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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum elektrochemischen Entschichten
von Bauteilen nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Bauteile
einer Gasturbine, wie zum Beispiel die Laufschaufeln, sind zur Bereitstellung
einer Oxidationsbeständigkeit,
Korrosionsbeständigkeit
oder auch Erosionsbeständigkeit
an den Oberflächen
mit speziellen Beschichtungen versehen. Die Bauteile von Gasturbinen
unterliegen während
des Betriebs derselben einem Verschleiß und können auf sonstige Art und Weise
beschädigt
werden. Zur Reparatur von Beschädigungen
ist es in der Regel erforderlich vom zu reparierenden Bauteil die
Beschichtung bereichsweise, teilweise oder auch insgesamt zu entfernen bzw.
abzutragen. Das Entfernen bzw. Abtragen von Beschichtungen bezeichnet
man auch als Entschichten.
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Bei
den Entschichtungsverfahren unterscheidet man solche, bei denen
die Entschichtung auf mechanischem Wege, chemischem Wege oder elektrochemischem
Wege erfolgt. Die elektrochemische Entschichtung beruht auf dem
Prinzip der Elektrolyse. Bei den elektrochemischen Entschichtungsverfahren
unterscheidet man solche, die mithilfe eines 2-Elektrodensystems,
eines 3-Elektrodensystems oder auch eines 4-Elektrodensystems arbeiten. Die hier
vorliegende Erfindung betrifft ein elektrochemisches Entschichtungsverfahren,
vorzugsweise unter Verwendung eines 2-Elektrodensystems.
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Die
US 6,165,345 offenbart ein
elektrochemisches Entschichtungsverfahren für Gasturbinenschaufeln auf
Basis eines 2-Elektrodensystems. Nach dem dort offenbarten Verfahren
wird eine zu entschichtende Turbinenschaufel an die positive Klemme
einer Spannungsquelle angeschlossen, wobei an die negative Klemme
derselben eine speziell angepasste Elektrode angeschlossen wird.
Die Form dieser Elektrode entspricht im Wesentlichen der Form der
zu entschichtenden Turbinenschaufel bzw. der Form des zu entschichtenden
Bereichs der Turbinenschaufel. Die Elektrode und zumindest der zu entschichtende
Bereich der Turbinenschaufel sind in ein Arbeitsmedium eingetaucht,
wobei eine Gleichspannung von 1 bis 3 V je Bauteil angelegt wird,
um einen Stromfluss zwischen 5 und 10 A bereitzustellen. Der durch
die angelegte Gleichspannung definierte Arbeitsbereich der elektrochemischen
Entschichtung ist gemäß
US 6,165,345 während der
gesamten Entschichtung konstant.
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Der
vorliegenden Erfindung das Problem zu Grunde, ein neuartiges Verfahren
zum elektrochemischen Entschichten von Bauteilen zu schaffen.
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Dieses
Problem wird ein Verfahren gemäß Patentanspruch
1 gelöst.
Erfindungsgemäß wird ein Arbeitspunkt
der elektrochemischen Entschichtung vor der eigentlichen elektrochemischen
Entschichtung unter realen Verfahrensbedingungen bestimmt und während der
elektrochemischen Entschichtung fortlaufend neu bestimmt bzw. überwacht
und gegebenenfalls angepasst.
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Im
Sinne der hier vorliegenden Erfindung wird der Arbeitspunkt der
elektrochemischen Entschichtung in situ – also unter realen Verfahrensbedingungen
der elektrochemischen Entschichtung- bestimmt und während der
elektrochemischen Entschichtung ständig überwacht und gegebenenfalls angepasst.
Hierdurch ist es möglich,
den Arbeitspunkt an sich ändernde
Verfahrensbedingungen anzupassen und so stets mit einer optimalen
Entschichtungsgeschwindigkeit bzw. Abtraggeschwindigkeit zu arbeiten.
