DE102008002921A1

DE102008002921A1 - Schweiss-Reparaturverfahren für eine Turbinen-Schaufelspitze

Info

Publication number: DE102008002921A1
Application number: DE102008002921A
Authority: DE
Inventors: Sujith Sathian; Michael Douglas Arnett; Gene A. Murphy
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2007-07-10
Filing date: 2008-06-30
Publication date: 2009-01-15
Also published as: US20090014421A1; CH697660A2; CN101342628A; JP2009018345A

Abstract

Ein Schweißreparatur-Verfahren benutzt einen Gas-Wolfram- oder Plasmalichtbogenschweiß-Brenner und angepasssten Füllstoff. Dem Brenner zugeführte Stromstärke und Wanderungs-Geschwindigkeit des Brenners werden kontrolliert, um eine Schweißraupe mit einer Pilzgestalt zu erzeugen. Die Schweißraupe wird von allen Seiten geschliffen, um mindestens eine Hälfte einer Dicke der Schweißraupe zu entfernen und eine andere Schweißraupe wird gebildet. Die Technik erzeugt rissfreie Schweißstellen mit gerichtet erstarrtem Schweißmetall, das ähnlich dem des Grundmetalls ist und daher vergleichbare mechanische Eigenschaften aufweist.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die Erfindung bezieht sich auf eine Schweißtechnik zum Reparieren einer Turbinen-Schaufelspitze und spezieller auf eine Pilz-Schweißreparaturtechnik zum Reparieren einer gerichtet erstarrten Schaufelspitze der letzten Stufe unter Benutzung eines Gas-Wolfram(GTAW)- oder Plasma(PAW)-Lichtbogenschweißverfahrens mit einem Füllstoffstab angepasster chemischer Zusammensetzung. Die Schweißtechnik kann auch auf andere Schaufeln der letzten Stufe übertragen und leicht von Schweiß-Reparaturbetrieben ausgeführt werden.
Gerichtet erstarrte Schaufeln aus einer als GTD-444 identifizierten Superlegierung, sogenannte DS GTD-444-Schaufeln, werden als Schaufeln der letzten Stufe für Triebwerke hoher Effizienz, wie Triebwerke der General Electric-Modelle FB und H eingesetzt. Die gerichtet erstarrten GTD-444-Schaufeln zeigen typischerweise bessere Kriechbeständigkeits-Eigenschaften. In vielen Fällen erfordern diese Schaufeln eine Reparatur an ihrer Spitze durch Schweißen. Bei neu hergestellten Teilen mag dies am Fehlschleifen/Fehlbearbeiten und bei benutzten Schaufeln am Spitzen-Abrieb oder -Reibungen gegen Wabenstrukturen während des Triebwerksbetriebes liegen.
Es ist bekannt, dass die Schweißbarkeit von GTD-444-Superlegierung außerordentlich dürftig ist, da diese Legierung einen höheren Gehalt an gamma' (etwa 60%) in der Matrix enthält. Das Schweißen erzeugt daher ein unakzeptables Reißen in der hitzebeeinflussten Zone des Grundmetalles und im Schweiß metall. Einige der früheren Schweißreparatur-Versuche unter Benutzung von Füllstoff angepasster chemischer Zusammensetzung erzeugte schwere Risse in der Schweißstelle und der hitzebeeinflussten Zone (HAZ) des Grundmetalles. General Electric-Servicewerkstätten benutzen ein GTAW-Verfahren für Schaufeln, die aus Legierung 738 und gleichachsiger GTD-111 gegossen sind. Derzeit gibt es kein bekanntes Schweißreparatur-Verfahren, um GTD-444-Schaufelspitzen zu reparieren.
Die Konstruktion erfordert, dass die Reparaturschweißung mechanische Eigenschaften ergibt, die an die des Grundmaterials angepasst sind, um eine bessere Leistungsfähigkeit zu erhalten. Angepasste Eigenschaften könnten nur unter Einsatz eines angepassten Füllstoffmaterials, wie Rene 142 oder Rene 108, erzielt werden. Die Empfindlichkeit für Risse nimmt jedoch zu, wenn diese angepassten Füllstoffmaterialien eingesetzt werden. In vielen Fällen erzeugt ein duktiler Füllstoff, wie IN 617 oder IN 625, rissfreie Schweißstellen, doch hat er deutlich schlechtere Eigenschaften und ist so unerwünscht. In allen Fällen besteht das Schweißmetall aus gleichachsig erstarrten Dendriten innerhalb des Schweißmetalles, das schlechtere Schweißeigenschaften aufweist, verglichen mit dem Grundmaterial-Substrat.
