DE102008056336A1

DE102008056336A1 - Reparaturverfahren

Info

Publication number: DE102008056336A1
Application number: DE102008056336A
Authority: DE
Inventors: Erwin Dr. Bayer; Karl-Heinz Dr. Dusel; Roland Huttner; Albin Platz
Original assignee: MTU Aero Engines GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines AG
Priority date: 2008-11-07
Filing date: 2008-11-07
Publication date: 2010-05-12
Also published as: WO2010051799A2; US20110217457A1; EP2355947A2; WO2010051799A3; US8708682B2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Reparaturverfahren für Gasturbinenbauteile, insbesondere für Gasturbinenschaufeln, mit zumindest folgenden Schritten: a) Bereitstellen eines zu reparierenden Gasturbinenbauteils; b) Entfernen eines beschädigten Abschnitts von dem zu reparierenden Gasturbinenbauteil unter Ausbildung einer ebenen Trennfläche; c) zumindest bereichsweise Anordnen des zu reparierenden Gasturbinenbauteils in einer Prozesskammer, derart, dass die ebene Trennfläche innerhalb der Prozesskammer in etwa horizontal verläuft; d) Befüllen der Prozesskammer mit einem zum Werkstoff des zu reparierenden Gasturbinenbauteils verbindungskompatiblen Metallpulver, nämlich bis zum Niveau der Trennfläche; e) Aufbauen des entfernten Abschnitts auf der Trennfläche durch schichtweises Auftragen von Metallpulver auf die Trennfläche und durch Verschmelzen des schichtweise auf die Trennfläche aufgetragenen Metallpulvers mit der Trennfläche.

Description

Die Erfindung betrifft ein Reparaturverfahren für Gasturbinenbauteile, insbesondere für Gasturbinenschaufeln. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Prozesskammer für das erfindungsgemäße Reparaturverfahren.
Gasturbinenbauteile wie zum Beispiel Gasturbinenschaufeln eines integral beschaufelten Gasturbinenrotors unterliegen während des Betriebs einem Verschleiß. Durch den Verschleiß kann es erforderlich werden, die Gasturbinenbauteile nach Beschädigung dadurch zu reparieren, dass beschädigte Abschnitte der Gasturbinenbauteile von denselben entfernt sowie nach dem Entfernen der beschädigten Abschnitte dieselben erneuert werden.
So sind zum Beispiel die rotorseitigen Laufschaufeln integral beschaufelter Gasturbinenrotoren während des Betriebs einem Verschleiß insbesondere durch Oxidation, Korrosion, Erosion sowie Vogelschlag oder auch Hagelschlag ausgesetzt, sodass beschädigte Abschnitte derselben entfernt sowie nach dem Entfernen erneuert werden müssen. Auch statorseitige Bauteile wie zum Beispiel Leitschaufeln oder Gehäusestrukturen unterliegen einem Verschleiß, der eine Reparatur derselben erforderlich machen kann.
Aus der DE 3909733 A1 ist ein Verfahren zum Reparieren von zum Beispiel integral beschaufelten Gasturbinenrotoren bekannt, bei welchem ein beschädigter Abschnitt der zu reparierenden Gasturbinenschaufel entfernt und nach dem Entfernen derselbe durch Anschweißen eines Ersatzteils erneuert wird. Hierbei kommt vorzugsweise induktives Pressschweißen zum Einsatz.
Aus der Praxis ist es ferner bekannt, z. B. Laufschaufeln eines Gasturbinenrotors dadurch zu reparieren, dass nach dem Entfernen eines beschädigten Abschnitts von der Laufschaufel derselbe durch Laserpulverauftragsschweißen erneuert wird. Bei der Reparatur über Laserpulverauftragsschweißen bereitet jedoch die Gewährleistung einer ausreichenden Konturgenauigkeit Schwierigkeiten.
Es besteht daher Bedarf an einem Verfahren zum Reparieren von Gasturbinenbauteilen, mit welchem unter Gewährleistung einer hohen Konturgenauigkeit eine Reparatur möglich ist.
Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung das Problem zu Grunde ein neuartiges Reparaturverfahren für Gasturbinenbauteile, insbesondere für Gasturbinenschaufeln, zu schaffen.
Dieses Problem wird durch ein Reparaturverfahren gemäß Anspruch 1 gelöst. Erfindungsgemäß umfasst das Reparaturverfahren für Gasturbinenbauteile, insbesondere für Gasturbinenschaufeln, zumindest die folgenden Schritte:
a) Bereitstellen eines zu reparierenden Gasturbinenbauteils; b) Entfernen eines beschädigten Abschnitts von dem zu reparierenden Gasturbinenbauteil unter Ausbildung einer ebenen Trennfläche; c) zumindest bereichsweise Anordnen des zu reparierenden Gasturbinenbauteils in einer Prozesskammer, derart, dass die ebene Trennfläche innerhalb der Prozesskammer in etwa horizontal verläuft; d) Befüllen der Prozesskammer mit einem zum Werkstoff des zu reparierenden Gasturbinenbauteils verbindungskompatiblen Metallpulver, nämlich bis zum Niveau der Trennfläche; e) Aufbauen des entfernten Abschnitts auf der Trennfläche durch schichtweise Auftragen von Metallpulver auf die Trennfläche und durch Verschmelzen des schichtweise auf die Trennfläche aufgetragenen Metallpulvers mit der Trennfläche.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann eine Reparatur von Gasturbinenbauteilen unter Gewährleistung einer hohen Konturgenauigkeit realisiert werden. Ein von einem zu reparierenden Gasturbinenbauteil entfernter, beschädigter Abschnitt kann mit geringstem Aufmaß erneuert werden. Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass eine hohe Qualität des sich ausbildenden Werkstoffgefüges gewährleistet werden kann. Das erfindungsgemäße Verfahren ist automatisierbar und ermöglicht daher eine gute Reproduzierbarkeit. Ferner erlaubt das Verfahren im Vergleich zu anderen Reparaturverfahren eine kostengünstige Reparatur von Gasturbinenbauteilen.
Eine erfindungsgemäße Prozesskammer ist in Anspruch 8 definiert.
Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. Ausführungsbeispiele der Erfindung werden, ohne hierauf beschränkt zu sein, an Hand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:
1: eine Darstellung zur Verdeutlichung des erfindungsgemäßen Verfahrens und einer erfindungsgemäßen Prozesskammer bei der Reparatur eines integral beschaufelten Gasturbinenrotors;
2: einen Längsschnitt durch die Anordnung der 1; und
3: einen Querschnitt durch die Anordnung der 1.
Die Erfindung betrifft ein Reparaturverfahren für Gasturbinenbauteile, insbesondere für Gasturbinenschaufeln. Besonders eignet sich das Verfah ren zur Reparatur von Gasturbinenschaufeln eines integral beschaufelten Gasturbinenrotors sowie zur Reparatur komplexer Gehäusestrukturen einer Gasturbine.
In einem ersten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein zu reparierendes Gasturbinebauteil bereitgestellt. Nachfolgend wird in einem zweiten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens vom zu reparierenden Gasturbinenbauteil ein beschädigter Abschnitt entfernt, nämlich unter Ausbildung einer in etwa ebenen Trennfläche.
Nach dem Abtrennen des beschädigten Abschnitts vom zu reparierenden Bauteil unter Ausbildung der ebenen Trennfläche wird das zu reparierende Gasturbinebauteil zumindest abschnittsweise in einem dritten Schritt in einer Prozesskammer positioniert, nämlich derart, dass die ebene Trennfläche in etwa horizontal ausgerichtet ist bzw. verläuft.
Darauffolgend wird in einem vierten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens die Prozesskammer mit Metallpulver befüllt, wobei das Metallpulver zum Werkstoff des zu reparierenden Gasturbinebauteils verbindungskompatibel ist. Dieses Befüllen der Prozesskammer mit dem Metallpulver erfolgt bis zum Niveau der Trennfläche, also bis zum Erreichen von Kanten der Trennfläche.
