DE102010001414A1

DE102010001414A1 - Verfahren zur Reparatur von Labyrinth-Dichtungsstegen

Info

Publication number: DE102010001414A1
Application number: DE102010001414A
Authority: DE
Inventors: Elke 63546 Weiss
Original assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Current assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Priority date: 2010-02-01
Filing date: 2010-02-01
Publication date: 2011-08-04
Anticipated expiration: 2030-02-02
Also published as: DE102010001414B4

Abstract

Zur Reparatur von Labyrinth-Dichtungsstegen von aus einem Nickel-Basis-Werkstoff bestehenden Bauteilen eines Gasturbinentriebwerks wird zunächst der verschlissene Teil (12) des Dichtungssteges (2) vollständig abgetrennt und auf dem aus einem Grundwerkstoff bestehenden verbleibenden Dichtungsstegstumpf (3) durch Laserauftragsschweißen eines Pulverstroms ein aus einem Reparaturwerkstoff bestehendes neues Teil (11) aufgebaut. Als Reparaturwerkstoff wird eine sich von dem Grundwerkstoff unterscheidende Nickelbasis-Legierung aufgetragen, deren unter der Wirkung des Lasers in dem aufgebauten Teil (11) verminderte Materialeigenschaften ohne nachträgliche Wärmebehandlung des Bauteils mindestens den auf die Dichte, Härte und Festigkeit bezogenen wesentlichen Materialeigenschaften des Grundmaterials entsprechen. Durch das zeit- und kostensparende Verfahren wird zudem die Lebensdauer der so behandelten Bauteile erhöht.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reparatur von Labyrinth-Dichtungsstegen von aus Nickelbasislegierungen bestehenden Bauteilen eines Gasturbinentriebwerks, bei dem der obere, verschlissene Teil des Dichtungssteges vollständig abgetrennt wird und auf dem aus einem Grundwerkstoff bestehenden verbleibenden Dichtungsstegstumpf durch Laserauftragsschweißen eines Pulverstroms ein aus einem Reparaturwerkstoff bestehendes neues Teil aufgebaut wird.
Labyrinthdichtungen sind als Glattspalt- oder Stolperbundlabyrinth ausgeführte, im Prinzip berührungslose Wellendichtungen, deren Dichtwirkung auf der Verlängerung des Dichtweges aufgrund der Anordnung bzw. wechselseitigen Anordnung von Dichtringen (umlaufenden Dichtstegen oder -lippen) an dem rotierenden und/oder dem feststehenden Gehäuseteil beruht. Bei stationären Gasturbinen und Flugtriebwerken sollen die im Bereich der Verdichter und Turbinen ausgebildeten Labyrinthdichtungen ein Zurückströmen der Luft verhindern und für einen minimalen Druckverlust und damit eine hohe Effizienz der Gasturbine sorgen. Ein entsprechendes Dichtsystem für Fluggasturbinen umfasst an einer Triebwerkswelle und den Turbinenscheiben sowie an den Rotorschaufelspitzen vorgesehene – nebeneinander liegende Dichtungsringe bildende – Dichtungsstege, die mit der Innenumfangsfläche einer fest an der Gasturbine montierten Einlaufschicht, zum Beispiel Honigwabenstruktur oder Feltmetal, zusammenwirken. Beim Einlaufen der Gasturbine reiben die rotierenden Dichtungsstege an der gegenüberliegenden Einlaufschicht und schneiden sich in diese ein, um so einen minimalen Spaltabstand zu erreichen. Aufgrund der thermischen Dehnung und einer natürlichen Biegung kann der Abstand zwischen der Einlaufschicht und den Dichtungsstegen während des Betriebs der Gasturbine jedoch schwanken. Infolge der Reibung zwischen der Einlaufschicht und den Dichtungsstegen kommt es zu einer Abnutzung des oberen, in die Einlaufschicht eingreifenden Teils der Dichtungsstege, so dass die erforderliche Dichtwirkung nicht mehr gewährleistet ist.