Die zur Entschichtung benötigte
Zeit wird hierdurch merklich verringert. Durch die fortlaufende Überwachung
und gegebenenfalls Anpassung des Arbeitspunkts während der elektrochemischen
Entschichtung wird der Arbeitspunkt auch im Hinblick auf das zu
entschichtende Bauteil, insbesondere auf den bereits vorgenommenen
Grad der Entschichtung und die damit einhergehende Änderung
der chemischen Zusammensetzung desselben, angepasst. Das erfindungsgemäße Verfahren
zeichnet sich demnach durch eine hohe Selektivität bei der Entschichtung aus,
wodurch eine geringe Gefahr von Beschädigungen der Bauteile während der
Entschichtung besteht.
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Nach
einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird ein Gleichspannungspotential
angelegt, wobei das Gleichspannungspotential solange erhöht wird,
bis ein gemessener Polarisationsstrom als Funktion des Gleichspannungspotentials
ein Maximum erreicht, wobei dieses Maximum den Arbeitspunkt der
Entschichtung bestimmt. Während
der Entschichtung wird dem Gleichspannungspotential eine Wech selspannung überlagert
und es wird eine sich infolge der Wechselspannungsüberlagerung
einstellende Änderung
des Polarisationsstroms oder des Polarisationsleitwerts gemessen,
wobei anhängig hiervon
das Gleichspannungspotential so eingestellt wird, dass der Polarisationsstrom
im Maximum verbleibt.
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Bevorzugte
Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Unteransprüchen und
der nachfolgenden Beschreibung.
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung wird, ohne hierauf beschränkt zu sein, an Hand der Zeichnung
näher erläutert. In
der Zeichnung zeigt:
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1:
eine zu entschichtende Schaufel einer Gasturbine.
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Nachfolgend
wird das erfindungsgemäße Verfahren
am Beispiel einer zu entschichtenden Gasturbinenschaufel beschrieben. 1 zeigt
eine solche Schaufel 10 einer Gasturbine, die ein Schaufelblatt 11 und
einen Schaufelfuß 12 umfasst.
Im gezeigten Ausführungsbeispiel
ist die gesamte Schaufel 10, also die gesamte Oberfläche von
Schaufelblatt 11 und Schaufelblatt 12, mit einer
Beschichtung 13 versehen. Bei dieser Beschichtung 13 kann
es sich um eine oxidationsbeständige,
korrosionsbeständige und
erosionsbeständige
Beschichtung handeln.
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Im
Sinne der Erfindung wird nun ein Verfahren vorgeschlagen, zum Beispiel
zur Reparatur der Schaufel 10, die Beschichtung 13 von
der Oberfläche des
Schaufelblatts 11 sowie des Schaufelfußes 12 abzutragen
bzw. zu entfernen. Im Sinne der Erfindung wird dies auf elektrochemischem
Wege unter Verwendung eines 2-Elektrodensystems
durchgeführt.
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Zur
elektrochemischen Entschichtung der Schaufel 10 wird dieselbe
an die positive Klemme einer Spannungsquelle angeschlossen, wohingegen die
Steuerelektrode bzw. Gegenelektrode an die negative Klemme der Spannungsquelle
angeschlossen wird. Die Steuerelektrode bzw. Gegenelektrode sowie
die zu entschichtende Schaufel 10 sind in ein Arbeitsmedium – in eine
Elektrolytlösung – eingetaucht.
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Bei
dem verwendeten 2-Elektrodensystem wird im Unterschied zu einem
3-Elektrodensystem anstelle
einer kombinierten Mess- und Steuerelektrode eine robuste Metallelektrode
als Steuerelektrode verwendet. Eine derartige robuste Metallelektrode als
Steuerelektrode ist wesentlich unempfindlicher gegenüber dem
Entschichtungsprozess und gegenüber
Umgebungseinflüssen,
wie zum Beispiel elektromagnetischen Wellen. Das elektrochemische
Entschichtungsverfahren wird hierdurch insgesamt störungsunanfälliger und
damit robuster.