Darauffolgend kann in einem fünften Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens die Prozesskammer evakuiert oder mit Schutzgas bzw. Inertgas geflutet werden.
Anschließend an das Evakuieren bzw. Fluten der Prozesskammer mit Inertgas wird in einem sechsten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens der vom Gasturbinebauteil entfernte Abschnitt auf der Trennfläche neu aufgebaut, nämlich durch schichtweise Auftragen von Metallpulver auf die Trennfläche und durch Verschmelzen des schichtweise auf die Trennfläche aufgetragenen Metallpulvers mit der Trennfläche.
Dieses schichtweise Auftragen von Metallpulver und Verschmelzen desselben mit der Trennfläche erfolgt in mehreren Schritten, bis der entfernte Abschnitt neu aufgebaut worden ist. Das Verschmelzen des schichtweise aufgetragenen Metallpulvers mit der Trennfläche erfolgt unter Verwendung einer thermischen Energiequelle, insbesondere unter Verwendung eines Lasers oder eines Elektronenstrahls.
Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt ein konturgenaues Aufbauen des entfernten, beschädigten Abschnitts auf der Trennfläche mit geringstem Aufmaß. Es bildet sich eine hohe Qualität des Werkstoffgefüges aus.
Anschließend an das Aufbauen des entfernten Abschnitts kann ein Glätten des neu aufgebauten Abschnitts erfolgen, umso die Originalkontur am reparierten Gasturbinenbauteil auszubilden.
Das erfindungsgemäße Reparaturverfahren eignet sich insbesondere zur Reparatur von Gasturbinenschaufeln wie z. B. rotorseitigen Laufschaufeln oder statorseitigen Leitschaufeln.
Vorzugsweise findet das erfindungsgemäße Reparaturverfahren bei der Reparatur von Laufschaufeln eines integral beschaufelten Gasturbinenrotors Verwendung. Auch können Gehäusestrukturen mit dem erfindungsgemäßen Verfahren repariert werden.
1 bis 3 verdeutlichen die Erfindung für den bevorzugten Anwendungsfall bei der Reparatur eines integral beschaufelten Gasturbinenrotors 10 im Bereich einer Laufschaufel 11 desselben. Nach dem Entfernen eines beschädigten Abschnitts von der Laufschaufel 11 wird, wie insbesondere 2 und 3 entnommen werden kann, ein Anbindungsabschnitt 19 der Laufschaufel 11 in einer Prozesskammer 12 angeordnet, wobei der Anbindungsabschnitt 19 der Laufschaufel 11 über eine Einführöffnung der Prozesskammer 12 derart in einen Aufnahmeraum 13 der Prozesskammer 12 eingeführt wird, dass eine Trennfläche 20 der Laufschaufel 11 innerhalb der Prozesskammer 12 bzw. innerhalb des Aufnahmeraums 13 derselben horizontal verläuft.
Der Einführöffnung der Prozesskammer 12 ist dabei gemäß 2 und 3 eine Dichteinrichtung 14 zugeordnet, um den Anbindungsabschnitt 19 der Laufschaufel 11, der über die Einführöffnung der Prozesskammer 12 in den Aufnahmeraum 13 derselben eingeführt ist, gegenüber der Einführöffnung abzudichten.
Zur Erneuerung der beschädigten Laufschaufel 11 ist über eine Einfüllöffnung 18 der Prozesskammer 12 in dieselbe Metallpulver einführbar und auf der Trennfläche 20 der Laufschaufel 11 positionierbar, wobei mit Hilfe eines translatorisch verschiebbaren Schiebers 15 der Prozesskammer 12 das auf die Trennfläche 20 der Laufschaufel 11 aufgetragene Metallpulver vergleichmäßigt werden kann. Alternativ kann durch Verfahren der Prozesskammer oder Volumenverringerung das in der Prozesskammer befindliche Pulver für den Schichtauftrag verwendet werden.
