DE102005032685A1 - Verfahren zum Reinigen von Oberflächen mit Fluoridionen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Reinigen von bevorzugt rissbehafteten Oberflächen, beispielsweise von Turbinenschaufeln (13). Hierbei wird ein Prozessgas (23) mit Halogenionen (bevorzugt Fluoridionen) verwendet, um beispielsweise als CMAS bezeichnete Sonderoxide von der Oberfläche und aus den Rissen zu entfernen. Um insbesondere die Effektivität des Reinigungsverfahrens bei der Reinigung der Risse zu verbessern, ist erfindungsgemäß vorgesehen, das Prozessgas zur Reinigung mittels einer Düse zu beschleunigen und auf die zu reinigende Oberfläche zu richten. Weiterhin unter Schutz gestellt ist eine für das beschriebene Verfahren geeignete, modifizierte Reinigungsanlage bzw. eine für das cold spray coating vorgesehene Beschichtungsanlage, die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens umgebaut wurde. Außer für die Reinigung von Turbinenschaufeln kann das Reinigungsverfahren auch für andere oxidierte Bauteile von Turbinen verwendet werden, so dass diese Bauteile, wie auch die Turbinenschaufeln, einer Wiederverwendung zugeführt werden können. Selbstverständlich können auch andere verunreinigte Oberflächen mit dem erfindungsgemäßen Verfahren effektiver gereinigt werden.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Reinigen von rissbehafteten Oberflächen, bei dem während eines Reinigungsprozesses die Oberfläche in einer abgeschlossenen Reinigungskammer Halogenionen ausgesetzt wird.
• Ein solches Reinigungsverfahren wird auch als Fluorid Ion Cleaning (im Folgenden FIC) bezeichnet und ist beispielsweise in der DE 28 10 598 A1 und in der US 5,685,917 offenbart. Bei dem FIC wird die zu reinigende Oberfläche mit gasförmigen aktiven Fluoridionen oder auch in einem nasschemischen Prozess mit Fluoridionen beaufschlagt, wobei hierbei die Oberfläche gereinigt wird, indem beispielsweise oxidische Verbindungen in flüchtige Fluor- bzw. Fluoridverbindungen umgewandelt werden. Der Begriff FIC soll im Zusammenhang mit dieser Erfindung aber allgemein für Reinigungsverfahren stehen, die anstelle von Fluoridionen auch mit anderen Halogenionen durchgeführt werden können. Durch das genannte Verfahren lassen sich insbesondere Oberflächen aus Superlegierungswerkstoffen reinigen, wie sie beispielsweise für die Fertigung von Turbinenschaufeln zum Einsatz kommen. Durch die hohen Betriebstemperaturen der Turbinenschaufeln können aus den Legierungsbestandteilen der Superlegierung komplexe Oxide auf der Oberfläche der Turbinenschaufeln gebildet werden, welche im Allgemeinen als Calcium-Magnesium-Aluminium-Silikon-Oxide (CMAS) bezeichnet werden. Diese Oxide beeinträchtigen die Funktion der Turbinenschaufeln und erschweren insbesondere eine Reparatur von auftretenden Rissen in der Schaufeloberfläche, da auf die Oberfläche der CMAS kein Superlegierungswerkstoff zur Reparatur der Risse aufgebracht werden kann.
• Das FIC schafft eine blanke Metalloberfläche auf dem Bauteil aus Superlegierungswerkstoff, so dass die Aufbringung von weiterem Material, beispielsweise durch Schweißen, zu Reparaturzwecken möglich wird. Vorher muss das zu reparierende Werkstück beim FIC über einen längeren Zeitraum den Fluoridionen ausgesetzt werden und wird vorzugsweise auf einen Bereich von 875 bis 1095 °C erhitzt.
• Ein weiteres Verfahren zum Reinigen von Turbinenschaufeln mittels FIC ist in der EP 0 209 307 A1 beschrieben. Dieses Verfahren zeichnet dadurch aus, dass die Reinigung in regelmäßigen Abständen unterbrochen wird und während der Unterbrechung die Reinigungskammer evakuiert wird. Durch den Druckabfall wird auch die Diffusion von Molekülen des Prozessgases bzw. den Reinigungsprodukten in den Rissen begünstigt, so dass nach Abschluss des Evakuierungsschrittes bei der Fortführung des Reinigungsverfahrens ein erneuter, effizienter Angriff von Halogenionen, insbesondere Fluoridionen erfolgen kann. Hierdurch wird die Reinigungswirkung des FIC insbesondere in den Rissen verbessert.
• Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Reinigen von rissbehafteten Oberflächen mit Fluoridionen anzugeben, mit dem sich auch die Risse vergleichsweise effizient reinigen lassen.
• Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit dem eingangs genannten Verfahren dadurch gelöst, dass die Halogenionen mit einer auf die zu reinigende Oberfläche gerichteten Düse beschleunigt werden, wobei der geforderte Prozessdruck in der Reinigungskammer konstant gehalten wird. Mit der Düse wird damit ein Strahl erzeugt, der Halogenionen enthält, so dass diese mit einer durch die Düse bewirkten kinetischen Energie auf die zu reinigende Oberfläche auftreffen. Diese Energie führt zu ei ner Unterstützung der gewünschten chemischen Reaktionen zur Auflösung der Verschmutzung auf der zu reinigenden Oberfläche, insbesondere der CMAS. Außerdem unterstützt die kinetische Energie der Halogenionen vorteilhaft ein Eindringen derselben in die zu reinigenden Risse der Oberfläche, so dass die Reinigung dort effizienter abläuft. Durch die ständige Einbringung zusätzlicher Halogenionen in den Reinigungsprozess muss zur Einhaltung des geforderten Prozessdruckes gleichzeitig eine Absaugung der Ionen erfolgen. Dies bewirkt vorteilhaft zusätzlich einen ständigen Austausch des Prozessgases in der Reinigungseinrichtung, so dass verbrauchtes Prozessgas, d. h. die beim FIC auftretenden Reaktionsprodukte ständig gegen Halogenionen ausgetauscht werden.
• Durch die Beschleunigung der Halogenionen in Richtung auf die zu reinigende Oberfläche lässt sich die Effizienz des Reinigungsverfahrens in den Rissen vorteilhafterweise steigern. Es hat sich nämlich gezeigt, dass überraschenderweise nicht die Aktivität der Fluoridionen der bestimmende Faktor für die notwendige Reinigungszeit für die rissbehafteten Oberflächen ist, sondern vielmehr die aufgrund der engen Platzverhältnisse im Riss nur langsam stattfindende Diffusion von Teilchen in den Riss hinein und aus dem Riss heraus, also der Austausch von reaktiven Fluoridionen und den bei der Reinigung entstehenden Fluorverbindungen, die beispielsweise Bestandteile der CMAS an sich gebunden haben.
• Zusätzlich lässt sich die Wirkung des Reinigungsprozesses verbessern, wenn der Reinigungsprozess abwechselnd mit einem den Stoffaustausch in den Rissen unterstützenden Diffusionsprozess durchgeführt wird, bei dem die Reinigungskammer evakuiert wird. Das Evakuieren der Reinigungskammer bewirkt nämlich zusätzlich die Diffusion der bei Durchführung des FIC entstehenden flüchtigen Fuoridverbindungen aus dem Riss. Bei einem nachfolgenden Reinigungsprozess behindern diese Fluorverbindungen daher vorteilhafterweise die neu zugeführten Fluoridionen des nachfolgenden Reinigungsintervalles nicht dabei, weitere CMAS in dem Riss abzubauen.
• Mit einer Durchführung des Reinigungsverfahrens mit abwechselnden Reinigungs- und Diffusionsprozessen lässt sich damit die notwendige Reinigungszeit vorteilhaft vermindern, wodurch die Effizienz des Reinigungsverfahrens verbessert wird. Dabei wird während des Diffusionsprozesses die Entfernung der Fluoride aus dem Riss begünstigt, indem bei der Evakuierung der Dampfdruck der Fluoride steigt und diese sich verflüchtigen. Die Ausbildung eines Druckgefälles zwischen Riss und Reinigungskammer unterstützt den Diffusionsprozess zusätzlich.
• Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Halogenionen in einem Prozessgas enthalten sind, welches außerdem ein Trägergas, insbesondere Wasserstoff enthält. Die Mischung der Halogenionen mit einem Trägergas ermöglicht vorteilhaft die einfachere Handhabung des Prozessgases, so dass dieses mittels der Düse effektiver beschleunigt werden kann.
• Besonders vorteilhaft ist es, als Düse eine Kaltspritzdüse zu verwenden. Als Kaltspritzdüsen werden Düsenkonstruktionen bezeichnet, die in an sich bekannter Weise zur Beschichtung von Bauteilen mittels dem Kaltgasspritzen (cold spray coating) verwendet werden. Dabei wird das Beschichtungsmaterial in Form von Partikeln in ein Trägergas eingeleitet, welches die Partikel zur zu beschichtenden Oberfläche hin beschleunigt. Die kinetische Energie (vorzugsweise Überschallgeschwindigkeit) unterstützt dabei die Schichtbildung. Das Verfahren des Kaltgasspritzens lässt sich beispielsweise der US 2004/0037954 A1 entnehmen. Die Verwendung von Kaltspritz düsen hat den Vorteil, dass hierbei auf eine erprobte Technologie zurückgegriffen werden kann.
