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Die
Erfindung betrifft die Reinigung von oxidierten oder korrodierten
Bauteilen.
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Bauteile
wie z. B. Turbinenschaufeln weisen nach dem Einsatz Risse auf, die
repariert werden sollen. Jedoch ist die innere Oberfläche des
Risses oxidiert oder korrodiert, sodass ein Löt- oder Schweißvorgang
wegen der Korrosionsprodukte in dem Riss nur suboptimal oder gar
nicht erfolgen kann. Daher werden solche Risse einer FIC-Reinigung
unterzogen (
DE 28 10 598 ).
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Das
Problem bei dem Stand der Technik besteht jedoch darin, dass die
Oxide oder Korrosionsprodukte nicht vollständig aus dem Riss oder von dem
Bauteil entfernt werden.
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Es
ist daher Aufgabe der Erfindung ein Verfahren aufzuzeigen, mit dem
oben genanntes Problem überwunden
werden kann.
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Es
zeigen
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1 einen
schematischen Ablauf einer Rissreinigung und
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2 eine
schematische Reinigung mit Druck und Temperaturverlauf,
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3 eine
Liste von Superlegierungen,
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4 eine
Gasturbine
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5 eine
Turbinenschaufel
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6 eine
Brennkammer.
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Im
Vorfeld kann, muss aber nicht, eine Salzbadreinigung mit dem Bauteil
120,
130,
155 (
4,
5,
6)
erfolgen, die dazu führt,
dass die Oxide oder Korrosionsprodukte zum Teil entfernt werden, oder
so geschädigt
werden, dass eine nachfolgende Reinigung verbessert stattfinden
kann (siehe dazu auch
EP
1 559 485 A1 ).
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Andere
Vorbehandlungsprozeduren der Oxide oder Korrosionsprodukte sind
denkbar.
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Mit
oder ohne Vorbehandlung wird eine Fluoridionenreinigung (FIC) des
Bauteils 120, 130, 155 durchgeführt.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
eignet sich besonders für
Legierungen (2) mit hohem Chromanteil, d.h.
einem Chromanteil größer 10wt%.
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Die
an sich bekannte FIC-Reinigung wird mit folgenden jeweils erfindungsgemäßen Verfahrensparametern
durchgeführt.
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Der
Gehalt an dem Halogenid, vorzugsweise Halogenfluorid (HF) in einem
Halogenid/Gas-Gemisch, wobei das Gas (kein Halogen oder Halogenid, kein
oxidierendes oder korrodierendes Gas) insbesondere reduzierend auf
Oxide wirkt und vorzugsweise Wasserstoff dafür verwendet wird, liegt im
Bereich von 18vol%–30vol%.
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Vorzugweise
werden 18vol% bis 22vol% HF, 22vol% bis 26vol% HF oder 26vol% bis
30vol% HF verwendet.
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Die
Temperatur liegt vorzugsweise in einem Bereich von 980°C bis 1100°C oder vorteilhafterweise
bei 980°C
bis 1030°C
oder 1050°C
bis 1100°C, insbesondere
bei 1040°C
+/– 1%.
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Die
Beaufschlagung des zu reinigenden Bauteils mit dem beispielhaften
HF/H2-Gemisch wird von Spülzyklen
mit einem nichthalogenhaltigen Gas, insbesondere Wasserstoff (H2) unterbrochen. Dieser Spülzyklus
kann durch Abpumpen der Kammer unterstützt werden, wobei dann das
Gemisch, bspw. HF/H2, in der Kammer nachgeführt werden
kann.
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Ebenso
kann die Reinigung nur durch Abpumpen des Gemisches HF/H2 unterbrochen werden.
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Die
Zahl der Spül-
oder Pumpzyklen liegt vorzugsweise bei mindestens drei.
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Vorzugsweise
werden drei bis zehn Spül- oder
Pumpzyklen durchgeführt.
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Vorteilhafterweise
werden 6 oder 10 Spül- oder
Pumpzyklen durchgeführt.
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Die
Beaufschlagung des Bauteils mit dem HF/H2-Gemisch
(als beispielhaftes Gemisch) erfolgt jeweils 10 bis 60 Minuten lang
zwischen den Spül- oder
Pumpzyklen, wobei dann der ursprüngliche Druck
und die ursprüngliche
Zusammensetzung wieder hergestellt werden.
