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HINTERGRUND ZU DER ERFINDUNG
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Die Erfindung betrifft allgemein ein Verfahren zum Wasserstrahlstrippen (Reinigen, Entschichten) und zum Rekonturieren beschichteter Herstellungsartikel und insbesondere ein Verfahren zum Wasserstrahlstrippen und Rekonturieren beschichteter Leitschaufeln und Laufschaufeln für Gasturbinen.
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Gasturbinenleitschaufeln und -laufschaufeln erleiden häufig Risse an der Oberfläche der Teile. Diese Risse können sich in das „Basismetall“ oder Gussstück bis in wesentliche Tiefen ausbreiten. Häufig wird diese Rissbildung herbeigeführt, wenn Risse in einer spröden oder undehnbaren Beschichtung anfangen und sich anschließend weiter in das „Basismetall“ oder Gussteil bis in wesentliche Tiefen ausbreiten. Um eine Reparatur zu bewirken, müssen die Risse üblicherweise vor dem weiteren Triebwerksbetrieb entfernt werden. Typischerweise umfasst diese Reparatur ein Entfernen der Beschichtung durch chemische oder mechanische Mittel und ein anschließendes mechanisches Abtragen von Material, gewöhnlich durch Schleifen von Hand oder durch eine numerisch gesteuerte (CNC-gesteuerte) maschinelle Bearbeitung, bis die Risse beseitigt worden sind. Jedoch ist das Problem von Rissen, die sich durch eine äußere Beschichtung hindurch und in ein Basismetall hinein erstrecken, nicht auf Turbinenleitschaufeln und -laufschaufeln oder Turbinenteile im Allgemeinen beschränkt, sondern betrifft einen weiten Bereich von Herstellungsartikeln.
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Nach einem Triebwerksbetrieb auf der Oberfläche von Gasturbinenteilen, insbesondere Schaufeln, aufgefundene Risse müssen häufig im Zuge des Reparaturvorgangs beseitigt werden. Diese Beseitigung dieser Risse wird gewöhnlich durch Abschleifen (Abtrennen) von Metall auf der Oberfläche des Teils, bis die Risse entfernt worden sind, erreicht. Dieser Materialabtrag wird gewöhnlich durch Handschleifen, was sehr arbeitsintensiv ist, oder durch eine CNC-gesteuerte Bearbeitung bewerkstelligt, die äußerst zeitaufwendig ist. Handschleifen zur Defektbeseitigung kann die Erzeugung unkontrollierter Formen zur Folge haben, die mit dem ursprünglichen Gestaltungsprofil des Artikels nicht übereinstimmen.
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Miller et al. (
US 6 905 396 ) stellt ein Verfahren zum Entfernen einer Beschichtung von einem Substrat mit einem unter Druck gesetzten abrasiven Wasserstrahl unter Bewegung des abrasiven Wasserstrahls und/oder der Komponente relativ zueinander, um die Beschichtung vollständig dem Fluidstrahl auszusetzen, bereit. Hashish et al. (
US 5 704 824 ) beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Fräsen von Objekten mittels eines abrasiven Wasserstrahls hoher Geschwindigkeit. Es sind Steuermittel vorgesehen, die eine gleichmäßige und variable Tiefe beim Fräsen komplexer Formen und eine automatische Veränderung der relativen Geschwindigkeit, des Abstands, Winkels und Drucks ermöglichen. Miller et al. und Hashish et al. befassen sich nicht mit einem in einem Vorgang auszuführenden Prozess zum Entfernen der Beschichtung und des Oberflächendefektes von einem Herstellungsartikel und zur Rekonturierung der Oberfläche.
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EP 1 312 438 A beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur automatischen Reparatur von Rissen an Turbinenlaufschaufeln, bei dem oder bei der an schadhaften Turbinenschaufeln automatisiert Risse detektiert, durch Fotografieren der Risse mit einer CCD-Kamera unter Anwendung eines Lichtschnittverfahrens Rissdaten gewonnen werden, die Risse durch Verarbeitung der Rissdaten bezüglich ihrer Größe und Tiefe analysiert werden und die Risse basierend auf den gewonnenen Rissdaten und den Analyseergebnissen mittels eines Schleifverfahrens und eines Aufschweißverfahrens automatisiert repariert werden.
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Es besteht weiterhin ein Bedarf danach, ein Verfahren zum Entfernen von Rissen und Oberflächenmängeln in dem Basismetall dieser Herstellungsartikel, die eine äußere Beschichtung aufweisen, zu schaffen und den Prozess in einem einzigen Vorgang auszuführen. Ferner besteht ein Bedarf nach einer Aufrechterhaltung der konturierten Form des ursprünglichen Artikels, ohne dass die Form verformt wird, wie dies häufig bei einer von Hand ausgeführten Reparatur vorkommt. Noch weiter besteht ein Bedarf danach, den Prozess schnell und bei niedrigen Kosten auszuführen.