• Wird bei der Durchführung des Reinigungsverfahrens zwischendurch evakuiert, ist es vorteilhaft, wenn während des Diffusionsprozesses in zeitlichen Abständen mit der Düse ein Inertgas, insbesondere Wasserstoff auf die zu reinigende Oberfläche geblasen wird. Die Inertgasmoleküle werden in Form von Druckimpulsen in der bereits beschriebenen Weise zur Oberfläche des zu reinigenden Bauteils beschleunigt und dringen daher insbesondere auch in eventuelle Risse ein. Hierbei begünstigen sie vorteilhaft den Stoffaustausch in den Rissen, da sie die Reaktionsprodukte des FIC verdängen und insofern die Risse für den nachfolgenden Reinigungsschritt mit Halogenionen vorbereiten. Im Unterschied zu den CMAS, die in dem Diffusionsprozess aus den Rissen entfernt werden sollen, verflüchtigen sich die Moleküle des Inertgases schnell, so dass sie kein Hindernis für den nachfolgenden FIC-Schritt darstellen.
• Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf eine Reinigungsanlage bzw. Beschichtungsanlage. Die Reinigungsanlage ist beispielsweise aus der eingangs genannten EP 0 209 307 A1 und die Beschichtungsanlage aus der erwähnten US 2004/0037954 A1 bekannt. Während sich die beschriebene Reinigungsanlage lediglich zur Anwendung des FIC-Verfahrens mit regelmäßiger Durchführung von zwischengelagerten Desoptionsschritten eignet, kann die Beschichtungsanlage lediglich für das cold spray coating verwendet werden.
• Die Aufgabe besteht darin, eine Reinigungsanlage bzw. Beschichtungsanlage derart abzuwandeln, dass mit Hilfe dieser Anlage ein FIC-Verfahren mit vergleichsweiser effektiver Rei nigung von Rissen auf der zu reinigenden Oberfläche durchführbar ist.
• Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass bei einer Reinigungsanlage zur Reinigung eines Bauteils mit Halogenionen in der Reinigungskammer eine auf das zu reinigende Bauteil ausrichtbare Düse vorgesehen ist, die mit einem die Halogenione enthaltenden Prozessgas beschickt werden kann. Hierdurch wird es mit der erfindungsgemäßen Reinigungsanlage vorteilhaft möglich, das beschriebene Verfahren durchzuführen.
• Die Beschichtungsanlage mit einer Kammer, die eine Halterung für ein Werkstück und eine auf das Werkstück ausrichtbare Düse beherbergt, löst die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch, dass die Kammerwand und die Düse mit einem Schutz gegen den Angriff von Halogenionen versehen sind. Hierdurch wird es möglich, die an sich zur Beschichtung gedachte Düse auch zur Förderung von Halogenionen enthaltenden Prozessgas, zu verwenden und ein Bauteil in der Halterung mittels des verbesserten FIC-Verfahrens gemäß dem oben erwähnten Verfahrensanspruch zu behandeln.
• Weitere Einzelheiten der Erfindung werden im Folgenden anhand der Zeichnung erläutert. Die einzige Figur zeigt den schematischen Aufbau eines Ausführungsbeispieles einer Reinigungsvorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
• Eine Reinigungsvorrichtung gemäß der Figur weist eine Reinigungskammer 11 auf, die eine Halterung 12 für eine oder mehrere Turbinenschaufeln 13 enthält. Nach Einsetzen der mit einem Riss 14 behafteten Turbinenschaufel 13 in die Halterung 12 kann die Reinigungskammer 11 verschlossen werden und zu nächst die Luft mittels einer Vakuumpumpe 15 abgesaugt werden. Anschließend wird zur Entlastung der Vakuumpumpe ein Ventil 16a geschlossen und ein Ventil 16b geöffnet, so dass mittels einer Druckpumpe 17 ein Prozessgas aus einem Vorratsbehälter 18 in die Zuleitung 21 gepumpt werden kann, die zu einer Düse 22 führt (hierzu im Folgenden mehr). Das Prozessgas kann beispielsweise aus Wasserstoff und Fluorwasserstoff bestehen, so dass sich in der Reinigungskammer 11 eine inerte Fluorwasserstoffatmosphäre ausbildet. Diese stellt Fluoridionen zur Verfügung, mit denen die Reinigung der Turbinenschaufel 13 erfolgt.
• Die Reaktivität der Fluoridionen kann mittels eines Mikrowellengenerators 19 erhöht werden. Weiterhin ist eine Heizvorrichtung 20 vorgesehen, mit der das Innere der Reinigungskammer 11, also auch die Turbinenschaufel 13 auf Temperaturen zwischen 875 und 1095°C erhitzt werden kann.
