DE102008058613A1

DE102008058613A1 - Verfahren zum Herstellen oder Reparieren von Gasturbinenbauteilen

Info

Publication number: DE102008058613A1
Application number: DE102008058613A
Authority: DE
Inventors: Erwin Dr. Bayer; Karl-Heinz Dr. Dusel; Roland Huttner
Original assignee: MTU Aero Engines GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines AG
Priority date: 2008-11-22
Filing date: 2008-11-22
Publication date: 2010-05-27
Also published as: WO2010057469A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen oder Reparieren von Gasturbinenbauteilen zum Herstellen oder Reparieren von Gasturbinenbauteilen mit zumindest folgenden Schritten: a) Bereitstellen eines Grundkörpers, wobei auf dem Grundkörper entweder ein neu zu fertigendes Bauteil aufgebaut wird oder ein vorab entfernter, beschädigter Abschnitt eines Bauteils erneuert wird; b) Aufbauen des neu zu fertigenden Bauteils oder des entfernten Abschnitts auf dem Grundkörper durch schichtweises Auftragen von Werkstoff auf dem Grundkörper, wobei hierzu auf dem Grundkörper schichtweise bzw. lagenweise eine Folie angeordnet wird, und wobei die Folie und/oder ein auf der Folie angeordneter Werkstoff mit dem Grundkörper verbunden wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen oder Reparieren von Gasturbinenbauteilen.
Moderne Gasturbinen, insbesondere Flugtriebwerke, müssen höchsten Ansprüchen im Hinblick auf Zuverlässigkeit, Gewicht, Leistung, Wirtschaftlichkeit und Lebensdauer gerecht werden. Bei der Entwicklung von Gasturbinen spielt die Werkstoffauswahl, die Suche nach neuen, geeigneten Werkstoffen sowie die Suche nach neuen Fertigungsverfahren und Reparaturverfahren eine entscheidende Rolle.
Aus der Praxis ist es bereits bekannt, Gasturbinenbauteile generativ über Rapid-Manufacturing-Verfahren herzustellen, wobei der generative Aufbau von Gasturbinenbauteilen mit Hilfe von Rapid-Manufacturing-Verfahren an die Pulvertechnologie gebunden ist. Hierbei wird nach der Praxis ein Grundkörper in einer Prozesskammer angeordnet, wobei ein pulverförmiger Werkstoff mit dem Grundkörper zum generativen Aufbau des Gasturbinenbauteils verbunden wird. Da die freie Oberfläche des Pulvers relativ groß ist, bereitet es Schwierigkeiten, beim Aufbau des Gasturbinenbauteils dasselbe vor Kontaminationen zu schützen. Ein generativer Aufbau von Gasturbinenbauteilen im Pulverbett ist daher bedingt durch die Kontaminationsanfälligkeit nur erschwert möglich. Es besteht daher ein Bedarf an einem Verfahren zum Herstellen oder Reparieren von Gasturbinenbauteilen, bei welchem die Kontaminationsgefahr verringert ist.
Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung das Problem zu Grunde ein neuartiges Verfahren zum Herstellen oder Reparieren von Gasturbinenbauteilen zu schaffen. Dieses Problem wird durch ein Verfahren zum Herstellen oder Reparieren von Gasturbinenbauteilen gemäß Anspruch 1 gelöst. Erfindungsgemäß umfasst das Verfahren zum Herstellen oder Reparieren von Gasturbinenbauteilen zumindest die folgenden Schritte: a) Bereitstellen eines Grundkörpers, wobei auf dem Grundkörper entweder ein neu zu fertigendes Bauteil aufgebaut wird oder ein vorab entfernter, beschädigter Abschnitt eines Bauteils erneuert wird; b) Aufbauen des neu zu fertigenden Bauteils oder des entfernten Abschnitts auf dem Grundkörper durch schichtweises Auftragen von Werkstoff auf dem Grundkörper, wobei hierzu auf dem Grundkörper schichtweise bzw. lagenweise eine Folie angeordnet wird, und wobei die Folie und/oder ein auf der Folie angeordneter Werkstoff mit dem Grundkörper verbunden wird.
Mit der hier vorliegenden Erfindung wird ein generativer Aufbau von Gasturbinenbauteilen bei der Herstellung oder Reparatur derselben unter Verwendung einer Folie vorgeschlagen, welche den generativen Aufbau im Pulverbett unter Verwendung einer Pulverschüttung ersetzen kann, wodurch die freie Oberfläche des aufzubauenden Werkstoffs deutlich verringert werden kann. Daher wird auch die Kontaminationsgefahr des Werkstoffs beim Aufbauen von Gasturbinenbauteilen deutlich reduziert. Hierdurch ist eine Qualitätssteigerung bei der Herstellung oder Reparatur von Gasturbinenbauteilen möglich.
