DE102006030364A1

DE102006030364A1 - Verfahren zum Entfernen einer Schutzbeschichtung von einem Bauteil

Info

Publication number: DE102006030364A1
Application number: DE102006030364A
Authority: DE
Inventors: Rene Jabado; Jens Dahl Dr. Jensen; Ursus. Dr. Krüger; Daniel Körtvelyessy; Volkmar Dr. Lüthen; Ralph Reiche; Michael Rindler; Raymond Ullrich
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2006-06-27
Filing date: 2006-06-27
Publication date: 2008-01-03
Also published as: WO2008000663A1; US20100025262A1; EP2032275A1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich u. a. auf ein Verfahren zum Entfernen einer Schutzbeschichtung (40) von einem Bauteil (10), insbesondere einer Turbinenschaufel. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Schutzbeschichtung (40) unter Verwendung mechanischer Schockwellen (S1, S2) mit einer Schockwellenwiederholfrequenz (fs) unterhalb von 20 kHz entfernt wird.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Entfernen einer Schutzbeschichtung von einem Bauteil, insbesondere einer Turbinenschaufel.
Bekanntermaßen müssen bei Reparaturen und Wartungsarbeiten an Gasturbinen schadhafte Schutzbeschichtungen, die auf den rotierenden und stationären Turbinenschaufeln der Gasturbinen angebracht sind, vollständig entfernt werden, damit eine einwandfreie Neubeschichtung gewährleistet werden kann. Diesbezüglich ist bekannt, chemische Entschichtungsprozesse einzusetzen, bei denen die Schutzbeschichtungen weggeätzt werden.
Bei chemischen Entschichtungsprozessen ist die Prozesszeit relativ lang und die Reinigungsqualität mitunter nicht ausreichend gründlich, so dass eine nachfolgende Neubeschichtung erschwert wird.
Der Erfindung liegt demgemäß die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Entfernen einer Schutzbeschichtung von einem Bauteil anzugeben, das sich in sehr kurzer Zeit durchführen lässt und bei dem sehr gute Reinigungsergebnisse erzielt werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in Unteransprüchen angegeben.
Danach ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Schutzbeschichtung des Bauteils unter Verwendung mechanischer Schockwellen mit einer Schockwellenwiederholfrequenz unterhalb von 20 kHz entfernt wird.
Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist darin zu sehen, dass aufgrund der erfindungsgemäß eingesetzten Schockwellen eine sehr gleichmäßige Reinigungswirkung erreicht wird. Die guten Reinigungsergebnisse sind konkret darauf zurückzuführen, dass bei Schockwellen relativ hohe Schockamplituden auftreten, die eine entsprechend große Reinigungswirkung hervorrufen. Kennzeichnend für Schockwellen ist eine äußerst hohe Druckamplitude mit einem Druckanstieg im Nanosekundenbereich sowie nachgelagerte Schwingungen mit geringeren Amplituden im Mikrosekundenbereich (2 kHz bis 10 MHz = „Zuganteile"). Die auftretenden Spitzendrücke liegen im Bereich von typischerweise 10 bis 500 MPa. Die erfindungsgemäß vorgesehenen Schockwellen unterscheiden sich damit ganz wesentlich von beispielsweise Ultraschallwellen, die Frequenzen oberhalb von 20 kHz aufweisen und bekanntermaßen in einem Frequenzbereich zwischen 30 und 400 kHz für Reinigungszwecke eingesetzt werden. Aufgrund ihrer Erzeugungsart haben Ultraschallwellen nämlich einen periodischen Frequenzgang mit im Vergleich zu Stoßwellen nur geringer Amplitude. Die primäre Krafteinwirkung von Ultraschallwellen tritt somit an Orten unterschiedlicher Materialdichte durch Kavitationseffekte auf; im Unterschied dazu erfolgt bei dem erfindungsgemäß vorgesehenen Einsatz von Schockwellen mit einer Schockwellenwiederholfrequenz unterhalb von 20 kHz eine Reinigung im Wesentlichen durch die direkte Kraftimpulsübertragung an den Grenzflächen aufgrund der sehr hohen Druckwechsel im Nanosekundenbereich, wodurch die Reinigungswirkung verbessert wird.