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Es
liegt nun im Sinne der hier vorliegenden Erfindung, den Arbeitspunkt
des 2-Elektrodensystems
bzw. den Arbeitspunkt der elektrochemischen Entschichtung vor der
eigentlichen elektrochemischen Entschichtung in situ zu bestimmen
und während
des Entschichtungsprozesses fortlaufend neu zu bestimmen bzw. zu überwachen
und gegebenenfalls anzupassen. Unter dem Begriff "in situ" ist zu verstehen,
dass der Arbeitspunkt der elektrochemischen Entschichtung unter
realen Verfahrensbedingungen, also im konkreten 2-Elektrodensystem,
bestimmt wird. Als Steuersignal bzw. Kriterium für die Bestimmung des Arbeitspunkts
der elektrochemischen Entschichtung wird ein gemessener Polarisationsstrom
bzw. ein gemessener Polarisationsleitwert verwendet. Hierzu wird
wie folgt vorgegangen:
Zur Bestimmung des Arbeitspunkts der
elektrochemischen Entschichtung wird am 2-Elektrodensystem eine potentiostatische
Schaltung für
das Arbeitspotential bzw. Steuerpotential der elektrochemischen Entschichtung
aufgebaut, was bedeutet, dass ein Gleichspannungspotential am 2-Elektrodensystem angelegt
wird. Dieses Gleichspannungspotential wird nun zur Bestimmung des
Arbeitspunkts für
die elektrochemische Entschichtung kontinuierlich oder schrittweise
angehoben. Der gemessene Polarisationsstrom bzw. der gemessene Polarisationsleitwert ändert sich
als Funktion der angelegten Gleichspannung. Auf diese Weise kann
demnach eine Polarisationsstrom-Steuerpotential-Kennlinie bzw. eine
Polarisationsleitwert-Steuerpotential-Kennlinie ermittelt werden.
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Die
Gleichspannung wird nun so lange erhöht, bis die erste Ableitung
des Polarisationsstroms als Funktion des Gleichspannungspotentials
ausgehend von positiven Werten den Wert Null annimmt und anschließend negativ
wird, was bedeutet, dass der Polarisationsstrom ein Maximum erreicht
hat und der Polarisationsleitwert den Wert Null annimmt. Dieser
Wert des Gleichspannungspotentials, bei welchem der Polarisationsstrom
ein Maximum bzw. der Polarisationsleitwert den Wert Null annimmt,
dient als Arbeitspunkt für
die elektrochemische Entschichtung. Bei diesem Gleichspannungspotential
verläuft
die elektrochemische Entschichtung mit einer maximalen Abtraggeschwindigkeit
bzw. Entschichtungsgeschwindigkeit. Diese Bestimmung des Arbeitspunkts ist
anlagenspezifisch, d.h., dass der ohmsche Widerstand des Arbeitsmediums,
also der Elektrolytlösung, berücksichtigt
wird.
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Nach
einer vorteilhaften Weiterbildung der hier vorliegenden Erfindung
wird während
der elektrochemischen Entschichtung dem so ermittelten Gleichspannungspotential
eine Wechselspannung überlagert.
Die Wechselspannung weist vorzugsweise eine geringe Spannungsamplitude
von vorzugsweise ± 5
mV auf. Die sich infolge der Wechselspannungsüberlagerung einstellende Änderung
des Polarisationsstroms oder des Polarisationsleitwerts wird gemessen
und abhängig
hiervor wird das Gleichspannungspotential so verändert, dass der Polarisationsstrom
im Maximum verbleibt bzw. der Polarisationsleitwert den Wert Null
beibehält.
Bei negativem Polarisationsleitwert wird das Steuerpotential bzw. wird
das Gleichspannungspotential herabgesetzt, bei positivem Polarisationsleitwert
wird dasselbe entsprechend erhöht.
Hierdurch wird sichergestellt, dass die Entschichtung stets mit
maximal möglicher
Abtragungsrate erfolgt und eine Entschichtung im Bereich des sogenannten
Durchbruchpotentials vermieden wird. Auf diese Art und Weise kann
während
des gesamten Entschichtungsprozesses eine optimale Abtragungsrate
und eine stets schonende Entschichtung der zu entschichtenden Gasturbinenschaufel
erfolgen.
