößen und Diagnosegeräten weder geregelt noch kontrolliert werden können.
Gegenstand dieser Arbeit ist es, den Plasmaspritzprozess eines Verdichtereinlaufbe-lags hinsichtlich seiner Regelbarkeit zu untersuchen und adäquate Systeme zu ent-wickeln, die eine automatisierte Regelung ermöglichen. Zu diesem Zweck wurden zunächst alle, die Schichteigenschaften signifikant beeinflussenden Größen des Pro-zesses ermittelt und anschließend experimentell analysiert. Es stellte sich heraus, dass die betrachteten Einflussgrößen in sehr unterschiedlichen Größenordnungen auf den Spritzprozess und damit die erzeugten Schichteigenschaften einwirken.
Zur Kompensation der Prozessschwankungen und -drifte wird ausschließlich der Ab-stand des Plasmabrenners zum Bauteil verwendet. Durch diesen können Schichtei-genschaften, wie die Porosität, geregelt werden. In näheren Untersuchungen wurde der zu Grunde liegende Mechanismus betrachtet. Es stellte sich heraus, dass der Anteil eingebetteter Polyesterpartikel stark abstandsabhängig ist. Dieser fällt mit stei-gendem Spritzabstand, was in einer Verringerung der Porosität resultiert. Nach den Ergebnissen dieser Arbeit ist die Ursache dieses Effekts eine mit steigendem Spritz-abstand sinkende Haftwahrscheinlichkeit der auftreffenden Polyesterpartikel.
Nach der Identifizierung der relevanten Einflussgrößen wurde im nächsten Schritt eine Regelung für das Verfahren auf Basis künstlicher Neuronaler Netze (kNN) ent-wickelt. Hierzu mussten die Einflussgrößen in adäquater Weise quantifiziert werden, um dem kNN die zur Regelung nötigen Informationen über den Spritzprozess zur Verfügung zu stellen. Mit den vorliegenden Möglichkeiten war keine allgemeingültige jedoch eine adaptive Regelung zu verwirklichen. Im Gegensatz zur allgemeingültigen Regelung, die per Definition einmal konfiguriert nicht mehr auf den Prozess kalibriert werden muss, wird die adaptive Regelung in kurzen Intervallen mit Hilfe von Proben- und Bauteilattrappenbeschichtungen auf den aktuellen Prozess angepasst. Die Vali-dierung der adaptiven Regelung mit Beschichtungsdaten eines kompletten Produkti-onsjahres zeigt, dass eine auf kNN basierende, automatisierte Regelung des be-trachteten Spritzprozesses realisierbar ist.
Um den Ansatz eines allgemeingültigen Regelungssystems weiter zu verfolgen, ist eine Quantifizierung bisher nicht detektierbarer Einflussgrößen, wie dem geförderten Polyestermassenfluss, unerlässlich. Zu diesem Zweck wurden im Folgenden zwei Diagnosesysteme entwickelt. Sowohl mit einem System basierend auf optischer Emissionsspektroskopie (OES) als auch mit einem System, das die Technik der la-serinduzierten Fluoreszenz nutzt wurden Erfolge erzielt. Die hierbei nachgewiesene technische Machbarkeit bildet im Falle der OES die Grundlage zur zukünftigen Ent-wicklung einer selektiven Ermittlung des Polyestermassenflusses oder im Falle der Fluoreszenztechnologie sogar zur ortsaufgelösten Detektion der Polyesterpartikel im Spritzstrahl.
Die vorliegende Arbeit leistet einen Beitrag zu zukünftigen Entwicklungen automati-sierter Regelungssysteme für den Plasmaspritzprozesses. Das entwickelte System ist allerdings nicht ohne entsprechende Forschungsarbeit auf andere Schichtsysteme übertragbar. So ist für jede Anwendungen immer eine individuelle Identifikation und Quantifizierung der relevanten Einflussgrößen nötig. Speziell in Hinblick auf Plas-maspritzprozesse zur Herstellung von Einlaufbelägen, deren Porosität mit Polyester-partikeln erzeugt wird, liefert diese Arbeit erste erfolgreiche Ansätze zur Entwicklung oder Modifizierung geeigneter Diagnosesysteme. Vor allem zur Realisierung einer allgemeingültigen Regelung gilt es diese in Zukunft weiterzuverfolgen.
Kurzfassung auf Englisch: To maximize the efficiency of aircraft engines, clearances between rotating and sta-tionary parts need minimizing. Under diverse operating conditions, such minimized clearances invite contact between the parts involved. Since such engine conditions may result especially during rubbing-in of blades in compressor casings, a frequent practice is to deposit an abradable coating on the inside of the casing.
To produce these coatings, thermal spray techniques like atmospheric plasma spray-ing are used. In these, molten or semi-molten powder material is propelled onto a substrate. To make the resultant coating abradable, it needs to be highly porous. In the case of the abradable coating considered in this study, porosity is achieved by embedding polyester particles in the coating and then baking them out by subse-quent heat treatment. The polyester powder admixed to the spraying powder, how-ever, is a parameter that for purpose of process control cannot be detected by con-ventional diagnostic devices. But apart from the spraying powder, the process still involves a plurality of further parameters that for lack of correcting variables and di-agnostic devices can neither be controlled nor monitored.
This thesis proposes to investigate the plasma spray process used in the deposition of abradable coatings for compressors for ways to make it controllable and to de-velop adequate systems to automate such control. For the purpose, all process pa-rameters significantly affecting the coating properties were in a first step identified and subsequently analyzed experimentally. It was noted that the order of magnitude in which the parameters under consideration affected the spraying process and hence the resulting coat properties varied widely.
To offset process fluctuations and drifts, use is made exclusively of the plasma burner-to-component distance. This standoff distance can be used to control coating properties, such as porosity. In more detailed investigations, the underlying mecha-nism was considered. It was noted that the content of embedded polyester particles depended largely on the distance. It decreases as the spraying distance grows, re-ducing porosity. The results of this study indicate that this effect is attributable to the impinging polyester particles being less likely to adhere as the spraying distance grows.
Following identification of the relevant parameters, a process control system was de-veloped in a next step, based on artificial neural networks (NN). For the purpose, the parameters had to be adequately quantified to provide the NN with the necessary control data on the spraying process. Given the available options, an adaptive control system was to be implemented rather than universal one. Unlike universal controls, which by definition need no longer be calibrated to the process once they are config-ured, adaptive control is adapted at short intervals to the current process with the aid of specimen and component dummy coatings. Validation of the adaptive control with coating data of a full production year reveals that NN-based automated control of the spraying process under consideration is feasible.
To further pursue the approach of a universal control system, it is indispensable that parameters are quantified that so far had been impossible to detect, such as the mass flow of polyester fed. For the purpose, two different diagnostic systems were subsequently developed. Good results were obtained from both a system based on optical emission spectroscopy (OES) and one that exploited the mechanism of laser-induced fluorescence. The technical feasibility demonstrated in this work provides, in the case of OES, a basis for the future development of selective determination of the polyester mass flow and, in the case of fluorescence technology, even for the spa-tially resolved detection of the polyester particles in the spray jet.
This thesis makes a contribution to future development work on automated control systems for the plasma spray process. Admittedly, the system developed requires suitable research before it can be transitioned to other coating systems. For each application, for instance, individual identification and quantification of the relevant parameters are indispensable. It is especially with a view to plasma spray processes designed to produce abradable coatings that this study provides first helpful ap-proaches to the development or modification of suitable diagnostic systems. We are challenged to keep pursuing these approaches primarily in order to implement a uni-versal control system.
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