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Vorzugsweise
dauern die Beaufschlagungen 40 min +/– 10%.
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Angeschlossen
an diese FIC-Reinigung findet vorzugsweise auch ein reiner Spülzyklus
mit einem nichthalogenhaltigen Gas, insbesondere Wasserstoff, statt,
wobei danach das Bauteil aus der Kammer der Reinigungsanlage entnommen
wird.
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Vorzugsweise
wird an die FIC-Reinigung eine Lösungsglühbehandlung
durchgeführt,
bei dem z.B. γ'-Phasen, wie sie
bei nickelbasierten Superlegierungen auftreten, sich auflösen.
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Die 2 zeigt
einen beispielhaften Temperaturverlauf T und einen Druckverlauf
p in einem Diagramm über
die Zeit t aufgetragen.
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Das
Bauteil 120, 130, 155 wird in eine Kammer
eingeführt,
und die Temperatur T wird auf die oben genannten Werte erhöht. Dabei
wird das Gasgemisch, bspw. HF/H2 in die
Kammer eingeleitet.
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In
diesem Ausführungsbeispiel
finden drei Spülzyklen
statt, bei denen das Gasgemisch auch abgepumpt wird. Zusätzlich kann
auch ein nichthalogenhaltiges Gas, vorzugsweise Wasserstoff während des
Abpumpvorgangs in die Kammer eingeleitet werden.
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Die 4 zeigt
beispielhaft eine Gasturbine 100 in einem Längsteilschnitt.
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Die
Gasturbine 100 weist im Inneren einen um eine Rotationsachse 102 drehgelagerten
Rotor 103 mit einer Welle 101 auf, der auch als
Turbinenläufer
bezeichnet wird.
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Entlang
des Rotors 103 folgen aufeinander ein Ansauggehäuse 104,
ein Verdichter 105, eine beispielsweise torusartige Brennkammer 110,
insbesondere Ringbrennkammer, mit mehreren koaxial angeordneten
Brennern 107, eine Turbine 108 und das Abgasgehäuse 109.
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Die
Ringbrennkammer 110 kommuniziert mit einem beispielsweise
ringförmigen
Heißgaskanal 111.
Dort bilden beispielsweise vier hintereinander geschaltete Turbinenstufen 112 die
Turbine 108.
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Jede
Turbinenstufe 112 ist beispielsweise aus zwei Schaufelringen
gebildet. In Strömungsrichtung
eines Arbeitsmediums 113 gesehen folgt im Heißgaskanal 111 einer
Leitschaufelreihe 115 eine aus Laufschaufeln 120 gebildete
Reihe 125.
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Die
Leitschaufeln 130 sind dabei an einem Innengehäuse 138 eines
Stators 143 befestigt, wohingegen die Laufschaufeln 120 einer
Reihe 125 beispielsweise mittels einer Turbinenscheibe 133 am Rotor 103 angebracht
sind.
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An
dem Rotor 103 angekoppelt ist ein Generator oder eine Arbeitsmaschine
(nicht dargestellt).
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Während des
Betriebes der Gasturbine 100 wird vom Verdichter 105 durch
das Ansauggehäuse 104 Luft 135 angesaugt
und verdichtet. Die am turbinenseitigen Ende des Verdichters 105 bereitgestellte verdichtete
Luft wird zu den Brennern 107 geführt und dort mit einem Brennmittel
vermischt. Das Gemisch wird dann unter Bildung des Arbeitsmediums 113 in
der Brennkammer 110 verbrannt. Von dort aus strömt das Arbeitsmedium 113 entlang
des Heißgaskanals 111 vorbei
an den Leitschaufeln 130 und den Laufschaufeln 120.
An den Laufschaufeln 120 entspannt sich das Arbeitsmedium 113 impulsübertragend,
so dass die Laufschaufeln 120 den Rotor 103 antreiben
und dieser die an ihn angekoppelte Arbeitsmaschine.
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Die
dem heißen
Arbeitsmedium 113 ausgesetzten Bauteile unterliegen während des
Betriebes der Gasturbine 100 thermischen Belastungen. Die Leitschaufeln 130 und
Laufschaufeln 120 der in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums 113 gesehen ersten
Turbinenstufe 112 werden neben den die Ringbrennkammer 110 auskleidenden
Hitzeschildelementen am meisten thermisch belastet.