Beim Verbinden der Folie mit dem Grundkörper wird ein Werkstoff der Folie und/oder ein auf der Folie angeordneter Werkstoff mit dem Werkstoff des Grundkörpers verbunden.
So ist es zum Beispiel möglich, eine Folie aus einem metallischen Werkstoff oder aus einem keramischen Werkstoff bereitzustellen und den metallischen Werkstoff oder den keramischen Werkstoff mit dem Grundkörper zu verbinden.
Weiterhin ist es möglich, dass auf eine Folie aus einem organischen Trägerwerkstoff metallische Werkstoffpartikel oder keramische Werkstoffpartikel fixiert sind, und dass der organische Trägerwerkstoff beim Verbinden dieser metallischen Werkstoffpartikel oder keramischen Werkstoffpartikel mit dem Grundkörper sublimiert.
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 einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens;
2: eine Darstellung zur Verdeutlichung einer weiteren Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens;
3: eine Darstellung zur Verdeutlichung einer weiteren Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens; und
4: ein Detail der Darstellung der 3.
Die hier vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen oder Reparieren von Gasturbinenbauteilen.
In einem ersten Schritt des Verfahrens wird ein Grundkörper bereitgestellt, wobei auf dem Grundkörper beim Herstellen eines neuen Gasturbinenbauteils das neu zu fertigende Bauteil aufgebaut oder beim Reparieren eines Gasturbinenbauteils ein vorab von demselben entfernter, beschädigter Abschnitt erneuert wird. Der Grundkörper verfügt dabei vorzugsweise über eine in etwa ebene Anbindungsfläche, um das neu zu fertigende Bauteil aufzubauen oder den beschädigten Abschnitt zu erneuern.
Der Grundkörper kann in einem zweiten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens zumindest abschnittsweise in einer Prozesskammer angeordnet werden, wobei die Prozesskammer zum Aufbauen des neu zu fertigenden Bauteils oder des entfernten Beschädigtenabschnitts evakuiert oder mit Inertgas geflutet wird. Das Anordnen des Grundkörpers in der Prozesskammer ist optional und erfolgt werkstoffabhängig. Bei keramischen Werkstoffen ist das Anordnen des Grundkörpers in der Prozesskammer nicht erforderlich.
In einem dritten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das neu zu fertigende Bauteil oder der entfernte, beschädigte Abschnitt auf dem Grundkörper durch schichtweises Auftragen von Werkstoff aufgebaut, wobei hierzu auf den Grundkörper schichtweise bzw. lagenweise eine Folie gespannt und mit dem Grundkörper thermisch verbunden wird. Der generative Aufbau des Gasturbinenbauteils beim Herstellen oder Reparieren desselben erfolgt demnach erfindungsgemäß unter Verwendung einer Folie. Beim Aufbauen des Gasturbinenbauteils wird nach dem Verbinden einer Schicht bzw. Lage der Folie mit dem Grundkörper die Position der Folie um eine Schicht bzw. Lage angehoben oder die Position des Grundkörpers um eine Schicht bzw. Lage abgesenkt, wobei darauffolgend die nächste Schicht bzw. Lage der Folie auf dem Grundkörper gespannt und mit demselben verbunden wird. Gegebenenfalls werden zwischen den einzelnen Teilschritten des schichtweisen bzw. lagenweisen Aufbauens des herzustellenden oder zu reparierenden Gasturbinenbauteils Überstände der Folie vom Grundkörper entfernt.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren kann die Dicke der Folie beliebig gewählt und genau eingestellt werden. Weiterhin kann eine nahezu beliebige Materialzusammensetzung der Folie gewählt werden, z. B. kann die Folie aus einem Meltspinning-Werkstoff bestehen. Die Zusammensetzung der verwendeten Folie kann durch einen vorgeschalteten Prozess modifiziert werden, indem z. B. artfremde Werkstoffe in die Folie eingefügt werden oder indem z. B. die Folie lokal beschichtet wird. Vor dem Fügen der Folie kann dieselbe hinsichtlich ihrer Struktur und Zusammensetzung einer Prüfung unterzogen werden.