Durch Verschieben des Schiebers 15 in Richtung des in 2 gezeigten Doppelpfeils kann auf die Trennfläche 20 der Laufschaufel 11 überschüssig aufgetragenes Metallpulver von der Trennfläche 20 abgeschoben werden. Mit Hilfe des Schiebers 15 ist es möglich, auf der Trennfläche 20 eine exakt definierte Schicht von Metallpulver bereitzustellen, und zwar bevor das Metallpulver mit dem Werkstoff der zu reparierenden Laufschaufel 11 verschmolzen wird.
Mit Hilfe des Schiebers 15 von der Trennfläche 20 der Laufschaufel 11 überschüssig abgeschobenes Metallpulver kann in einem Überlaufbereich 16 der Prozesskammer 12 gesammelt und über eine dem Überlaufbereich 16 zugeordnete Ausnehmung 17 aus dem Überlaufbereich 16 entfernt werden.
Mit der in 1 bis 3 dargestellten erfindungsgemäßen Prozesskammer 12 kann das erfindungsgemäße Verfahren bei der Reparatur von integral beschaufelten Gasturbinenrotoren besonders bevorzugt ausgeführt werden. Die Prozesskammer 12 zeichnet sich durch eine kleine, kompakte Bauweise aus, wodurch es möglich ist, eine beschädigte Laufschaufel eines integral beschaufelten Gasturbinenrotors selektiv und sicher zu reparieren. Über die vorzugsweise elastische Dichteinrichtung 14 kann der in die Prozesskammer 12 eingeführte Anbindungsabschnitt 19 der Laufschaufel 11 abgedichtet werden.
Der Schieber 15 dient der Vergleichmäßigung des auf die Trennfläche 20 des Anbindungsabschnitts 19 der Laufschaufel 11 aufgetragenen Metallpulvers und auch der Vergleichmäßigung einer Oberfläche eines im Aufnahmeraum 13 positionierten Pulverbetts 21. Mit der Prozesskammer 12 kann ein von der beschädigten Laufschaufel 11 entfernter Abschnitt schichtweise bzw. lagenweise erneuert werden, wobei hierzu die Prozesskammer 12 gegenüber der Laufschaufel 11 im μm-Bereich relativ verlagerbar ist. Eine Möglichkeit, diese Relativbewegung zwischen der Prozesskammer 12 und der Laufschaufel 11 zu realisieren, sind z. B. Piezoaktuatoren.
In 1 bis 3 sind eine Dosiereinrichtung, mit Hilfe derer das Metallpulver über die Einführöffnung 18 in den Aufnahmeraum 13 der Prozesskammer 12 eingeführt werden kann, sowie eine Strahlquelle, die dem Verschmelzen des Metallpulvers mit dem Werkstoff der zu reparierenden Laufschaufel 11 dient, nicht gezeigt.
Mit der erfindungsgemäßen Prozesskammer 12 kann, wie bereits erwähnt, insbesondere eine Laufschaufel 11 eines integral beschaufelten Gasturbi nenrotors 10 selektiv erneuert werden. Hierzu muss nicht der gesamte integral beschaufelte Gasturbinenrotor 10 in einer Prozesskammer positioniert werden, vielmehr wird nur die beschädigte und zu erneuernde Laufschaufel 11 in der Prozesskammer 12 angeordnet. Hierdurch wird ein lokales Pulverbett zur selektiven Erneuerung der Laufschaufel 11 eines integral beschaufelten Gasturbinenrotors 10 bereitgestellt. Störkonturen, wie z. B. gegenüber der Trennfläche 20 der beschädigten Laufschaufel 11 vorstehende, benachbarte Laufschaufeln behindern dabei nicht das Reparieren der beschädigten Laufschaufel 11.