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Um
den dort herrschenden Temperaturen standzuhalten, können diese
mittels eines Kühlmittels
gekühlt
werden.
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Ebenso
können
Substrate der Bauteile eine gerichtete Struktur aufweisen, d.h.
sie sind einkristallin (SX-Struktur) oder weisen nur längsgerichtete Körner auf
(DS-Struktur).
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Als
Material für
die Bauteile, insbesondere für
die Turbinenschaufel 120, 130 und Bauteile der Brennkammer 110 werden
beispielsweise eisen-, nickel- oder kobaltbasierte Superlegierungen
verwendet.
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Solche
Superlegierungen sind beispielsweise aus der
EP 1 204 776 B1 ,
EP 1 306 454 ,
EP 1 319 729 A1 , WO 99/67435
oder WO 00/44949 bekannt; diese Schriften sind bzgl. der chemischen
Zusammensetzung der Legierungen Teil der Offenbarung.
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Die
Leitschaufel 130 weist einen dem Innengehäuse 138 der
Turbine 108 zugewandten Leitschaufelfuß (hier nicht dargestellt)
und einen dem Leitschaufelfuß gegenüberliegenden
Leitschaufelkopf auf. Der Leitschaufelkopf ist dem Rotor 103 zugewandt
und an einem Befestigungsring 140 des Stators 143 festgelegt.
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Die 5 zeigt
in perspektivischer Ansicht eine Laufschaufel 120 oder
Leitschaufel 130 einer Strömungsmaschine, die sich entlang
einer Längsachse 121 erstreckt.
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Die
Strömungsmaschine
kann eine Gasturbine eines Flugzeugs oder eines Kraftwerks zur Elektrizitätserzeugung,
eine Dampfturbine oder ein Kompressor sein.
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Die
Schaufel 120, 130 weist entlang der Längsachse 121 aufeinander
folgend einen Befestigungsbereich 400, eine daran angrenzende
Schaufelplattform 403 sowie ein Schaufelblatt 406 und
eine Schaufelspitze 415 auf.
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Als
Leitschaufel 130 kann die Schaufel 130 an ihrer
Schaufelspitze 415 eine weitere Plattform aufweisen (nicht
dargestellt).
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Im
Befestigungsbereich 400 ist ein Schaufelfuß 183 gebildet,
der zur Befestigung der Laufschaufeln 120, 130 an
einer Welle oder einer Scheibe dient (nicht dargestellt).
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Der
Schaufelfuß 183 ist
beispielsweise als Hammerkopf ausgestaltet. Andere Ausgestaltungen als
Tannenbaum- oder Schwalbenschwanzfuß sind möglich.
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Die
Schaufel 120, 130 weist für ein Medium, das an dem Schaufelblatt 406 vorbeiströmt, eine
Anströmkante 409 und
eine Abströmkante 412 auf.
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Bei
herkömmlichen
Schaufeln 120, 130 werden in allen Bereichen 400, 403, 406 der
Schaufel 120, 130 beispielsweise massive metallische
Werkstoffe, insbesondere Superlegierungen verwendet.
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Solche
Superlegierungen sind beispielsweise aus der
EP 1 204 776 B1 ,
EP 1 306 454 ,
EP 1 319 729 A1 , WO 99/67435
oder WO 00/44949 bekannt; diese Schriften sind bzgl. der chemischen
Zusammensetzung der Legierung Teil der Offenbarung.
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Die
Schaufel 120, 130 kann hierbei durch ein Gussverfahren,
auch mittels gerichteter Erstarrung, durch ein Schmiedeverfahren,
durch ein Fräsverfahren
oder Kombinationen daraus gefertigt sein.
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Werkstücke mit
einkristalliner Struktur oder Strukturen werden als Bauteile für Maschinen
eingesetzt, die im Betrieb hohen mechanischen, thermischen und/oder
chemischen Belastungen ausgesetzt sind.
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Die
Fertigung von derartigen einkristallinen Werkstücken erfolgt z.B. durch gerichtetes
Erstarren aus der Schmelze. Es handelt sich dabei um Gießverfahren,
bei denen die flüssige
metallische Legierung zur einkristallinen Struktur, d.h. zum einkristallinen
Werkstück,
oder gerichtet erstarrt.