Das schichtweise bzw. lagenweise Verbinden der Folie mit dem Grundkörper erfolgt vorzugsweise thermisch. So ist es z. B. möglich, dass eine thermische Energiequelle punktförmig bzw. abschnittsweise auf jede Lage bzw. Schicht der Folie einwirkt, um so jede Lage bzw. Schicht der Folie in mehreren Schritten abschnittsweise nacheinander mit dem Grundkörper zu verbinden. Dabei findet vorzugsweise als Energiequelle ein Energiestrahl wie ein Laserstrahl oder ein Elektrodenstrahl oder ein Röntgenstrahl Verwendung. Dann, wenn die Folie punktförmig bzw. abschnittsweise mit dem Grundkörper verbunden wird, ist es möglich, eine nicht vorkonturierte Folie oder auch eine vorkonturierte Folie zu verwenden. Dann, wenn eine nicht vorkonturierte Folie verwendet wird, müssen nach dem Verbinden der Folie mit dem Grundkörper typischerweise Überstände der Folie vom gefügten Bereich entfernt werden, wobei dann der unbeschädigte Abschnitt der Folie für die Fügung der nächsten Schicht bzw. Lage genutzt werden kann, indem die Folie angehoben und weitergezogen wird. Alternativ ist es auch möglich, die Folie mit Hilfe eines Energiestrahls einer Vorkonturierung zu unterziehen, sodass die Folie hinsichtlich ihrer Abmessungen bereits an die Anbindungsfläche des Grundkörpers angepasst ist. Bei der Anbindungsfläche des Grundkörpers handelt es sich vorzugsweise um eine ebene Anbindungsfläche, die Anbindungsfläche kann jedoch auch gekrümmt sein.
Im Unterschied zum punktförmigen bzw. abschnittsweisen Verbinden jeder Schicht bzw. Lage der Folie mit dem Grundkörper ist es auch möglich, dass über eine thermische Energiequelle jede Lage bzw. Schicht der Folie flächig mit dem Grundkörper verbunden wird, wobei hierzu dann die thermische Energiequelle flächig auf jede Lage bzw. Schicht der Folie einwirkt. Hierbei wird dann vorzugsweise eine wie in 1 dargestellte, vorkonturierte Folie 10 verwendet, die einerseits einen mit dem Grundkörper zu verbindenden Aufbauabschnitt 11 und andererseits einen Spannabschnitt 12 aufweist, die über Stege 13 miteinander verbunden sind. Die in 1 dargestellte Folie 10 kann dabei zum Aufbau einer Lage bzw. Schicht der Folie auf dem Grundkörper verwendet werden, wobei hierzu die Folie über den Spannabschnitt 12 relativ zum Grundkörper ausgerichtet und auf demselben gespannt wird, wobei dann auf den Aufbauabschnitt 11 eine thermische Energiequelle flächig einwirkt, um so unter automatischer Durchtrennung der Stege 16 den Aufbauabschnitt 11 in einem Schritt mit dem Grundkörper zu verbinden. Hierbei kommt als thermische Energiequelle vorzugsweise eine induktive Energiequelle oder ein Plasmaimpuls oder ein UV-Blitz zur Anwendung.
Die Variante des flächigen Einwirkens einer thermischen Energiequelle auf jede Lage bzw. Schicht der Folie verfügt über den Vorteil, dass die Verbindung innerhalb kürzerer Zeit erfolgen kann, da das Abscannen der Folie mit Hilfe eines Energiestrahls entfällt. Die flächige Erhitzung der Folie durch das flächige Einwirken der thermischen Energiequelle erfolgt impulsförmig, indem die Folie impulsförmig bis zur Schmelztemperatur flächig erhitzt wird.
2 verdeutlicht die Erfindung für den Fall, dass mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ein integral beschaufelter Gasturbinenrotor 14 im Bereich einer Laufschaufel 15 desselben repariert werden soll. Zur Reparatur des in 2 gezeigten Gasturbinenrotors 14 wurde vorab von demselben eine beschädigte Laufschaufel 15 entfernt, die im Sinne der Erfindung dadurch erneuert wird, dass auf den sich hierbei ausbildenden Anbindungsabschnitt schichtweise bzw. lagenweise eine Folie 16 mit dem Anbindungsabschnitt verbunden wird. Gemäß 2 wird die Folie 16 auf einer Vorratsrolle 17 bereitgehalten und in Richtung des Pfeils 18 vor der Vorratsrolle abgewickelt, wobei in 1 der Abschnitt der Folie 16, der sich im Bereich des Anbindungsabschnitts des Gasturbinenrotors 14 befindet, mit Hilfe einer Strahlquelle 19, wie z. B. mit Hilfe eines Lasers, punktförmig bzw. abschnittsweise mit dem Anbindungsabschnitt und damit dem Grundkörper verbunden wird. Überschüssige Bestandteile der Folie 16 werden dabei im Bereich einer Rolle 20 aufgewickelt.