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KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Entfernen von Rissen und Oberflächenmängeln in dem Basismetall von Herstellungsartikeln, die eine äußere Beschichtung aufweisen, und zur Durchführung des Prozesses in einem einzigen Vorgang. Das Verfahren erhält die konturierte Form des ursprünglichen Artikels ohne eine Verformung der Form aufrecht, wie dies häufig bei einer von Hand ausgeführten Reparatur vorkommt, und kann den Prozess schnell und mit niedrigen Kosten durchführen.
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Kurz gesagt, ist gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Erzeugung eines Wasserstrahlstrippen- und Rekonturierungsprogramms für einen beschichteten Herstellungsartikel geschaffen. Das Verfahren enthält ein Abtasten der Abmessung des beschichteten Artikels und ein Festlegen eines dreidimensionalen Modells für den beschichteten Artikel. Das Verfahren enthält ferner ein Einrichten eines Sprühstrahlprogramms zum Entfernen der speziellen Beschichtung und eines Sprühstrahlprogramms zum Abtragen des Oberflächenbasismaterials. Nachdem das dreidimensionale Modell festgelegt worden ist, wird auf das Modell ein vorbestimmter Satz reduzierter Maßprofile zum Konturieren angewandt, um ein Sprühstrahlprogramm einzurichten. Die resultierenden endgültigen Maßprofile zum Rekonturieren werden analysiert um festzustellen, ob die reduzierten Profile für einen weiteren Betrieb zufriedenstellend sind.
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Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zum Wasserstrahlstrippen und Rekonturieren eines beschichteten Herstellungsartikels geschaffen. Das Verfahren enthält zunächst eine Bestimmung einer Tiefe einer Beschädigung an der Basisoberfläche des Artikels und eine anschließende Auswahl eines Rekonturierungsprofils aus einem vorbestimmten Satz reduzierter Konturprofile für den Artikel, um den Defekt in dem Basismetall zu eliminieren. Es wird eine Auswahl eines Sprühstrahlprogramms für eine spezielle Beschichtung an dem Artikel vorgenommen, während eine weitere Auswahl für ein Sprühstrahlprogramm für eine spezielle Legierungszusammensetzung des Artikels vorgenommen wird. Die Sprühstrahlprogramme werden anschließend angewandt, um die spezielle Beschichtung und die Beschädigung an der Basisoberfläche des Artikels bis hin zu dem reduzierten Konturprofil zu entfernen.
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Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zum Wasserstrahlstrippen und Rekonturieren eines beschichteten Herstellungsartikels geschaffen. Das Verfahren enthält ein Abtasten der Abmessung des Artikels und eine anschließende Bestimmung, dass der abgetastete Artikel innerhalb einer vorbestimmten Abweichung von der nominellen Formgestalt des Artikels liegt. Das Verfahren enthält ferner eine Bestimmung einer Tiefe einer Beschädigung an der Basisoberfläche des Artikels. In Abhängigkeit von der Art der Beschichtung an dem Artikel wird ein Sprühstrahlprogramm zum Entfernen der Beschichtung ausgewählt. Auf der Basis einer speziellen Legierungszusammensetzung des Artikels wird ein Sprühstrahlprogramm zum Beseitigen der Beschädigung in dem Basismaterial ausgewählt. Die Sprühstrahlprogramme werden anschließend angewandt, um eine vorbestimmte Tiefe von der Basisfläche des Artikels zu entfernen.
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Figurenliste
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Diese und weitere Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung erschließen sich besser beim Lesen der folgenden detaillierten Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen, in denen gleiche Bezugszeichen überall in den Zeichnungen gleiche Teile bezeichnen:
- 1A veranschaulicht eine unter weißem Licht ausgeführte Lichtbildaufnahme der Oberflächenrisse an einem Schaufelblatt einer Gasturbinenschaufel;
- 1B veranschaulicht Lichtbildaufnahmen von Oberflächenrissen in dem Schaufelblatt einer Gasturbinenschaufel;
- 2A veranschaulicht eine Aufnahme eines Risses in der Beschichtung einer vorderen konkaven Außenfläche eines Schaufelblattes für eine Gasturbinenschaufel;
- 2B veranschaulicht eine Aufnahme eines sich in das Basismetall ausbreitenden Risses in der Beschichtung einer vorderen konkaven Außenfläche eines Schaufelblattes für eine Gasturbinenschaufel;
- 3 veranschaulicht ein Entfernen einer Dicke einer Beschichtung und einen kontrollierten Abtrag von Basismetall mit einem Wasserstrahlprozess;
- 4 veranschaulicht ein Schaufelblatt mit einer reduzierten Formkontur;
- 5 veranschaulicht ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zur Erzeugung eines Wasserstrahlsprühprogramms zur Defektbeseitigung von einem Herstellungsartikel beschreibt;
- 6 veranschaulicht ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zur Ausführung eines Wasserstrahlsprühprogramms zur Defektbeseitigung bis zu einem vorbestimmten reduzierten Formprofil aus einem Herstellungsartikel beschreibt;
- 7 veranschaulicht ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zur Ausführung eines Wasserstrahlsprühprogramms zum Entfernen einer vorbestimmten Tiefe eines Materials von der Oberfläche eines Herstellungsartikels beschreibt.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Die folgenden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung haben viele Vorteile, einschließlich der Verwendung eines adaptiven numerisch gesteuerten (CNC-gesteuerten) Wasserstrahlprogramms, um sowohl eine alte Oberflächenbeschichtung zu entfernen als auch Material bis zu vorbestimmten Konturen abzutragen, einer effektiven Oberflächenneugestaltung des Teils und einer Beseitigung der Defekte von den Basisoberflächen von Gasturbinenleitschaufeln und -laufschaufeln. Dieser Prozess verwendet eine Hochdruck-Abrasivwasserstrahlmaschine, um Risse zu beseitigen. Durch eine Automatisierung dieses Prozesses können Handarbeit und ein zusätzlicher Reparaturschritt eliminiert werden, und es kann eine größere Kontrolle der Endformmasse erreicht werden. Während im Folgenden ein Verfahren beschrieben ist, das eine Reparatur von Gasturbinenschaufeln betrifft, ist das erfindungsgemäße Verfahren nicht auf eine Reparatur von beschichteten Turbinenleitschaufeln und -laufschaufeln oder sonstigen beschichteten Turbinenteilen beschränkt, sondern auf einen weiten Bereich von beschichteten Herstellungsartikeln anwendbar.