Ein weiterer wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist darin zu sehen, dass das Entfernen der Schutzbeschichtung sehr schnell erfolgt, da durch die Anwendung der Schock- bzw. Stoßwellen während des Entschichtungsprozesses die beispielsweise durch chemische Einwirkung bereits vorgeschädigte Schutzbeschichtung durch die hohe Kraftwirkung der Schockwellen quasi abgesprengt wird, was zu einer insgesamt sehr hohen Prozessgeschwindigkeit führt.
Wie bereits erwähnt, lässt sich das Verfahren zum Entfernen von Schutzbeschichtungen einsetzen, die auf Turbinenschaufeln angebracht sind. Neben der alten Schutzbeschichtung lassen sich dabei auch die durch den Betrieb der Turbine inkorporierten Verunreinigungen entfernen. Diese Verunreinigungen bestehen bei Turbinenschaufeln typischerweise aus Mischungen von Kalium, Magnesium, Silizium, Nickel und Eisen sowie in Karbonat und Oxidverbindungen; auch Multielement-Spinell-Verbindungen können auftreten. Diese Verunreinigungen vereinigen sich typischerweise und bilden das besonders schädliche Kalzium-Magnesium-Aluminium-Silizium-Oxidsystem („CMAS"); auch dieses kann mit dem beschriebenen Verfahren vergleichsweise einfach entfernt werden.
Auch lassen sich weitere Verunreinigungen, wie beispielsweise thermisch gewachsenen Oxide („TGO") , Cr₂O₃ und Cr_xCo_yO-Spinelle sowie je nach Grundwerkstoff des Bauteils die entsprechenden Karbidverbindungen mit dem beschriebenen Verfahren unter Einsatz der Schockwellen sehr leicht entfernen.
Die Schockwellen können beispielsweise elektrohydraulisch, elektromagnetisch, piezoelektrisch oder pneumatischballistisch erzeugt werden.
Im Hinblick auf ein möglichst schnelles Entfernen der Schutzbeschichtung wird es als vorteilhaft angesehen, wenn das Bauteil in eine die Schutzbeschichtung chemisch angreifendes bzw. entfernendes Reinigungsbad eingebracht wird und während des chemischen Angriffs der Schutzbeschichtung zusätzlich die mechanischen Schockwellen auf das Bauteil gerichtet werden. Bei dieser Ausgestaltung des Verfahrens wird somit eine Kombination zweier Reinigungseffekte genutzt, nämlich die Reinigungswirkung des chemischen Bades sowie die Reinigungswirkung der Schockwellen.
Ein besonders schnelles Entfernen der Schutzbeschichtung lässt sich erreichen, wenn das chemische Bad durch einen Elektrolyten gebildet ist, an den eine elektrische Spannung angelegt und in dem ein elektrischer Strom hervorgerufen wird. Vorzugsweise wird das zu reinigende Bauteil mit einem positiven Potential und der Elektrolyt mit einem negativen Potential beaufschlagt.
Besonders einfach und damit vorteilhaft lassen sich die Schockwellen erzeugen, indem diese mit einem von der Außenseite des Bauteils räumlich getrennt angeordneten Schockwellengeneratorelement in das Reinigungsbad eingespeist werden.
Im Hinblick auf eine besonders große Reinigungswirkung wird es als vorteilhaft angesehen, wenn die Schockwellen auf die Außenseite des Bauteils fokussiert werden; ein solches Fokussieren ist beispielsweise möglich, indem eine Vielzahl von Einzelschockwellengeneratorelementen auf einer parabolischen Fläche derart angeordnet werden, dass eine Richtwirkung der Schockwellen auf das zu reinigende Bauteil erfolgt. Derartige Einzelschockwellengeneratorelemente können beispielsweise durch Piezoaktoren gebildet werden.
Sehr gute Reinigungsergebnisse lassen sich erzielen, wenn die Schockwellen senkrecht auf die Außenseite des zu reinigenden Bauteils gerichtet werden.
Auch können die Schockwellen unmittelbar in eine Außenseite des Bauteils mit einem an die Außenseite mechanisch angekoppelten, Oberflächenschockwellen erzeugenden Generatorelement als Oberflächenschockwellen eingespeist werden.