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Es
liegt weiterhin im Sinne der hier vorliegenden Erfindung, die während der
Entschichtung gemessenen Werte des Polarisationsstroms bzw. des Polarisationsleitwerts
zur Definition eines Abbruchkriteriums für die elektrochemische Entschichtung
zu verwenden. So enthalten die gemessenen Werte des Polarisationsstroms
auch Informationen über
den Grad der bereits erfolgten Entschichtung des zu entschichtenden
Bauteils bzw. über
den Aufbau der mithilfe der elektrochemischen Entschichtung abzutragenden
Beschichtung. Das Abbruchkriterium für die elektrochemische Entschichtung
wird aus einer Relation zwischen dem Anfangswert und den aktuell gemessenen
Werten des Polarisationsstroms gewonnen. Diese Berechnung wird während der
Entschichtung kontinuierlich und damit fortlaufend durchgeführt. Nimmt
der Polarisationsstrom einen aus dieser Berechnung gewonnenen Wert
an, so kann abhängig hiervon
der Entschichtungsprozess abgebrochen werden.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
zum elektrochemischen Entschichten wird vorzugsweise für die Entschichtung
von Gasturbinenschaufeln verwendet. Es eignet sich auch für die Entschichtung solcher
Gasturbinenschaufeln, die im Inneren Kanäle, wie Kühlkanäle, aufweisen. Zur Entschichtung
solcher Gasturbinenschaufel wird, wie oben beschrieben, der Arbeitspunkt
der elektrochemischen Entschichtung bestimmt und während der
Entschichtung fortlaufend überwacht
und gegebenenfalls angepasst. Auf diese Weise erfolgt die Entschichtung
der Schaufeloberflächen.
Wird anhand der fortlaufend erfassten Werte des Polarisationsstroms
festgestellt, dass der Entschichtungsvorgang an der Oberfläche der
Gasturbinenschaufel abgebrochen wird, so wird erfindungsgemäß das Steuerpotential
in einen für
die Schaufeloberfläche
passiven Bereich erhöht.
Aufgrund der geringen Durchmesser der innerhalb der Gasturbinenschaufel
angeordneten Kanäle
kommt es für
die Kanäle
zu einer Verschiebung des Steuerpotentials in einen aktiven Bereich,
so dass auf diese Weise auch innerhalb der Kanäle eine Entschichtung durchgeführt werden
kann. Während
der Entschichtung der Schaufeloberflächen erfolgt keine Entschichtung
der Kanäle.
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Das
hier vorliegende erfindungsgemäße Verfahren
zum elektrochemischen Entschichten von Bauteilen zeichnet sich durch
eine hohe Selektivität des
Entschichtungsprozesses aus. Der Arbeitspunkt der elektrochemischen
Entschichtung wird fortlaufend angepasst und somit kann die elektrochemische Entschichtung
stets mit optimaler Abtragrate durchgeführt werden. Das erfindungsgemäße Verfahren
ist schneller und kostengünstiger
als die aus dem Stand der Technik bekannten Entschichtungsverfahren. Durch
die hohe Selektivität
besteht eine minimierte Gefahr von Beschädigungen der Bauteile beim
Entschichten.
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Bei
dem erfindungsgemäßen elektrochemischen
Entschichtungsverfahren werden stark verdünnte Säuren als Elektrolytlösung bzw.
Arbeitsmedium verwendet. Insofern sind nur geringe Schutzmaßnahmen
und ein geringer Aufwand bei der Entsorgung des Arbeitsmediums erforderlich.
Das erfindungsgemäße Entschichtungsverfahren
kann in eine Linienfertigung integriert werden. Das erfindungemäße Verfahren
ist des weiteren unempfindlich gegenüber sogenannten Lokalelementen
auf der Oberfläche des
zu entschichtenden Bauteils, die sich aufgrund einer stark unterschiedlichen
Abnutzung bzw. Beschädigung
der Beschichtung auf der Oberfläche
des zu entschichtenden Bauteils ausbilden können.
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Abschließend sei
noch darauf hingewiesen, dass zur möglichst genauen Einstellung
bzw. Steuerung des Arbeitspunkts für die elektrochemische Entschichtung
das Steuerpotential bzw. das Gleichspannungspotential nicht direkt
an den stromführenden Leitungen
abgegriffen werden soll, sondern vielmehr über eine getrennte Leitung.
Auf diese Art und Weise können
Spannungsverluste der stromführenden
Leitungen eliminiert werden. Der Arbeitspunkt kann genauer bestimmt
und eingestellt werden.
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- 10
- Schaufel
- 11
- Schaufelblatt
- 12
- Schaufelfuß
- 13
- Beschichtung