Nach dem Auftragen einer definierten Pulverschicht auf die Trennfläche 20 der Laufschaufel 11 und nach dem Verschmelzen dieser Pulverschicht mit der Laufschaufel 11 wird über eine Relativbewegung zwischen Prozesskammer 12 und Gasturbinenrotor 10 die Trennfläche 20 innerhalb der Prozesskammer 12 neu ausgerichtet, wobei anschließend neues Metallpulver über die Einführöffnung 18 der Prozesskammer in dieselbe eingeführt wird, um die Pulverschicht auf der Trennfläche 20 der Laufschaufel 11 erneuern. Über den Schieber 15 wird das auf der Trennfläche 20 der zu reparierenden Laufschaufel 11 aufgetragene Metallpulver wiederum vergleichmäßigt, um dann eine neue Schicht auf dem Anbindungsbereich der Laufschaufel 11 aufzubauen. Diese Relativbewegung sowie das schichtweise Aufbauen der zu reparierenden Laufschaufel 11 erfolgt im μm-Bereich.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 3909733 A1 [0004]

Claims

Reparaturverfahren für Gasturbinenbauteile, insbesondere für Gasturbinenschaufeln, mit zumindest folgenden Schritten: a) Bereitstellen eines zu reparierenden Gasturbinenbauteils; b) Entfernen eines beschädigten Abschnitts von dem zu reparierenden Gasturbinenbauteil unter Ausbildung einer ebenen Trennfläche; c) zumindest bereichsweise Anordnen des zu reparierenden Gasturbinenbauteils in einer Prozesskammer, derart, dass die ebene Trennfläche innerhalb der Prozesskammer in etwa horizontal verläuft; d) Befüllen der Prozesskammer mit einem zum Werkstoff des zu reparierenden Gasturbinenbauteils verbindungskompatiblen Metallpulver, nämlich bis zum Niveau der Trennfläche; e) Aufbauen des entfernten Abschnitts auf der Trennfläche durch schichtweises Auftragen von Metallpulver auf die Trennfläche und durch Verschmelzen des schichtweise auf die Trennfläche aufgetragenen Metallpulvers mit der Trennfläche.
Reparaturverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verschmelzen des Metallpulvers mit der Trennfläche unter Verwendung einer thermischen Energiequelle erfolgt, vorzugsweise nach Evakuieren der Prozesskammer oder Fluten derselben mit Inertgas.
Reparaturverfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass als thermische Energiequelle ein Laser oder ein EB-Strahl verwendet wird.
Reparaturverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Gasturbinenbauteil eine Laufschaufel eines integral beschaufelten Gasturbinenrotors repariert wird.
Reparaturverfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass hierbei eine Prozesskammer im Sinne eines der Ansprüche 8 bis 12 verwendet wird.
Reparaturverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Gasturbinenbauteil eine Leitschaufel oder eine Laufschaufel repariert wird.
Reparaturverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Gasturbinenbauteil eine Gehäusestruktur repariert wird.
Prozesskammer, insbesondere zur Durchführung des Reparaturverfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7 bei der Reparatur einer Laufschaufel eines integral beschaufelten Gasturbinenrotors, mit einer Einführöffnung, um einen die Trennfläche aufweisenden Abschnitt eines zu reparierenden Gasturbinenbauteils in die Prozesskammer einführen, wobei der Einführöffnung eine Dichteinrichtung (14) zugeordnet ist, die den Abschnitt des Gasturbinenbauteils gegenüber der Einführöffnung abdichtet, und mit einem in die Prozesskammer hineinragenden und senkrecht zur Trennfläche verschiebbaren Schieber (15), um auf die Trennfläche aufgetragenes Metallpulver zu vergleichmäßigen und so auf der Trennfläche vor dem Verschmelzen des Metallpulvers mit dem Werkstoff des zu reparierenden Gasturbinenbauteils eine definierte, gleichmäßige Metallpulverschicht bereitzustellen.
Prozesskammer nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass dieselbe gegenüber dem zu reparierenden Gasturbinenbauteil relativ verlagerbar ist.
Prozesskammer nach Anspruch 8 oder 9, gekennzeichnet durch eine Einfüllöffnung (18) für das auf die Trennfläche aufzutragende Metallpulver.
Prozesskammer nach einem der Ansprüche 8 bis 10, gekennzeichnet durch einen Überlaufbereich (16) für auf die Trennfläche überschüssig aufgetragenes und mit dem Schieber (15) von der Trennfläche abgeschobenes Metallpulver.