Soll die Schutzbeschichtung von einer Turbinenschaufel entfernt werden, so wird es als vorteilhaft angesehen, wenn die Schockwellen senkrecht auf die Schaufelfläche der Turbinenschaufel gerichtet werden. Darüber hinaus können die bereits erwähnten Oberflächenschockwellen mit einem an die Außenseite mechanisch angekoppelten, Oberflächenschockwellen erzeugenden Generatorelement unmittelbar in die Schaufelflächen der Turbinenschaufel eingespeist werden.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert; dabei zeigen beispielhaft
1 eine Turbinenschaufel mit einer Schutzbeschichtung, die entfernt werden soll,
2 eine Anordnung zum Entfernen der Schutzbeschichtung von der Turbinenschaufel gemäß 1,
3 ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine Anordnung zum Entfernen der Schutzbeschichtung von der Turbinenschaufel gemäß 1,
4 die Turbinenschaufel gemäß 1 mit einem daran befestigten, Oberflächenschockwellen erzeugenden Generatorelement,
5 die Turbinenschaufel gemäß 1 mit einer anderen Positionierung des Generatorelements als bei 4,
6 eine Anordnung zum Erzeugen fokussierter Schockwellen und
7 beispielhaft den Amplitudenverlauf von Schockwellen in ihrem zeitlichen Verlauf.
In den 1 bis 7 werden aus Gründen der Übersicht für identische oder vergleichbare Komponenten stets dieselben Bezugszeichen verwendet In der 1 erkennt man eine Turbinenschaufel 10 mit einem Schaufelblatt 20 sowie einem Fuß 30 in einer dreidimensionalen Darstellung. Das Schaufelblatt 20 der Turbinenschaufel 10 ist mit einer Schutzbeschichtung 40 versehen, die aufgrund von Abnutzung während des Betriebs der Turbinenschaufel beschädigt ist und für ein Neubeschichten der Turbinenschaufel 10 entfernt werden soll. Die Schutzbeschichtung 40 kann beispielsweise aus TBC(Thermal Barrier Coating)-Material auf der Basis einer säulenförmigen Zirkonoxid-Keramikschicht oder aus MCrAlY-Material (Metallmatrixmaterial auf der Basis von Chrom, Aluminium und Yttrium) bestehen. Der Fuß 30 der Turbinenschaufel 10 ist vorzugsweise unbeschichtet.
In der 2 erkennt man eine Anordnung zum Entfernen der Schutzbeschichtung 40 von der Turbinenschaufel 10. Die Anordnung weist ein chemisches Bad 100 auf, in dem sich eine Säure, beispielsweise 20%-ige Salzsäure 110, bei einer Temperatur von beispielsweise 70°C befindet. Die Turbinenschaufel 10 ist in das Bad 100 eingetaucht und damit der darin befindlichen Säure 110 chemisch ausgesetzt. Die Säure 110 greift die Schutzbeschichtung 40 der Turbinenschaufel 10 an, wodurch diese von der Oberfläche der Turbinenschaufel entfernt wird, wenn ausreichend lange gewartet wird.
Um das Entfernen der Schutzbeschichtung 40 zu beschleunigen, ist bei der Anordnung gemäß 2 zusätzlich noch eine Einrichtung zum Erzeugen von Schockwellen vorgesehen. Die Einrichtung ist mit dem Bezugszeichen 200 gekennzeichnet und weist ein Schockwellengeneratorelement 210 sowie ein Oberflächenschockwellen erzeugendes Generatorelement 220 auf, die von Steuereinrichtungen 210' und 220' angesteuert werden.
Das Schockwellengeneratorelement 210 erzeugt Schockwellen S1, die senkrecht, zumindest quasi senkrecht, auf die Außenseite bzw. Oberfläche 230 des Schaufelblatts 20 gerichtet werden. Die Oberflächenschockwellen S2 werden von dem Generatorelement 220 unmittelbar in die Turbinenschaufel 10 eingekoppelt, wie weiter unten im Zusammenhang mit den 4 und 5 erläutert wird.