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Zu wichtigen Aspekten der Erfindung gehören ein Entfernen von Rissen von einer Gasturbinenleitschaufel oder -laufschaufel durch Rekonturierung unter Verwendung eines Wasserstrahls, ein Entfernen einer Beschichtung und von Basismetallrissen von der Oberfläche einer Gasturbinenleitschaufel oder -laufschaufel durch einen Wasserstrahl und ein in einem einzigen Vorgang auszuführender Prozess, durch den eine metallische Beschichtung von der Turbinenkomponente entfernt wird und anschließend die Oberfläche der Komponente auf die gewünschte Form maschinell bearbeitet wird.
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Dieser Prozess wird in einem einzigen Vorgangschritt bewerkstelligt. Spezielle Geometrien für verschiedene Turbinenkomponenten werden durch die nachstehend beschriebenen Verfahren erzielt.
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Ein weiterer wichtiger Aspekt der Erfindung ist es, dass sie es ermöglicht, in den reparierten Teilen exakte Formen zu erzielen, und zwar im Gegensatz zu den unkontrollierten Formen, die bei einem manuellen Prozess erzeugt werden. Durch eine Kontrolle der Endform der Schaufel kann eine Reparatur mit hoher Qualität sichergestellt werden, die allen Nutzdaueranforderungen gerecht wird. Diese Erfindung löst das Handarbeitsproblem durch eine Automatisierung des Materialentfernungsprozesses.
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1A veranschaulicht eine unter weißem Licht erzeugte Aufnahme von Oberflächenrissen an einem Schaufelblatt einer Gasturbinenschaufel. 1B veranschaulicht eine Aufnahme von Oberflächenrissen in dem Schaufelblatt einer Gasturbinenschaufel. 2A veranschaulicht eine Aufnahme eines Risses in der Beschichtung einer vorderen konkaven Außenfläche eines Schaufelblattes für eine Gasturbinenschaufel. 2B veranschaulicht eine Aufnahme eines Risses in der Beschichtung einer vorderen konkaven Außenfläche eines Schaufelblattes für eine Gasturbinenschaufel, wobei sich der Riss in das Basismetall ausbreitet.
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Die Ausführbarkeit ist durch Versuche, den Wasserstrahl-„Stripping“-Prozess zu qualifizieren, demonstriert worden. In den Versuchen wurde gezeigt, dass nicht nur die Beschichtungsmaterialentfernungsrate in 3D über der gesamten Oberfläche des Teils kontrolliert werden konnte, sondern dass auch der Basismetallabtrag kontrolliert werden konnte. Ferner konnte die Menge des Basismetalls, die entfernt wird, in kleinen Mengen kontrolliert werden, so dass ein Beseitigen von Oberflächendefekten ohne zu großen Abtrag des Basismetalls ermöglicht wird, um dadurch eine Konturierung zu speziellen Formen zu ermöglichen. Die Fähigkeit, spezielle Formen zu erzeugen, ist bei bestimmten Herstellungsartikeln, wie beispielsweise Turbinenschaufeln, bei denen die Formgestaltung des Schaufelblattes für die aerodynamische Strömung von Gasen durch die Turbine erforderlich ist, von entscheidender Bedeutung. 3 veranschaulicht das Entfernen einer Beschichtungsdicke und einen kontrollierten Basismetallabtrag mit einem Wasserstrahlprozess. Es ist ein Herstellungsartikel 40 mit einer Beschichtung 50 und einem Basismaterial 60 veranschaulicht. Die Beschichtung 50 und das Basismaterial 60 sind bis auf eine rekonturierte Oberfläche 70 mit einem Sprühstrahl entfernt worden.
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Es ist eine Computermodellierung durchgeführt worden, um teilespezifische Geometrien zu erzeugen, die für mehrere unterschiedliche GE-Teile in einem sicheren Entwurfspunkt liegen. Diese Modellierung ergibt verschiedene Oberflächenprofile der Materialentfernung, die in Abhängigkeit von dem Ausmaß einer sichtbaren Beschädigung angewandt werden können.