Es wäre daher erwünscht, eine) Reparatur-Technik/Verfahren für DS GTD-444-Schaufelspitzen der letzten Stufe zu entwickeln, das rissfreie Schweißstellen unter Anwendung angepasster Grundmaterial-Eigenschaften bei Benutzung eines GTAW-Verfahrens erzeugen würde.
KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
In einer beispielhaften Ausführungsform benutzt ein Schweißreparatur-Verfahren einen Gas-Wolfram(GTAW)- oder Plas malichtbogenschweiß(PAW)-Brenner und angepassten Füllstoff. Das Verfahren schließt die Stufen (a) Kontrollieren einer zugeführten Stromstärke und einer Wanderungs-Geschwindigkeit des Brenners zum Erzeugen einer Schweißraupe mit einer Pilzgestalt; (b) Schleifen der Schweißraupe von allen Seiten zur Entfernung mindestens einer Hälfte einer Dicke der Schweißraupe; (c) Wiederholen der Stufe (a) und (d) Wiederholen der Stufe (b) ein.
In einer anderen beispielhaften Ausführungsform schließt das Verfahren die Stufen (a) Erzeugen einer Erstarrungsfront, die parallel zum Grundmaterial verläuft, mit dem Schweißbrenner und einer geformten Schweißraupe, wobei die geformte Schweißraupe gerichtet erstarrtes Schweißmetall an einem Zentrum einschließt, das von gleichachsiger Struktur umgeben ist; (b) Entfernen im Wesentlichen der gesamten gleichachsigen Struktur; (c) Wiederholen von Stufe (a) und (d) Wiederholen von Stufe (b) und Wiederherstellen des Grundmaterials im Wesentlichen in seinen ursprünglichen Abmessungen, ein.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
1 ist eine schematische Darstellung des Schweißreparaturtechnik-Verfahrens und
2 veranschaulicht das Konzept der Schweißreparatur-Technik.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Das Schweißreparaturtechnik-Verfahren einer beispielhaften Ausführungsform wird unter Bezugnahme auf 1 beschrieben. Eine DS GTD-444-Schaufelspitze wird zuerst in einem Umhüllungsbehälter in einer inerten Gasatmosphäre, wie Argon, Heli um oder Ähnlichem, auf 1000°F vorerhitzt. Typische Heizraten in einem Umhüllungsbehälter betragen 50°F/min von Raumtemperatur bis 1500°F oder 25°F/min bis zu einer Maximaltemperatur von 1900°F. Induktionserhitzen kann auch benutzt werden. Rene 142-Hf-Füllstoffdraht kann ausgewählt werden, die Spitze zu reparieren, da seine chemische Zusammensetzung nahe der des GTD-444-Superlegierungs-Grundmaterials ist. Man bemerke, dass GTD-444-Füllstoffdraht zur Zeit nicht erhältlich ist. Andere geeignete angepasste Schweiß-Füllstoffmaterialien hoher Festigkeit können GTD 111, Rene 80, Rene 108 und Ähnlich einschließen. Ein GTAW-Verfahren oder ein PAW-Verfahren wird für die Schweißreparatur-Technik benutzt.
In einer ersten Stufe werden die Stromstärke und Bewegungsgeschwindigkeit des GTAW-Brenners manuell in einer solchen Weise kontrolliert, dass eine Schweißraupe mit einer „Pilz"-Gestalt erzeugt wird. Wie in 2 gezeigt, ist die Pilzgestalt breiter und länger als die Abmessung der Schaufelspitze, mit Seiten und einem abgerundeten oberen Abschnitt.