In der Variante der 2 wird dann, wenn mit Hilfe der Strahlquelle 19 eine Lage der Folie 16 mit dem Grundkörper, nämlich mit dem Anbindungsabschnitt der zu reparierenden Laufschaufel 15 des Gasturbinenrotors 14 verbunden wurde, der Gasturbinenrotor 14 um eine Schicht bzw. Lage abgesenkt, anschließend die Folie 16 weitergetaktet und eine neue Schicht bzw. Lage der Folie 16 auf den Anbindungsabschnitt und damit den Grundkörper aufgetragen. Die Dicken der so auf den Grundkörper bzw. Anbindungsabschnitt aufgetragenen Schichten bzw. Lagen sind konstant und können sich im Mikrometer-Bereich bewegen. Es können auch gröbere Strukturen mit einer dickeren Folie aufgetragen werden.
Wie bereits ausgeführt, kann die aufgetragene Folie 16 eine nahezu beliebige Materialzusammensetzung aufweisen. So ist es z. B. möglich, eine Folie 16 aus einem metallischen Werkstoff oder aus einem keramischen Werkstoff mit dem Anbindungsabschnitt des Gasturbinenrotors 14 und damit mit dem Grundkörper zu verbinden.
Zur Bereitstellung einer gradierten Zusammensetzung des aufgebauten Abschnitts können auch Folien mit unterschiedlichen Zusammensetzungen abwechselnd bzw. alternierend verwendet werden.
Weiterhin kann eine Folie aus einem vorzugsweise organischen Trägermaterial bzw. Trägerwerkstoff verwendet werden, auf welchem metallische Werkstoffpartikel oder keramische Werkstoffpartikel z. B. durch Einwalzen oder durch Kleben fixiert sind, wobei dann beim Verbinden der Folie mit dem Anbindungsabschnitt des Gasturbinenrotors 14 und damit mit dem Grundkörper das organische Trägermaterial sublimiert und ausschließlich die metallischen Werkstoffpartikel oder keramischen Werkstoffpartikel mit dem Werkstoff des Anbindungsabschnitts des Gasturbinenrotors 14 verbunden werden. das Trägermaterial nimmt dann am generativen Aufbau nicht Teil.
Die Folie kann z. B. aus einem Meltspinning-Werkstoff bestehen bzw. Werkstoffpartikel aus einem solchen Meltspinning-Werkstoff umfassen. Die Folie kann weiterhin auch aus einem Gradientenwerkstoff hergestellt sein. Dann, wenn die Folie keramisch ausgebildet ist, handelt es sich beim dem keramischen Werkstoff vorzugsweise um ein nanoskaliges Material oder eine Mischung aus Nano-Partikeln und feinem Pulver, wobei durch die Nanopartikel die zum Verbinden mit dem Anbindungsabschnitt benötigte Temperatur soweit abgesenkt werden kann, dass der Werkstoff des Anbindungsabschnitts des Gasturbinenrotors 14 und damit des Grundkörpers nicht aufgeschmolzen werden muss.
3 und 4 verdeutlichen die Erfindung für den Fall, dass mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ein integral beschaufelter Gasturbinenrotor 21 repariert werden soll, nämlich im Bereich einer als Hohlschaufel ausgebildeten Laufschaufel 22. Auch in diesem Fall erfolgt die Reparatur des Gasturbinenrotors 21 im Bereich der als Hohlschaufel ausgebildeten Laufschaufel 22 mit Hilfe einer Folie 23, die von einer Vorratsrolle 24 abgewickelt und in Richtung des Pfeils 25 dem Gasturbinenrotor 21 zugeführt wird, wobei überschüssiger Werkstoff der Folie 23 auf einer Rolle 26 aufgewickelt wird.
Im Ausführungsbeispiel der 3 und 4 erfolgt in Übereinstimmung mit dem Ausführungsbeispiel der 1 eine Vorkonturierung der Folie 23, bevor dieselbe mit dem Grundkörper bzw. dem im Bereich der zu reparierenden Laufschaufel 22 ausgebildeten Anbindungsabschnitt des Gasturbinenrotors 21 verbunden wird.
Hierzu dient im Ausführungsbeispiel der 3 und 4 eine Vorkonturierungseinrichtung 27, mit Hilfe derer die Folie 23 vorkonturiert wird. Bei der Vorkonturierungseinrichtung 27 kann es sich um eine Lasereinrichtung handeln, welche die Folie 23 vorkonturiert. Weiterhin kann es sich bei der Vorkonturierungseinrichtung 27 um eine Wasserstrahleinrichtung handeln, welche die Folie 23 vorkonturiert.