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Das Teil wird zunächst in eine Maschine eingebracht und dimensionsmäßig abgetastet. Diese Abtastung kann unter Verwendung eines berührungslosen oder taktilen Abtastwerkzeugs bewerkstelligt werden. Dieses Werkzeug sollte in der Lage sein, die Geometrie des eingebrachten Teils zu erfassen und diese in Form dreidimensionaler Daten zu speichern.
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Wenn das Teil abgetastet worden ist, kann eine Berechnung durchgeführt werden, um zu bestimmen, wie viel Material und wo entfernt werden muss, um die gewünschte Endform zu erreichen. Die Endform kann als eine gewünschte dreidimensionale Geometrie oder in Form einer Materialmenge, die von gegebenen Oberflächen an einem beliebigen eingebrachten Teil entfernt werden soll, definiert werden. 4 veranschaulicht ein beispielhaftes Turbinenteil, für das ein reduziertes Maß- bzw. Formprofil bestimmt worden ist. Es ist ein ursprünglicher Formumriss 110 für eine Turbinenlaufschaufel 100 dargestellt. Es ist ein vorbestimmtes reduziertes Konturprofil 120 für die Turbinenlaufschaufel 100 veranschaulicht.
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Wenn die endgültige Form als eine gewünschte dreidimensionale Geometrie definiert ist, kann die Endform durch einen Satz vorbestimmter reduzierter Profile gebildet sein. Beispielsweise kann die Endform des Artikels die ursprüngliche nominale Entwurfsform des Artikels sein, die um mehrere feste Dicken reduziert ist, was zunehmend kleinere, in vorbestimmter Weise reduzierte Profile ergibt. Die gewünschte Geometrie sollte von der durch die Abtastung der Maße gemessenen Geometrie subtrahiert bzw. abgezogen werden, um ein Materialvolumen, das entfernt werden soll, hervorzubringen. Alternativ kann eine Reduktion einer differenziellen Materialmenge von der Gestalt, wie durch die Ma-ßabtastung der Masse gemessen, erwünscht sein. Hier wird kein neues Zielprofil bestimmt, sondern eine Materialdifferenz von der Gestalt, wie gebaut, oder von der tatsächlichen Gestalt im Betrieb entfernt. In jedem Fall liefert die Maßabtastung die Basis dafür, wo der Prozess begonnen werden soll.
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Während des Verfahrens wird für jede spezielle Legierung oder eine Kombination aus Legierung und Beschichtung eine Materialentfernungsrate für die gegebene Einsatzzeit, das gegebene Abrasionsmittel, den gegebenen Druck und die gegebene Strömung festgelegt. Diese Materialentfernungsraten werden dazu verwendet, ein maßgeschneidertes CNC-Programm für jedes Teil zu erzeugen, das das gewünschte Materialmaß entfernen wird. In dem Fall, wenn eine endgültige absolute Gestalt nicht erforderlich ist, sondern lediglich eine Abweichung gegenüber den vorhandenen Teileoberflächen, kann die Maßabtastung dazu verwendet werden festzustellen, wo das Material in dem Raum entfernt werden sollte, ohne eine Geometrie von einer anderen zu subtrahieren.
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Wenn das Teil abgetastet worden ist und ein maßgeschneidertes CNC-Programm erzeugt worden ist, wird das Teil anschließend bearbeitet, indem ein unter Hochdruck stehender abrasiver Wasserstrahl über die Oberfläche des Teils in einer derartigen Weise geführt wird, dass er das gewünschte Materialmaß entfernt. Der Weg des Wasserstrahls wird kontrolliert und in mehreren Achsen bewegt, um über den gesamten Prozess hinweg eine richtige Einstellung in Bezug auf die Oberfläche aufrechtzuerhalten. Während der abrasive Hochdruck-Wasserstrahl über die Oberfläche des Teils geführt wird, werden Risse entfernt, indem ein Substrat bis zu der Tiefe der Rissbildung oder über diese hinaus abgetragen wird. Zusätzlich zu der Beseitigung von Rissen in dem Teil kann auch während desselben Vorgangs eine Beschichtung entfernt werden.
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Es können periodische Abtastungen der Abmessung des Teils vorgenommen werden, um die Genauigkeit des Prozesses bei der Erzielung der gewünschten Endform und Endmasse zu überprüfen. Eine Rückmeldung von den Maßabtastungen kann dazu verwendet werden, die gewünschte endgültige Abmessung oder Form zu erreichen.
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Die speziellen erfindungsgemäßen Verfahren zum Wasserstrahlstrippen und Rekonturieren eines beschichteten Herstellungsartikels enthalten ein breites Verfahren zum Erzeugen eines Wasserstrahlsprühprogramms und anschließend ein Verfahren zur Anwendung des Wasserstrahlsprühens auf den speziellen Herstellungsartikel.