• Nach einer definierten Zyklenzeit wird der Reinigungsprozess beendet und das Prozessgas über die Vakuumpumpe 15 abgesaugt. Durch das sich ausbildende Hochvakuum in der Reinigungskammer diffundieren insbesondere auch die Fluorverbindungen aus dem Riss 14, weswegen das Abpumpen des Prozessgases aus der Reinigungskammer als Diffusionsprozess bezeichnet wird. Nach einer definierten Zyklenzeit wird in der bereits beschriebenen Weise ein weiterer Reinigungsprozess gestartet, in dem mittels der Druckpumpe 17 neues Prozessgas in die Reinigungskammer 11 eingeleitet wird.
• Die definierte Zyklenzeit für den jeweiligen Reinigungsprozess und den jeweiligen Diffusionsprozess hängen von den Anlagenparametern wie zum Beispiel der Kapazität der Vakuumpumpe und der Druckpumpe und der Leistung des Mikrowellengenerators 19 ab. Weiterhin sind die speziellen Gegebenheiten der zu reinigenden Bauteile zu beachten. Damit sind die optimalen Zyklenzeiten jeweils für den Anwendungsfall versuchsweise zu ermitteln, wobei Ziel der Optimierung eine möglichst kurze Dauer des Reinigungsverfahrens, bestehend aus abwechselnden Reinigungsprozessen und Diffusionsprozessen, ist.
• Die Zuleitung 21 für das Prozessgas in dem Vorratsbehälter 18 führt direkt zu der als Kaltspritzdüse ausgeführten Düse 22, wo das Prozessgas zu dem Riss 14 hin beschleunigt wird. Es entsteht ein Kaltgasstrahl 23 (angedeutet durch einen Pfeil), der zu einem tieferen Eindringen von Fluoridionen in den Riss 14 führt. Die Düse 22 ist durch ein Gelenk 24 in der ortsfesten Aufhängung 25 ausrichtbar gelagert, so dass durch Ausrichtung der Düse 22 Bauteile unterschiedlicher Geometrie in der Kammer 11 dem FIC-Verfahren unterworfen werden kann.
• Die Apparatur gemäß 1 kann bevorzugt aus einer Beschichtungsanlage hergestellt werden, die dahingehend modifiziert wird, dass die Wände der Kammer 11 gegen einen Angriff von Halogenionen geschützt werden. Genauso muss die Düse 22 gegen einen Angriff der geförderten Halogenionen geschützt sein. Dies lässt sich beispielsweise durch eine geeignete, gegen den Angriff von Halogenionen resistente Beschichtung erreichen.
• Eine andere Möglichkeit, um die erfindungsgemäße Reinigungsvorrichtung zu erhalten, ist die Verwendung einer beispielsweise für das FIC-Verfahren geeigneten Reinigungsvorrichtung, in die zusätzlich eine Düse 22 eingebaut wird. Auch in diesem Fall muss die Düse 22 resistent gegen einen Angriff von Halogenionen sein, um eine einwandfreie Funktionen der Reinigungsvorrichtung zu gewährleisten.

Claims (7)

1. Verfahren zum Reinigen von rissbehafteten Oberflächen, bei dem während des Reinigungsprozesses die Oberfläche in einer abgeschlossenen Reinigungskammer (11) Halogenionen, insbesondere Fluoridionen ausgesetzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Halogenionen mit einer auf die zu reinigende Oberfläche gerichteten Düse (22) beschleunigt werden, wobei der geforderte Prozessdruck in der Reinigungskammer (11) konstant gehalten wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Halogenionen in einem Prozessgas enthalten sind, welches außerdem ein Trägergas, insbesondere Wasserstoff enthält.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Düse (22) eine Kaltspritzdüse verwendet wird.
4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Reinigungsprozess abwechselnd mit einem den Stoffaustausch in den Rissen (14) unterstützenden Diffusionsprozess durchgeführt wird, bei dem die Reinigungskammer evakuiert wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass während des Diffusionsprozesses in zeitlichen Abständen mit der Düse (22) ein Inertgas, insbesondere Wasserstoff auf die zu reinigende Oberfläche geblasen wird.
6. Reinigungsanlage zur Reinigung eines Bauteils (13) durch Halogenionen mit einer gegen den Angriff der Halogenionen geschützten Reinigungskammer (11), dadurch gekennzeichnet, dass in der Reinigungskammer (11) eine auf das zu reinigende Bauteil (13) ausrichtbare Düse (22) vorgesehen ist, die mit einem die Halogenionen enthaltenden Prozessgas beschickt werden kann.
7. Beschichtungsanlage mit einer Kammer, die eine Halterung (12) für ein Werkstück und eine auf das Werkstück ausrichtbare Düse (22), insbesondere eine Kaltspritzdüse beherbergt, dadurch gekennzeichnet, dass die Kammerwand und die Düse (22) mit einem Schutz gegen den Angriff von Halogenionen versehen sind.