Nach dem Schweißen wird die Schweißraupe von allen Seiten geschliffen. Die Menge des entfernten Materials ist etwa eine Hälfte der abgeschiedenen Schweißraupe auf allen Seiten. Ein nachfolgender Durchgang wird auf die geschliffene Oberfläche unter Anwendung der gleichen Schweiß-Parameter geschweißt, um wieder eine „Pilz"-förmige Schweißperle zu erzeugen.
Die Schleifoperation wird nach dem zweiten Schweißdurchgang nochmals ausgeführt und dabei werden der Spitze ihre ursprünglichen Abmessungen wiedergegeben. Die endgültige Reparaturschweißstelle ist in 1 gezeigt.
Die Idee der Aufrechterhaltung der Pilz-Schweißgestalt ist es, eine Erstarrungsfront zu erzeugen, die parallel zur Schau felspitze verläuft. Dies erzeugt gerichtet erstarrte Körner, deren Keimbildung von der Spitze ausgeht und die sich zur Schweißraupen-Oberfläche hin ausbreiten. Es ist schwierig, die Erstarrungsfront im Schweißmetall zu kontrollieren, da das Schweißen ein nicht im Gleichgewicht verlaufender Prozess ist. Nach etwas anfänglichem gerichtet erstarrtem Kornwachstum beim ersten Schweißdurchgang nimmt daher der thermische Gradient des Schweißbades mit zunehmendem Abstand von der Schweiß-Schmelzlinie ab, was zu einer Keimbildung gleichachsiger Körner innerhalb der äußeren Schicht des Schweißmetalles führt. Die Endstruktur schließt gerichtet erstarrtes Schweißmetall am Zentrum ein, umgeben von gleichachsiger Struktur. Dies kann in einem Quer-Makroabschnitt der Schweißstelle gesehen werden.
Es wird darauf hingewiesen, dass das Auftreten von Rissen hauptsächlich in der gleichachsigen Struktur im Schweißmetall stattfindet, die somit sehr nachteilig für die Schweißbarkeit ist. Das Entfernen der Hälfte der Schweißraupe durch Schleifen vor jedem nachfolgenden Durchgang entfernt fast die gesamten gleichachsigen Körner, die durch die Schweißoperation erzeugt wurden. Das gleiche Verfahren wird für ein Schweißen mit mehreren Durchgängen wiederholt. Diese Technik erzeugt Schweißmetall mit einer gerichtet erstarrten Struktur, die frei von Rissen ist.
Beispielhafte Schweiß-Parameter, die für ein Testschweißen der Schaufel benutzt wurden, sind unten aufgeführt:
Strom: 22–30 A
Spannung: 10–12 V, wie erforderlich, um eine geschmolzene Front der Raupe aufrechtzuerhalten
Ar-Strömungsrate (Umhüllung): 250–300 SCFH (Standardkubikfuß/Stunde), wie erforderlich, um die Oxidation der Schweißraupe zu vermeiden
Füllstoffdraht-Durchmesser: 0,045''–0,062''
Vorsichtsmaßnahmen: Der Aufbau der „Pilz"-Raupe zu Beginn des Durchgangs muss langsam erfolgen, um ein zu starkes Schmelzen des Grundmaterials zu vermeiden oder unter Einsatz eines Start-Streifens. Zusätzliches Füllstoffmaterial oder Stop-Streifen könnte benutzt werden, um Kraterrisse am Ende der Schweißraupe zu vermeiden.
Unter Anwendung der hierin benutzten Schweißreparatur-Technik kann eine Schaufelspitze der letzten Stufe aus DS GTD-444-Superlegierung unter Einsatz eines GTAW- oder PAW-Schweißverfahrens repariert werden. Das Verfahren erzeugt eine Schweißstelle, die in der Schweißstelle, dem Grundmaterial und der hitzebeeinflussten Zone rissfrei ist. Zusätzlich benutzt die Technik Füllstoff angepasster chemischer Zusammensetzung, der ähnliche mechanische Eigenschaften wie das Grundmaterial aufweist. Die resultierende Schweißstelle schließt gerichtet erstarrtes Schweißmetall ein, das ähnlich dem gerichtet erstarrten Grundmaterial ist, was zu einer sicheren Schweißstelle führt, die weniger empfindlich für Risse ist. Die Schweißtechnik kann auch auf andere Schaufeln der letzten Stufe übertragen werden und sie kann leicht von Schweiß-Reparaturwerkstätten ausgeführt werden.