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Das Verfahren enthält eine Maßabtastung des beschichteten Artikels. Von dem maßabgetasteten Artikel wird unter Verwendung von Werkzeugen zur Computer gestützten Konstruktion (CAD, Computer-Aided Design) / Rechner gestützten Entwicklung (CAE, Computer-Aided Engineering) / Computer gestützten Fertigung (CAM, Computer-Aided Manufacturing) ein dreidimensionales Modell erzeugt, das den Artikel repräsentiert. Auf das Modell wird ein vorbestimmter Satz reduzierter Maßprofile angewandt, um sowohl gewünschte Zielmaterialmaße, die entfernt werden sollen, als auch die endgültig gewünschten Abmessungen des Artikels festzulegen. Die Zielmaße werden durch Subtraktion der Entfernungstiefe an verschiedenen Stellen von der Oberfläche des Modells erzeugt. Diese Maße kennzeichnen unterschiedliche Materialmengen, die von dem Artikel entfernt werden können, um ein gewünschtes Endprofil zu erzielen. Wenn ein Zielmaterialmaß, das entfernt werden soll, ausgewählt worden ist, kann ein Strahlsprühprogramm erzeugt werden, um das gewünschte Materialmaß zu entfernen, um ein gewünschtes Endprofil des Artikels zu erreichen. Die Parameter für das Programm sollten im Voraus durch Durchführung einer Prozesscharakterisierung für jede spezielle Beschichtung und jedes spezielle Basismaterial festgelegt werden.
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Der Artikel muss zuerst maßabgetastet werden, um die genaue dreidimensionale Einrichtung des Artikels zu bestimmen. Der Schritt der Maßabtastung sollte die Verwendung wenigstens entweder eines berührungslosen Abtastwerkzeugs und/oder eines taktilen Abtastwerkzeugs enthalten.
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Um Oberflächendefekte des Artikels wegzustreifen, müssen reduzierte Maßprofile derart eingerichtet werden, dass die Abmessungen des Artikels um eine vorbestimmte Dicke und um Vielfache der vorbestimmten Dicke kleiner sind als die nominalen Abmessungen des Artikels. Auf der Basis der Oberflächendefekte, wie sie normalerweise bei beschichteten Gasturbinenlaufschaufeln und -leitschaufeln erfahren werden, reduzieren die vorbestimmten reduzierten Maßprofile die Oberfläche in Vielfachen von etwa 5 bis 6 Mills (Millizoll). Jedoch hängt die Dicke der Reduktion für das reduzierte Profil von dem speziellen Artikel und der speziellen Anwendung ab.
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Die reduzierten Form- bzw. Maßprofile müssen analysiert werden um zu bestätigen, dass sie für einen nachfolgenden Betrieb zufriedenstellend sind. Die Analyse umfasst eine Analyse der mechanischen, thermischen und aerodynamischen Eigenschaften der Zielprofile. Der Schritt der Analyse, ob die reduzierten Profile für einen nachfolgenden Betrieb zufriedenstellend sind, enthält auch eine Konformitätsüberprüfung anhand Entwurfskriterien der Ausrüstung. Die Entwurfskriterien können Computercodes und Konstruktionsanleitungen enthalten. Falls die Entwurfskriterien erfüllt sind, können die Zielprofile als für einen nachfolgenden Betrieb zufriedenstellend akzeptiert werden.
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Verschiedene Materialbeschichtungen, die in Beschichtungen für den Herstellungsartikel und das darunter liegende Basismaterial verwendet werden können, haben unterschiedliche Festigkeits- und Härteeigenschaften. Ein Sprühstrahl muss die unterschiedlichen Eigenschaften berücksichtigen, während er die Beschichtung und anschließend das zugrundeliegende Basismaterial entfernt. Die speziellen Faktoren, die in dem Verfahren bestimmt werden, sind eine Materialentfernungsrate für eine gegebene Einsatzzeit, die Art und Konzentration eines Abrasionsmittels, ein Strahldruck und eine Strahlströmungsrate. Diese Parameter können für die Beschichtung und das Basismaterial gesondert festgelegt werden.
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Jedoch kann es für den Fall, dass dies durch Testdaten für die spezielle Beschichtung und das spezielle Basismaterial gestützt ist, erwünscht sein, dieselben Parameter sowohl für die Beschichtung als auch für das Basismaterial zu verwenden.
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Während das vorstehend beschriebene Verfahren auf beschichtete Herstellungsartikel allgemein anwendbar ist, ist das Verfahren insbesondere auf beschichtete Teile einer Gasturbine und auf beschichtete Schaufeln einer Gasturbine speziell anwendbar.
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Wenn das Verfahren für ein spezielles Teil in der vorstehend beschriebenen Weise geschaffen worden ist, ist die Anwendung des Verfahrens im Folgenden beschrieben. Zunächst muss eine Tiefe einer Beschädigung an dem zugrundeliegenden Basismaterial des Artikels bestimmt werden. Wenn die Schadenstiefe bestimmt worden ist, bietet das Verfahren eine Auswahl eines Rekonturierungsprofils aus einem Satz reduzierter Konturprofile für den Artikel an. Es muss ein Strahlsprühprogramm für die spezielle Beschichtung an dem Artikel ausgewählt werden. Das Strahlsprühprogramm für die spezielle Legierungszusammensetzung des zugrunde liegenden Basismaterials wird ausgewählt. Die Strahlsprühprogramme werden anschließend angewandt, um die spezielle Beschichtung und die Beschädigung an der Basisfläche des Artikels bis hinunter zu dem reduzierten Konturprofil zu entfernen.