Durch das zusätzliche Erzeugen der Schockwellen S1 und S2 mit Hilfe des Schockwellengeneratorelements 210 und des Generatorelements 220 lässt sich das Entfernen der Schutzbeschichtung 40 von der Turbinenschaufel deutlich beschleunigen, da neben der chemischen Reinigungswirkung durch die Salzsäure 110 noch die mechanische Reinigungswirkung durch die Schockwellen unterstützend dazukommt. Die Schockwellen weisen vorzugsweise eine Schockwellenwiederholfrequenz fs zwischen 1 und 2000 Hz sowie Spitzendrücke zwischen 10 und 500 MPa auf.
In der 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine Anordnung zum Entfernen der Schutzbeschichtung 40 von der Turbinenschaufel 10 gemäß 1 gezeigt. Die Anordnung gemäß 3 entspricht der Anordnung gemäß 2 mit dem Unterschied, dass ein chemisches Bad 100 mit einem Elektrolyten 300 verwendet wird. Bei dem Elektrolyten 300 kann es sich beispielsweise um eine 5%-ige Salzsäure bei einer Temperatur von 20°C handeln.
An den Elektrolyten 300 wird ein elektrisches Feld E angelegt. Vorzugsweise wird das elektrische Feld erzeugt, indem ein positives Potential an die von der Schutzbeschichtung 40 zu befreiende Turbinenschaufel 10 und ein negatives Potential an den Elektrolyten 300 angelegt wird.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß der 4 werden insgesamt drei Reinigungseffekte genutzt, nämlich die Reinigungswirkung der 5%-igen Salzsäure, die Reinigungswirkung der Schockwellen sowie die Reinigungswirkung durch den Stromfluss, der beispielsweise bis zu ca. 100 A betragen kann und in dem Elektrolyten 300 durch eine Spannung U von beispielsweise 1V bis 20V hervorgerufen wird.
Die Schockwellen werden bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 3 in entsprechender Weise erzeugt, wie dies bereits im Zusammenhang mit der 2 erläutert worden war: Konkret werden mit dem Schockwellengeneratorelement 210 Schockwellen S1 im Wesentlichen senkrecht auf Oberfläche 230 des Schaufelblatts 20 der Turbinenschaufel 10 gelenkt. Darüber hinaus werden Oberflächenschockwellen S2 mit dem Oberflächenschockwellen erzeugenden Generatorelement 220 unmittelbar in die Turbinenschaufel eingekoppelt, wodurch die darauf befindliche Schutzbeschichtung sehr schnell entfernt wird.
Mit der Anordnung gemäß der 3 lässt sich die Schutzschicht 40 von der Turbinenschaufel 10 in einer Reinigungszeit von ca. 20 Minuten vollständig entfernen.
In der 4 erkennt man beispielhaft, wie an der Turbinenschaufel 10 das die Oberflächenschockwellen erzeugende Generatorelement 210 gemäß den 2 und 3 angebracht sein kann. Man sieht einen Piezoaktor 250 des Generatorelements 210, der am Fuß 30 der Turbinenschaufel 10 angebracht (z. B. angeklebt oder angeschweißt) ist und dazu dient, die Oberflächenschockwellen S2 unmittelbar in das Schaufelblatt 20 derart einzukoppeln, dass die Oberfläche 230 des Schaufelblatts 20 senkrecht zur Oberfläche in Schwingungen gerät. Dadurch wird die Schutzbeschichtung 40 einer Stoßwirkung senkrecht zur Oberfläche des Schaufelblatts 20 ausgesetzt, wodurch ein Entfernen der Schutzbeschichtung 40 erleichtert wird; dies ist durch einen Pfeil P, der die senkrechten Oberflächenschwingungen symbolisiert, schematisch angedeutet.
In der 5 ist beispielhaft eine andere Positionierung des Piezoaktors 250 auf der Turbinenschaufel 10 gezeigt. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist der Piezoaktor 250 unmittelbar auf dem Schaufelblatt 20 angebracht. Eine solche Anordnung des Piezoaktors 50 ist grundsätzlich auch geeignet, ein Ablösen der Schutzbeschichtung 40 von der Turbinenschaufel 10 zu beschleunigen, weil die Oberflächenschockwellen S2 unmittelbar in die Oberfläche 230 bzw. Schaufelfläche des Schaufelblatts eingekoppelt werden.