Nominale chemische Zusammensetzungen der identifizierten Superlegierungen auf Ni-Basis sind in Tabelle 1 angegeben. Tabelle 1

	GTD 111	GTD 444	Rene 108	Rene 80	Rene 142-Hf
	Legierung A	Legierung B	Legierung C	Legierung D	Legierung E
	Mittel	Mittel	Mittel	Mittel	Mittel
Co	9,50	7,50	9,50	9,50	12,00
Cr	14,00	9,75	8,35	14,00	6,80
Al	3,00	4,20	5,50	3,00	6,10
Ti	4,90	3,50	0,75	5,00
Mo	1,55	1,50	0,50	4,00	1,50
Ta	2,75	4,80	3,05		6,30
W	3,80	6,00	9,50	4,00	4,90
Nb		0,50
Re					2,80
Hf		0,15	1,50
C	0,100	0,08	0,085	0,17	0,12
B	0,013	0,00925	0,015	0,015	0,015
Zr			0,0125
Ni	60,4	62,01	61,24	60,32	57,97

Während die Erfindung in Verbindung damit beschrieben wurde, was derzeit als die praktischsten und bevorzugtesten Ausführungsformen angesehen wird, sollte klar sein, dass die Erfindung nicht auf die offenbarten Ausführungsformen beschränkt ist, sondern, im Gegenteil, verschiedene Modifikationen und äquivalente Anordnungen umfassen soll, die in den Geist und Umfang der beigefügten Ansprüche fallen.
Ein Schweißreparatur-Verfahren benutzt einen Gas-Wolfram- oder Plasmalichtbogenschweiß-Brenner und angepassten Fullstoff. Dem Brenner zugeführte Stromstärke und Wanderungs-Geschwindigkeit des Brenners werden kontrolliert, um eine Schweißraupe mit einer Pilzgestalt zu erzeugen. Die Schweißraupe wird von allen Seiten geschliffen, um mindestens eine Hälfte einer Dicke der Schweißraupe zu entfernen und eine andere Schweißraupe wird gebildet. Die Technik erzeugt rissfreie Schweißstellen mit gerichtet erstarrtem Schweißmetall, das ähnlich dem des Grundmetalles ist und daher vergleichbare mechanische Eigenschaften aufweist.

Claims

Schweißreparatur-Verfahren unter Benutzung eines Gas-Wolfram(GTAW)- oder Plasmabogenschweiß(PAW)-Brenners und angepassten Füllstoffes, wobei das Verfahren umfasst: (a) Kontrollieren der zugeführten Stromstärke und der Wanderungs-Geschwindigkeit des Brenners zur Erzeugung einer Schweißraupe mit einer Pilzgestalt; (b) Schleifen der Schweißraupe von allen Seiten, um mindestens eine Hälfte einer Dicke der Schweißraupe zu entfernen; (c) Wiederholen von Stufe (a) und (d) Wiederholen von Stufe (b).
Verfahren nach Anspruch 1, weiter umfassend, vor Stufe (c), Wiederholen von Stufe (a) und Wiederholen von Stufe (b).
Verfahren nach Anspruch 1, worin das Schweißreparatur-Verfahren für eine Turbinen-Schaufelspitze benutzt wird, und worin das Verfahren weiter, vor Stufe (a), das Vorerhitzen der Schaufelspitze umfasst.
Verfahren nach Anspruch 3, worin die Vorerhitzungsstufe in einer Atmosphäre aus Inertgas ausgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, worin das Inertgas eines von Argon und Helium ist.
Verfahren nach Anspruch 1, worin das Schweißreparatur-Verfahren für eine Turbinen-Schaufelspitze benutzt wird, wobei die Turbinen-Schaufelspitze aus einer gerichtet erstarrten Superlegierung gebildet ist und worin Stufe (a) unter Einsatz eines geeigneten Füllstoffdrahtes ausgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, worin der Füllstoffdraht Füllstoffdraht aus Legierung E umfasst.
Verfahren nach Anspruch 6, worin der Füllstoffdraht eine von Legierung A, Legierung C und Legierung D umfasst.
Schweißreparatur-Verfahren für ein Grundmaterial unter Anwendung eines Gas-Wolfram(GTAW)- oder Plasmalichtbogenschweiß(PAW)-Brenners und eines passenden Füllstoffes, wobei das Verfahren umfasst: (a) Erzeugen einer Erstarrungsfront, die parallel zum Grundmaterial verläuft, mit dem Schweißbrenner und einer geformten Schweißraupe, wobei die geformte Schweißraupe gerichtet erstarrtes Schweißmetall am Zentrum einschließt, umgeben von gleichachsiger Struktur; (b) Entfernen im Wesentlichen der gesamten gleichachsigen Struktur; (c) Wiederholen von Stufe (a), und (d) Wiederholen von Stufe (b) und Wiederherstellen des Grundmaterials im Wesentlichen in seinen ursprünglichen Abmessungen.
Verfahren nach Anspruch 9, worin Stufe (a) derart ausgeführt wird, dass die geformte Schweißraupe in einer Pilzgestalt geformt wird.