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Dabei
werden dendritische Kristalle entlang dem Wärmefluss ausgerichtet und bilden
entweder eine stängelkristalline
Kornstruktur (kolumnar, d.h. Körner,
die über
die ganze Länge
des Werkstückes verlaufen
und hier, dem allgemeinen Sprachgebrauch nach, als gerichtet erstarrt
bezeichnet werden) oder eine einkristalline Struktur, d.h. das ganze Werkstück be steht
aus einem einzigen Kristall. In diesen Verfahren muss man den Übergang
zur globulitischen (polykristallinen) Erstarrung meiden, da sich durch
ungerichtetes Wachstum notwendigerweise transversale und longitudinale
Korngrenzen ausbilden, welche die guten Eigenschaften des gerichtet erstarrten
oder einkristallinen Bauteiles zunichte machen.
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Ist
allgemein von gerichtet erstarrten Gefügen die Rede, so sind damit
sowohl Einkristalle gemeint, die keine Korngrenzen oder höchstens
Kleinwinkelkorngrenzen aufweisen, als auch Stängelkristallstrukturen, die
wohl in longitudinaler Richtung verlaufende Korngrenzen, aber keine
transversalen Korngrenzen aufweisen. Bei diesen zweitgenannten kristallinen
Strukturen spricht man auch von gerichtet erstarrten Gefügen (directionally
solidified structures).
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Solche
Verfahren sind aus der US-PS 6,024,792 und der
EP 0 892 090 A1 bekannt;
diese Schriften sind bzgl. des Erstarrungsverfahrens Teil der Offenbarung.
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Ebenso
können
die Schaufeln
120,
130 Beschichtungen gegen Korrosion
oder Oxidation aufweisen, z. B. (MCrAlX; M ist zumindest ein Element der
Gruppe Eisen (Fe), Kobalt (Co), Nickel (Ni), X ist ein Aktivelement
und steht für
Yttrium (Y) und/oder Silizium und/oder zumindest ein Element der
Seltenen Erden, bzw. Hafnium (Hf)). Solche Legierungen sind bekannt
aus der
EP 0 486 489
B1 ,
EP 0 786
017 B1 ,
EP
0 412 397 B1 oder
EP
1 306 454 A1 , die bzgl. der chemischen Zusammensetzung
der Legierung Teil dieser Offenbarung sein sollen.
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Die
Dichte liegt vorzugsweise bei 95% der theoretischen Dichte.
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Auf
der MCrAlX-Schicht (als Zwischenschicht oder als äußerste Schicht)
bildet sich eine schützende
Aluminiumoxidschicht (TGO = thermal grown oxide layer).
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Auf
der MCrAlX kann noch eine Wärmedämmschicht
vorhanden sein, die vorzugsweise die äußerste Schicht ist, und besteht
beispielsweise aus ZrO2, Y2O3-ZrO2, d.h. sie
ist nicht, teilweise oder vollständig
stabilisiert durch Yttriumoxid und/oder Kalziumoxid und/oder Magnesiumoxid.
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Die
Wärmedämmschicht
bedeckt die gesamte MCrAlX-Schicht. Durch geeignete Beschichtungsverfahren
wie z.B. Elektronenstrahlverdampfen (EB-PVD) werden stängelförmige Körner in
der Wärmedämmschicht
erzeugt.
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Andere
Beschichtungsverfahren sind denkbar, z.B. atmosphärisches
Plasmaspritzen (APS), LPPS, VPS oder CVD. Die Wärmedämmschicht kann poröse, mikro-
oder makrorissbehaftete Körner zur
besseren Thermoschockbeständigkeit
aufweisen. Die Wärmedämmschicht
ist also vorzugsweise poröser
als die MCrAlX-Schicht.
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Die
Schaufel 120, 130 kann hohl oder massiv ausgeführt sein.
Wenn die Schaufel 120, 130 gekühlt werden soll, ist sie hohl
und weist ggf. noch Filmkühllöcher 418 (gestrichelt
angedeutet) auf.