Etwas nachteilig ist jedoch, dass ein Ablösen der Schutzbeschichtung im Bereich der Befestigungsstelle 310 des Piezoaktors 250 unter Umständen etwas beeinträchtigt wird, weil der Piezoaktor 250 die Einwirkung des Elektrolyten 300 an der Befestigungsfläche stören kann.
In der 6 ist ein Ausführungsbeispiel für das Schockwellengeneratorelement 210 gemäß den 2 und 3 dargestellt. Man erkennt eine Vielzahl an Piezoaktoren 400, die auf einer parabolischen Montagefläche 410 angeordnet sind. Die Anordnung der Piezoaktoren 400 auf der Montagefläche 410 ist dabei derart gewählt, dass eine Richtwirkung der Schockwellen auf die zu reinigende Turbinenschaufel 10 erreicht wird, wie dies im Zusammenhang mit den 2 und 3 schematisch dargestellt und erläutert worden ist. Die Piezoaktoren 400 weisen jeweils piezoaktive Schichten 420 auf, die die Stoßwellen S1 bilden.
In der 7 ist der zeitliche Verlauf der Stoßwellen schematisch gezeigt: Man erkennt einen vorzugsweise rechteckigen Druckverlauf mit einem Spitzendruck P0 zwischen 10 und 500 MPa und einer Schockwellenwiederholfrequenz fs, die sich ergibt gemäß: fs = 2π/Twobei T den zeitlichen Abstand zwischen zwei aufeinander folgenden Einzelstößen bezeichnet. Die Anstiegszeit der Stoßflanken F beträgt vorzugsweise weniger als 10 ns und die Schockwellenwiederholfrequenz fs weniger als 20 kHz.
Um Beschädigungen an der Turbinenschaufel 10 beispielsweise durch Mikrorisse zu vermeiden, werden vorzugsweise Schockwellenstöße mit einer Wiederholfrequenz im Hz-Bereich eingesetzt, wobei Schockwellenphasen P1 durch schockwellenfreie Zeitintervalle bzw. Ruhephasen P2 unterbrochen werden.

Claims

Verfahren zum Entfernen einer Schutzbeschichtung (40) von einem Bauteil (10), insbesondere einer Turbinenschaufel, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzbeschichtung (40) unter Verwendung mechanischer Schockwellen (S1, S2) mit einer Schockwellenwiederholfrequenz (fs) unterhalb von 20 kHz entfernt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – das Bauteil in ein die Schutzbeschichtung chemisch entfernendes Reinigungsbad (100) eingebracht wird und – während des chemischen Angriffs der Schutzbeschichtung die mechanischen Schockwellen auf das Bauteil gerichtet werden.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Reinigungsbad (100) mit einem Elektrolyten (300) verwendet wird und an den Elektrolyten eine elektrische Spannung angelegt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schockwellen auf die Außenseite (230) des Bauteils gerichtet werden, indem diese mit einem von der Außenseite räumlich getrennt angeordneten Schockwellengeneratorelement (210) in das Reinigungsbad eingespeist werden.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schockwellen auf die Außenseite (230) des Bauteils fokussiert werden.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Schockwellen senkrecht auf die Außenseite gerichtet werden.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in eine Außenseite (230) des Bauteils (10) Oberflächenschockwellen (S2) mit einem an die Außenseite mechanisch angekoppelten, Oberflächenschockwellen erzeugenden Generatorelement (220) eingespeist werden.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzbeschichtung einer Turbinenschaufel (10) entfernt wird, indem die Schockwellen (S1) senkrecht auf das Schaufelblatt (20) der Turbinenschaufel gerichtet werden.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass in die Schaufelfläche (230) der Turbinenschaufel (20) Oberflächenschockwellen (S2) mit einem an die Schaufelfläche (230) mechanisch angekoppelten, Oberflächenschockwellen erzeugenden Generatorelement (220) eingespeist werden.
Anordnung zum Durchführen des Verfahrens nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Reinigungsbad (100) zum chemischen Entfernen der Schutzbeschichtung des Bauteils (10) sowie eine Einrichtung (200) zum Erzeugen von Schockwellen (S1, S2) vorhanden ist.
Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Reinigungsbad (100) einen Elektrolyten (300) enthält, der mit einer Spannungsquelle (U) zum Erzeugen einer elektrischen Spannung in Verbindung steht.