Die mit Hilfe der Vorkonturierungseinrichtung 27 vorkonturierte Folie 23 wird im Ausführungsbeispiel der 3 und 4 flächig mit dem Grundkörper bzw. dem Anbindungsabschnitt des Gasturbinenrotors 21 verbunden, wobei hierzu eine thermische Energiequelle 28 dient. Die thermische Energiequelle 28 kann z. B. einen Hochenergie- Plasmaimpuls bereitstellen, um die vorkonturierte Folie 23 flächig mit dem Grundkörper bzw. dem Anbindungsabschnitt des Gasturbinenrotors 21 zu verbinden. Weiterhin kann es sich bei der thermischen Energiequelle 28 um eine elektromagnetische Strahlquelle handeln, um die vorkonturierte Folie 23 mit Hilfe einer elektromagnetischen Welle an den Grundkörper anzubinden. Weiterhin kann eine flächige Induktionsspule als thermische Energiequelle genutzt werden.
Der erfindungsgemäße, generative Aufbau unter Verwendung von Folien kann gegebenenfalls mit einem generativen Aufbau unter Verwendung einer Pulverschüttung kombiniert werden.

Claims

Verfahren zum Herstellen oder Reparieren von Gasturbinenbauteilen mit zumindest folgenden Schritten: a) Bereitstellen eines Grundkörpers, wobei auf dem Grundkörper entweder ein neu zu fertigendes Bauteil aufgebaut wird oder ein vorab entfernter, beschädigter Abschnitt eines Bauteils erneuert wird; b) Aufbauen des neu zu fertigenden Bauteils oder des entfernten Abschnitts auf dem Grundkörper durch schichtweises Auftragen von Werkstoff auf dem Grundkörper, wobei hierzu auf dem Grundkörper schichtweise bzw. lagenweise eine Folie angeordnet wird, und wobei die Folie und/oder ein auf der Folie angeordneter Werkstoff mit dem Grundkörper verbunden wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff der Folie und/oder der auf der Folie Werkstoff mit dem Werkstoff des Grundkörpers verbunden wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Verbinden einer Schicht bzw. Lage der Folie und/oder des auf der Folie angeordneten Werkstoffs mit dem Grundkörper gegebenenfalls überstände der Folie vom Grundkörper entfernt werden, dass anschließend die Position der Folie um eine Schicht bzw. Lage angehoben oder die Position des Grundkörpers um eine Schicht bzw. Lage abgesenkt wird, und dass darauffolgend die nächste Schicht bzw. Lage der Folie und/oder der auf der Folie angeordnete Werkstoff mit dem Grundkörper verbunden wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbinden der Folie und/oder des auf der Folie angeordneten Werkstoffs mit dem Grundkörper thermisch erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine thermische Energiequelle punktförmig bzw. abschnitts weise auf jede Lage der Folie einwirkt, sodass jede Lage der Folie und/oder der auf der Folie angeordnete Werkstoff in mehreren Schritten abschnittsweise nacheinander mit dem Grundkörper verbunden wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass hierzu als thermische Energiequelle ein Energiestrahl wie ein Laserstrahl oder ein Elektrodenstrahl oder ein Röntgenstrahl verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine thermische Energiequelle flächig auf jede Lage der Folie einwirkt, sodass jede Lage der Folie und/oder der auf der Folie angeordnete Werkstoff in einem Schritt flächig mit dem Grundkörper verbunden wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass hierzu die Folie derart vorkonturiert wird, dass ein mit dem Grundkörper zu verbindender Aufbauabschnitt derselben über Stege mit einem Spannabschnitt derselben verbunden ist, wobei die thermische Energiequelle auf den Aufbauabschnitt flächig einwirkt und hierbei die Stege durchtrennt.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass hierzu als thermische Energiequelle eine induktive Energiequelle oder ein Plasmaimpuls oder ein UV-Blitz verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Folie aus einem metallischen oder aus einem keramischen Werkstoff bereitgestellt und der metallische oder der keramische Werkstoff der Folie mit dem Grundkörper zu verbunden wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Folie aus einem Trägerwerkstoff bereitgestellt wird, auf der metallische oder keramische Werkstoffpartikel fixiert sind, und dass der Trägerwerkstoff beim Verbinden dieser metallischen oder keramischen Werkstoffpartikel mit dem Grundkörper sublimiert.