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Die Tiefe einer Beschädigung an dem zugrundeliegenden Basismaterial kann durch den Wurmfortsatzprozess (Worm Trailing-Prozess) bestimmt werden. Wurmfortsatz ist ein Prozess, bei dem die Tiefe einer Beschädigung an einer Fläche bestimmt wird, indem kleine Musterbereiche des Defektes geschliffen werden, bis kein weiterer Oberflächendefekt vorliegt. Die auf diese Weise vorgenommene Stichprobenprüfung der Defekttiefe liefert dem Prüfer einen Schätzwert der Tiefe des Oberflächendefektes, ohne dass die gesamte Oberfläche abgeschliffen werden muss.
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Nach einer Bestimmung der Tiefe der Oberflächendefekte durch den Wurmfortsatzprozess kann die Oberfläche rekonturiert werden, indem ein reduziertes Konturprofil ausgewählt wird, das zum Entfernen der geschätzten Defekttiefe passend ist, und anschließend der Artikel überprüft wird um festzustellen, ob der Defekt vollständig beseitigt ist. Wenn der Oberflächendefekt nicht vollständig beseitigt ist, wird anschließend ein weiterer Wurmfortsatzprozess durchgeführt um festzustellen, welche weitere Oberflächenrekonturierung durchgeführt werden sollte.
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Alternativ kann der Oberflächendefekt auf das durch Rekonturierung auf eine erste rekonturierte Oberfläche und anschließende Überprüfung zulässige Maß beseitigt werden. Falls der Oberflächendefekt nicht vollständig beseitigt ist, kann die Oberfläche anschließend erneut auf zunehmend tiefere reduzierte Konturprofile rekonturiert und überprüft werden, bis der Oberflächendefekt vollständig beseitigt ist.
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Wenn der Oberflächendefekt durch Strahlstrippen auf eine vorbestimmte reduzierte Kontur vollständig beseitigt worden ist, wird der fertig gestellte Artikel hinsichtlich seiner Maße überprüft um zu bestätigen, dass die Endabmessungen innerhalb der für eine weitere Funktionsfähigkeit des Artikels zulässigen Abmessungen liegen.
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Es ist ferner ein Verfahren geschaffen, das zum Wasserstrahlstrippen und Rekonturieren eines beschichteten Herstellungsartikels in einer Weise dient, dass die Form des Artikels mit einem zulässigen Konstruktionsprofil übereinstimmt, so dass lediglich eine Differenz von der Gestalt des tatsächlichen Artikels entfernt werden muss. Das Verfahren tastet zuerst die Abmessungen des Artikels ab. Die Abmessungen des Artikels werden anschließend mit einer nominalen Konstruktionsform des Artikels verglichen. Wenn festgestellt wird, dass der Artikel weniger als eine vorbestimmte Abweichung gegenüber der nominalen Konstruktionsform des Artikels aufweist, kann anschließend anstelle eines Wasserstrahlstrippens und Rekonturierens auf eine vorbestimmte reduzierte Profilgestalt ein Delta an Material von dem vorliegenden Profil des Artikels entfernt werden.
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Die Tiefe einer Beschädigung an der Basisoberfläche des Artikels wird auf der Grundlage eines Wurmfortsatzprozesses oder sonstiger in der Technik bekannter Prüfverfahren ermittelt. Danach werden Strahlsprühprogramme für das spezielle Beschichtungsmaterial und die spezielle Legierungszusammensetzung des Basismaterials ausgewählt. Die Strahlsprühprogramme werden anschließend angewandt, um die spezielle Beschichtung zu entfernen und eine vorbestimmte Tiefe aus der vorliegenden Basisfläche des Artikels abzutragen. Die vorbestimmte Tiefe, die von der Basisfläche des Artikels abgetragen werden soll, ist wenigstens die Tiefe der Beschädigung, wie sie durch das Wurmfortsatzverfahren oder sonstige Verfahren bestimmt worden ist.
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5 veranschaulicht ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zur Erzeugung eines Wasserstrahlstrippen- und Rekonturierungsprogramms zur Defektentfernung von einem Herstellungsartikel beschreibt. In Schritt 510 wird der Artikel in die Vorrichtung eingeführt. In Schritt 520 wird der Artikel abgetastet, wobei die Abtasteinrichtung entweder ein taktiles oder ein berührungsloses Abtastwerkzeug sein kann. Auf der Basis der Abtastung wird unter Verwendung von CAD/CAE/CAM-Werkzeugen, wie sie in der Technik bekannt sind, ein dreidimensionales Modell des Herstellungsartikels in Schritt 530 erzeugt. Das dreidimensionale Modell wird auf der Basis eines vorbestimmten Satzes reduzierter Maßprofile in Schritt 540 modifiziert, um zunehmend tiefere Einschnitte zu definieren, die verwendet werden können, um Oberflächendefekte an dem Artikel zu beseitigen. In Schritt 550 wird das Modell mit reduzierten Maßprofilen analysiert um zu bestätigen, dass der Artikel, wenn er zu dem reduzierten Profil bearbeitet wird, für einen weiteren Betrieb ausreichend ist. In Schritt 560 wird ein dreidimensionales Strahlsprühprogramm zum Entfernen der Beschichtung erzeugt. In Schritt 570 wird ein dreidimensionales Strahlsprühprogramm zum Abtragen des Oberflächenbasismaterials, um das reduzierte Maßprofil zu erhalten, erzeugt. Der Artikel wird in Schritt 580 aus der Vorrichtung entnommen.
