Sadovoy, Alexandr (2014)
Modeling and offline simulation of thermal spray coating process for gas turbine applications.
Technische Universität Darmstadt
Dissertation, Erstveröffentlichung
Kurzbeschreibung (Abstract)
Modern thermal spray coatings for complex hot gas components such as turbine blades and vanes have very strict requirements for the distribution of thickness. Meeting the requirements is critical for the performance and the lifetime of components. In particular, thickness of the thermal barrier coatings (TBC) determines a temperature gradient through the coating, which provides a thermal protection of cooled substrate and influences thermo-mechanical properties. The majority of high temperature protective coatings are applied with thermal spray techniques. Although there are many scientific and technical studies, all peculiarities of the thermal spray process and their relation to final coating properties are not completely understood. In practice, the parameters of the deposition process to produce coatings with required characteristics are established by a “trials and errors” approach with involvement of various process control techniques. These trials are usually done in production booths with an industrial robot, which makes this approach in most cases very expensive and time-consuming. In order to simplify and speed up the coating development, various models and software tools were developed to simulate the deposition process and predict specific coating properties. These models are predominantly focused on some selected aspects of the coating deposition. At the same time, there is no available model to provide a reliable prediction of thickness of the final coating layer on a particular substrate.
In this paper, a self consistent model based on physical principles is developed to simulate a thickness distribution of thermally sprayed coatings. In particular, the mass conservation principle with the application of geometric considerations was applied to model the spray jet and the resulting coating pattern. An influence of the process conditions on the basic spray patterns represented by spray spot and spray profile is theoretically investigated. An analytic relationship between thickness distribution in the spray spot, spray profile and thickness of the corresponding coating layer produced by a motion of the spray gun over a flat and cylindrical substrate was established, and corresponding results were discussed. The model results and assumptions were verified in the corresponding experiments.
The application of the model was outlined for an arbitrary free-form substrate surface. Some aspects of coating process modeling, related to development of the off-line programming (OLP) software tools to perform robot programming with simultaneous numerical simulation of the resulting coating thickness are discussed. An example of implementation of the developed model into RobCad software to predict thickness distribution of a TBC coating on a gas turbine blade is presented and discussed. Application of the coating deposition model in combination with the OLP technique enables a full-cycle digital coating program development, considerably optimizing development time and costs
| Typ des Eintrags: |
Dissertation
|
| Erschienen: |
2014 |
| Autor(en): |
Sadovoy, Alexandr |
| Art des Eintrags: |
Erstveröffentlichung |
| Titel: |
Modeling and offline simulation of thermal spray coating process for gas turbine applications |
| Sprache: |
Englisch |
| Referenten: |
Oechsner, Prof. Matthias |
| Publikationsjahr: |
15 April 2014 |
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Datum der mündlichen Prüfung: |
15 April 2014 |
| URL / URN: |
http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/4042 |
| Kurzbeschreibung (Abstract): |
Modern thermal spray coatings for complex hot gas components such as turbine blades and vanes have very strict requirements for the distribution of thickness. Meeting the requirements is critical for the performance and the lifetime of components. In particular, thickness of the thermal barrier coatings (TBC) determines a temperature gradient through the coating, which provides a thermal protection of cooled substrate and influences thermo-mechanical properties. The majority of high temperature protective coatings are applied with thermal spray techniques. Although there are many scientific and technical studies, all peculiarities of the thermal spray process and their relation to final coating properties are not completely understood. In practice, the parameters of the deposition process to produce coatings with required characteristics are established by a “trials and errors” approach with involvement of various process control techniques. These trials are usually done in production booths with an industrial robot, which makes this approach in most cases very expensive and time-consuming. In order to simplify and speed up the coating development, various models and software tools were developed to simulate the deposition process and predict specific coating properties. These models are predominantly focused on some selected aspects of the coating deposition. At the same time, there is no available model to provide a reliable prediction of thickness of the final coating layer on a particular substrate.
In this paper, a self consistent model based on physical principles is developed to simulate a thickness distribution of thermally sprayed coatings. In particular, the mass conservation principle with the application of geometric considerations was applied to model the spray jet and the resulting coating pattern. An influence of the process conditions on the basic spray patterns represented by spray spot and spray profile is theoretically investigated. An analytic relationship between thickness distribution in the spray spot, spray profile and thickness of the corresponding coating layer produced by a motion of the spray gun over a flat and cylindrical substrate was established, and corresponding results were discussed. The model results and assumptions were verified in the corresponding experiments.