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Die 6 zeigt
eine Brennkammer 110 der Gasturbine 100. Die Brennkammer 110 ist
beispielsweise als so genannte Ringbrennkammer ausgestaltet, bei
der eine Vielzahl von in Umfangsrichtung um eine Rotationsachse 102 herum
angeordneten Brennern 107 in einen gemeinsamen Brennkammerraum 154 münden, die
Flammen 156 erzeugen. Dazu ist die Brennkammer 110 in
ihrer Gesamtheit als ringförmige
Struktur ausgestaltet, die um die Rotationsachse 102 herum
positioniert ist.
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Zur
Erzielung eines vergleichsweise hohen Wirkungsgrades ist die Brennkammer 110 für eine vergleichsweise
hohe Temperatur des Arbeitsmediums M von etwa 1000°C bis 1600°C ausgelegt.
Um auch bei diesen, für
die Materialien ungünstigen
Betriebsparametern eine vergleichsweise lange Betriebsdauer zu ermöglichen,
ist die Brennkammerwand 153 auf ihrer dem Arbeitsmedium
M zugewandten Seite mit einer aus Hitzeschildelementen 155 gebildeten
Innenauskleidung versehen.
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Aufgrund
der hohen Temperaturen im Inneren der Brennkammer 110 kann
zudem für
die Hitzeschildelemente 155 bzw. für deren Halteelemente ein Kühlsystem
vorgesehen sein. Die Hitze schildelemente 155 sind dann
beispielsweise hohl und weisen ggf. noch in den Brennkammerraum 154 mündende Kühllöcher (nicht
dargestellt) auf.
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Jedes
Hitzeschildelement 155 aus einer Legierung ist arbeitsmediumsseitig
mit einer besonders hitzebeständigen
Schutzschicht (MCrAlX-Schicht und/oder keramische Beschichtung)
ausgestattet oder ist aus hochtemperaturbeständigem Material (massive keramische
Steine) gefertigt.
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Diese
Schutzschichten können ähnlich der Turbinenschaufeln
sein, also bedeutet beispielsweise MCrAlX: M ist zumindest ein Element
der Gruppe Eisen (Fe), Kobalt (Co), Nickel (Ni), X ist ein Aktivelement
und steht für
Yttrium (Y) und/oder Silizium und/oder zumindest ein Element der
Seltenen Erden, bzw. Hafnium (Hf). Solche Legierungen sind bekannt aus
der
EP 0 486 489 B1 ,
EP 0 786 017 B1 ,
EP 0 412 397 B1 oder
EP 1 306 454 A1 ,
die bzgl. der chemischen Zusammensetzung der Legierung Teil dieser Offenbarung
sein sollen.
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Auf
der MCrAlX kann noch eine beispielsweise keramische Wärmedämmschicht
vorhanden sein und besteht beispielsweise aus ZrO2,
Y2O3-ZrO2, d.h. sie ist nicht, teilweise oder vollständig stabilisiert durch
Yttriumoxid und/oder Kalziumoxid und/oder Magnesiumoxid.
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Durch
geeignete Beschichtungsverfahren wie z.B. Elektronenstrahlverdampfen
(EB-PVD) werden stängelförmige Körner in
der Wärmedämmschicht
erzeugt.
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Andere
Beschichtungsverfahren sind denkbar, z.B. atmosphärisches
Plasmaspritzen (APS), LPPS, VPS oder CVD. Die Wärmedämmschicht kann poröse, mikro-
oder makrorissbehaftete Körner zur
besseren Thermoschockbeständigkeit
aufweisen.
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Wiederaufarbeitung
(Refurbishment) bedeutet, dass Turbinenschaufeln 120, 130,
Hitzeschildelemente 155 nach ihrem Einsatz gegebenenfalls
von Schutzschichten befreit werden müssen (z.B. durch Sandstrahlen).
Danach erfolgt eine Entfernung der Korrosions- und/oder Oxidationsschichten
bzw. -produkte. Gegebenenfalls werden auch noch Risse in der Turbinenschaufel 120, 130 oder
dem Hitzeschildelement 155 repariert. Danach erfolgt eine
Wiederbeschichtung der Turbinenschaufeln 120, 130,
Hitzeschildelemente 155 und ein erneuter Einsatz der Turbinenschaufeln 120, 130 oder
der Hitzeschildelemente 155.