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6 veranschaulicht ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zur Ausführung eines Wasserstrahlstrippen- und Rekonturierungsprogramms zur Defektentfernung auf ein vorbestimmtes reduziertes Maßprofil von einem Herstellungsartikel beschreibt. In Schritt 610 wird ein Artikel in eine Wasserstrahlstrippen- und Rekonturierungsvorrichtung eingeführt. In Schritt 615 wird der Artikel abgetastet, wobei die Abtasteinrichtung entweder ein taktiles oder ein berührungsloses Abtastwerkzeug sein kann. Ein dreidimensionales Modell für den Artikel wird in Schritt 620 erzeugt. Die Tiefe einer Beschädigung an der Basisoberfläche wird zuerst in Schritt 625 bestimmt. Nachdem die Beschädigungstiefe bestimmt worden ist, wird in Schritt 630 ein Rekonturierungsprofil für den Artikel aus dem Satz reduzierter Konturprofile ausgewählt.
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In Schritt 635 wird ein Strahlsprühprogramm zum Entfernen der speziellen Beschichtung an dem Artikel ausgewählt. In Schritt 640 wird ein Strahlsprühprogramm zum Entfernen der speziellen Legierungszusammensetzung der Basis ausgewählt. In Schritt 645 werden die Strahlsprühprogramme zum Entfernen der Beschichtung und des Basismaterials bis hinunter auf das reduzierte Konturprofil ausgeführt. In Schritt 650 wird der Artikel überprüft. Wenn in Schritt 655 festgestellt wird, dass die Beschichtung und Risse entfernt worden sind, kann der Artikel anschließend in Schritt 660 abgetastet werden, um zu bestätigen, dass er innerhalb der für einen weiteren Betrieb zulässigen Abmessungen liegt. Wenn die Abtastung in der Überprüfung nach Schritt 665 anzeigt, dass das Teil innerhalb zulässiger Abmessungen liegt, wird das Teil in Schritt 670 zur Rückführung in den Betrieb entnommen. Wenn die Beschichtung und Risse nicht entfernt worden sind, wie dies in Schritt 655 festgestellt wird, wird der Artikel in Schritt 615 für eine weitere Konturierung erneut abgetastet. Wenn die Überprüfung in Schritt 665 aus den Abtastergebnissen zeigt, dass die Abmessungen außerhalb des zulässigen Minimums liegen, kann das Teil dann nicht erneut verwendet werden, sondern muss in Schritt 675 ausrangiert werden.
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7 veranschaulicht ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zur Ausführung eines Wasserstrahlsprühprogramms zum Entfernen einer vorbestimmten Tiefe eines Materials von der Oberfläche eines Herstellungsartikels beschreibt. In Schritt 710 wird der Artikel in eine Wasserstrahlstrippen- und Rekonturierungsvorrichtung geladen. In Schritt 715 wird der Artikel abgetastet, wobei die Abtasteinrichtung entweder ein berührendes oder ein nicht berührendes Abtastwerkzeug sein kann. Ein dreidimensionales Modell für den Artikel wird in Schritt 720 erzeugt. In Schritt 725 wird ermittelt, ob die Form für den Artikel innerhalb einer vorbestimmten Abweichung gegenüber den nominalen Abmessungen für den Artikel liegt. Wenn die Form des Artikels innerhalb einer vorbestimmten Abweichung von den Nominalabmessungen des Artikels liegt, wird der Prozess fortgeführt. Ansonsten, wenn in Schritt 725 die Form nicht innerhalb der vorbestimmten Abweichung liegt, muss anschließend eine andere Rekonturierungsprozedur verwendet werden.