The application of the model was outlined for an arbitrary free-form substrate surface. Some aspects of coating process modeling, related to development of the off-line programming (OLP) software tools to perform robot programming with simultaneous numerical simulation of the resulting coating thickness are discussed. An example of implementation of the developed model into RobCad software to predict thickness distribution of a TBC coating on a gas turbine blade is presented and discussed. Application of the coating deposition model in combination with the OLP technique enables a full-cycle digital coating program development, considerably optimizing development time and costs |
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Alternatives oder übersetztes Abstract: |
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Alternatives Abstract | Sprache |
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Moderne Beschichtungen für komplexe Heißgaskomponenten wie Turbinenschaufeln haben sehr strenge Anforderungen an die Schichtdickenverteilung. Die Erfüllung dieser Anforderungen ist entscheidend für die Leistung und die Lebensdauer der Komponenten. Die meisten Hochtemperaturschutzschichten werden mit thermischen Spritzverfahren aufgetragen. Obwohl vielen wissenschaftlichen und technischen Forschungen werden die Besonderheiten der Spritzprozessen und ihre Beziehung zu finalen Schichteigenschaften nicht vollständig verstanden. In der Praxis werden die Beschichtungsprozessparameter, um erwünschten Schichteigenschaften zu erreichen, durch „trials and errors“ Ansatz mit Verwendung von verschiedenen Prozessüberwachungstechniken etabliert. Entsprechende Versuche werden in der Regel in den Produktionsanlagen mit Industrieroboter erfolgt, was macht diesen Ansatz sehr teuer und zeitaufwendig. Zur Vereinfachung und Beschleunigung des Schichtentwicklungsprozess wurden verschiedene Modelle und Softwarewerkzeuge entwickelt, um die Beschichtungsprozesse zu simulieren und die Schichteigenschaften vorherzusagen. Diese Modelle sind überwiegend auf ausgewählte Aspekte vom Beschichtungsprozess fokussiert. Hierbei gibt es zurzeit kein Model, um eine zuverlässige Vorhersage der Dicke einer kompletten Schicht auf realen Substratoberflächen, insbesondere von den komplexen Turbinenkomponenten, zu ermöglichen.
In dieser Arbeit wurde ein theoretisches Modell, basierend auf physikalischen Prinzipien entwickelt, um die Dickenverteilung von thermisch gespritzten Schichten zu simulieren. Dabei wurde der Massenkonservierungsprinzip mit der Anwendung der geometrischen Überlegungen angewandt um den Pulverspritzstrahl und die daraus resultierende Beschichtungsmuster zu modellieren. Einfluss der Prozessbedingungen auf die grundlegenden Spritzmuster wie das Spritzfleck und das Spritzprofil wurde theoretisch untersucht. Eine analytische Beziehung wurde zwischen der Dickenverteilung im Spritzfleck, Profil und der Dicke der resultierenden Schichtlage auf den flachen und zylindrischen Substraten entwickelt. Die Modellergebnisse und Annahmen wurden in den entsprechenden Experimenten überprüft und bestätigt.
Wesentliche Aspekte der Prozessmodellierung für die Entwicklung von Off-Line-Programmierung (OLP) Software zur Roboterprogrammierung mit numerischer Simulation von resultierenden Schichtdicken auf beliebigen Substratoberflächen wurden diskutiert. Die Umsetzung des entwickelten Models in RobCad Software für die Simulation von Wärmedämmschicht (WDS) auf einer Gasturbinenschaufel wurde präsentiert und diskutiert. Die Anwendung der Schichtdickensimulation in Kombination mit OLP-Technik ermöglicht ein vollständiger digitaler Prozess von Beschichtungsprozessentwicklung | Deutsch |
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| Freie Schlagworte: |
Thermal spray, OLP, TBC, turbine, coating, Simulation, modeling |
| Schlagworte: |
| Einzelne Schlagworte | Sprache |
|---|
| Thermisches Spritzen, OLP, WDS, Turbine, Beschichtung, Simulation, Modellierung | nicht bekannt |
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| URN: |
urn:nbn:de:tuda-tuprints-40427 |
| Sachgruppe der Dewey Dezimalklassifikatin (DDC): |
500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften und Maschinenbau |
| Fachbereich(e)/-gebiet(e): |
16 Fachbereich Maschinenbau
16 Fachbereich Maschinenbau > Fachgebiet und Institut für Werkstoffkunde - Zentrum für Konstruktionswerkstoffe - Staatliche Materialprüfungsanstalt Darmstadt (IfW-MPA) |
| Hinterlegungsdatum: |
27 Jul 2014 19:55 |
| Letzte Änderung: |
29 Jul 2015 09:37 |
| PPN: |
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| Referenten: |
Oechsner, Prof. Matthias |
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Datum der mündlichen Prüfung / Verteidigung / mdl. Prüfung: |
15 April 2014 |
| Schlagworte: |
| Einzelne Schlagworte | Sprache |
|---|
| Thermisches Spritzen, OLP, WDS, Turbine, Beschichtung, Simulation, Modellierung | nicht bekannt |
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| Export: |
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