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Die Tiefe einer Beschädigung an der Basisoberfläche wird in Schritt 730 bestimmt. Nachdem die Schadenstiefe ermittelt worden ist, wird ein Rekonturierungsprofil für die Artikel aus dem Satz reduzierter Konturprofile in Schritt 735 ausgewählt. In Schritt 740 wird ein Strahlsprühprogramm zum Abtragen der speziellen Beschichtung an dem Artikel ausgewählt. In Schritt 745 wird ein Strahlsprühprogramm zum Entfernen der speziellen Legierungszusammensetzung der Basis ausgewählt. In Schritt 750 werden die Strahlsprühprogramme zum Entfernen der Beschichtung und des Basismaterials ausgeführt, um die Form des Artikels auf eine vorbestimmte Tiefe zu reduzieren. In Schritt 755 wird der Artikel überprüft. Wenn die Beschichtung und Risse entfernt worden sind, wie dies in Schritt 760 bestimmt wird, kann der Artikel anschließend in Schritt 765 abgetastet werden, um zu bestätigen, dass er innerhalb zulässiger Abmessungen für weiteren Betrieb liegt. Wenn die Abtastung in der Überprüfung nach Schritt 770 anzeigt, dass das Teil innerhalb zulässiger Abmessungen für einen weiteren Betrieb des Teils liegt, wird das Teil in Schritt 775 entnommen, um in den Betrieb zurückgeführt zu werden. Wenn die Beschichtung und Risse nicht entfernt worden sind, wie dies in Schritt 760 festgestellt wird, wird der Artikel in Schritt 715 für eine weitere Konturierung erneut gescannt. Wenn die Überprüfung in Schritt 770 aus den Scannergebnissen anzeigt, dass die Abmessungen unterhalb des zulässigen Minimums liegen, kann das Teil dann nicht erneut verwendet, sondern muss in Schritt 780 weggeworfen werden.
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Diese Erfindung ergibt eine schnellere, qualitativ hochwertigere, kosteneffizientere Weise zur Reparatur von Herstellungsartikeln und insbesondere Gasturbinenleitschaufeln und -laufschaufeln mit Oberflächenrissbildungsproblemen, die mit einer Beschichtung im Zusammenhang stehen. Ein Vorteil dieses Prozesses liegt darin, dass er Risse, die sich in ein Substratmaterial hinein erstrecken, sowie eine nicht instandhaltbare Beschichtung in einem einzelnen Arbeitsgang beseitigt. Die Alternative zu diesem Prozess besteht in einem mechanischen oder chemischen Abstreifen der Beschichtung und einer anschließenden gesonderten Entfernung der Risse entweder durch einen von Hand ausgeführten Ausgleichsprozess oder durch einen automatisierten maschinellen Prozess mit mehreren Arbeitsgängen.
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Während lediglich bestimmte Merkmale der Erfindung hier veranschaulicht und beschrieben sind, werden sich einem Fachmann viele Modifikationen und Veränderungen erschließen. Ferner gilt, dass, obgleich als die Anwendung des Verfahrens beispielhafte Anwendungen für beschichtete Gasturbinenkomponenten angegeben worden sind, das Verfahren allgemein auf beschichtete Herstellungsartikel anwendbar ist. Es ist folglich zu verstehen, dass die beigefügten Ansprüche all derartige Modifikationen und Veränderungen, wie sie in den wahren Rahmen der Erfindung fallen, mit abdecken sollen.
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Bezugszeichenliste
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- 40
- Herstellungsartikel
- 50
- Beschichtung
- 60
- Basismaterial
- 70
- Rekonturierte Fläche
- 100
- Turbinenschaufel
- 110
- Ursprünglicher Formumriss
- 120
- Reduziertes Maßprofil bzw. Formprofil
- 510
- Teil zuführen
- 520
- Teil abtasten
- 530
- 3D-Computermodell erzeugen
- 540
- Modell auf der Basis eines vorbestimmten Satzes reduzierter Maßprofile modifizieren
- 550
- Modifiziertes Modell mit reduziertem Maßprofil analysieren
- 560
- Strahlsprühprogramm für Beschichtung erstellen
- 570
- Strahlsprühprogramm zum Abtragen von Basisflächenmaterial bis zu reduzierter Abmessung erstellen
- 580
- Teil entnehmen
- 610
- Teil zuführen
- 615
- Teil abtasten
- 620
- 3D-Modell erzeugen
- 650
- Tiefe der Basisbeschädigung bestimmen
- 630
- Rekonturierungsprofil aus einem Satz auswählen
- 635
- Strahlsprühprogramm für Beschichtung auswählen
- 640
- Strahlsprühprogramm für Basislegierung auswählen
- 645
- Strahlsprühprogramm ausführen
- 650
- Teil überprüfen
- 655
- Beschichtungs- und Rissbeseitigung überprüfen
- 660
- Abtastung
- 665
- Zulässige Abmessungen überprüfen
- 670
- Teil entnehmen
- 675
- Ausrangieren
- 710
- Teil zuführen
- 715
- Teil abtasten
- 720
- 3D-Computermodell erzeugen
- 725
- Bestimmen, dass der Artikel innerhalb einer vorbestimmten Abweichung von der normalen Form liegt
- 730
- Tiefe der Beschädigung an der Basisfläche bestimmen
- 735
- Von der Basisfläche zu entfernende Materialtiefe festlegen
- 740
- Strahlsprühprogramm für spezielle Beschichtung auswähle
- 745
- Strahlsprühprogramm für spezielle Basislegierung auswählen
- 750
- Strahlsprühprogramme ausführen
- 755
- Teil überprüfen
- 760
- Beschichtungs- und Rissbeseitigung überprüfen
- 765
- Abtastung
- 770
- Zulässige Abmessungen überprüfen
- 775
- Teil entnehmen
- 780
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