Es ist bereits bekannt, im Bereich der Dichtungsstege verschlissene und aufgrund der eingesetzten hochwarmfesten Nickel-Basis-Legierungen entsprechend teuere Turbinenscheiben zu reparieren. Bei diesem Verfahren werden die verschlissenen Dichtungsstege zunächst abgeschnitten und anschließend durch Laserauftragsschweißen eines artgleichen oder artfremden Materials, das jedoch die gleichen Eigenschaften wie das ursprüngliche Material der Dichtungsstege bzw. das Grundmaterial der Turbinenscheibe aufweist, wieder aufgebaut. Nach dem Abdrehen des überschüssigen Schweißmaterials ist jedoch aufgrund der durch die Wärmeeinbringung im Schweißprozess verminderten Festigkeitseigenschaften der aufgebauten Dichtungsstege eine zeit- und kostenaufwändige und mit verschiedenen Oberflächenbehandlungsschritten verbundene Wärmebehandlung des gesamten Bauteils zur Erzielung der gewünschten – ursprünglichen – Festigkeit, Härte und Schmelztemperatur der Dichtungsstege erforderlich, an die sich noch eine Kugelstrahlverfestigung des Bauteils zur Beseitigung der durch die Wärmebehandlung bedingten Oberflächenspannung anschließt, erforderlich.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Reparatur von Labyrinth-Dichtungsstegen von aus einem Nickel-Basis-Werkstoff bestehenden rotierenden Bauteilen einer Gasturbine durch Laserauftragsschweißen so auszubilden, dass der Reparaturaufwand deutlich verringert wird.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einem Verfahren gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Bei der Reparatur von Labyrinth-Dichtungsstegen von aus einem Nickel-Basis-Werkstoff bestehenden Bauteilen eines Gasturbinentriebwerks, bei der der verschlissene Teil des Dichtungssteges zunächst vollständig abgetrennt wird und anschließend auf dem aus einem Grundwerkstoff bestehenden verbleibenden Dichtungsstegstumpf durch Laserauftragsschweißen eines Pulverstroms ein aus einem Reparaturwerkstoff bestehendes neues Teil aufgebaut wird, besteht der Grundgedanke der Erfindung darin, dass beim Laserauftragsschweißen ein von dem Grundwerkstoff abweichender Reparaturwerkstoff auf Nickelbasis mit höheren Materialeigenschaften aufgetragen wird, dessen unter der Wirkung des Laserauftragsschweißens in dem aufgebauten Teil verminderte Materialeigenschaften ohne nachträgliche Wärmebehandlung des Bauteils mindestens den auf die Dichte, Härte und Festigkeit bezogenen Materialeigenschaften des Grundmaterials entsprechen. Ein unter diesen Bedingungen repariertes Bauteil muss nach dem Laserauftragsschweißen nicht wärmebehandelt werden, wobei nicht nur dieser Verfahrensschritt, sondern auch die mit der Wärmebehandlung verbundenen weiteren Verfahrensschritte, insbesondere die abschließende Kugelstrahlbearbeitung entfallen kann und teuere Werkzeuge nicht benötigt werden. Das Bauteil wird nur wenig thermisch belastet und kann sich nicht verziehen. Durch den Fortfall der Wärme- und Kugelstrahlbehandlung wird zudem die Lebensdauer des Bauteils erhöht.
In Ausgestaltung der Erfindung wird das Laserauftragsschweißen so gesteuert, dass zwischen dem Grundmaterial des Dichtungsstegstumpfes und der aus Schweißraupen bestehenden ersten Schweißschicht und zwischen den nachfolgenden Schweißschichten eine schmelzmetallurgische Verbindung erzeugt wird.
In weiterer Ausbildung der Erfindung wird das Bauteil zur Vermeidung von Rissbildungen im Schweißbereich induktiv vorgewärmt.
In zweckmäßiger Ausgestaltung der Erfindung erfolgt das Aufbringen des Reparaturwerkstoffs mit Aufmass, wobei das überschüssige Material anschließend mechanisch abgetrennt wird.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besteht der Grundwerkstoff aus einer Nickelbasis-Legierung mit dem Handelsnamen Inconel 718 mit einer Dichte von 8,19 g/cm3, einer Härte von 430 HV und einer Festigkeit von etwa 1300 N/mm2, während als Reparaturwerkstoff eine Nickelbasis-Legierung mit der Handelsbezeichnung Udimet 720 eingesetzt wird, deren nach dem Laserauftragsschweißen und ohne Wärmebehandlung in dem aufgebauten Teil des Dichtungssteges gemessene Dichte bei 8,1 g/cm3 liegt, deren Härtewerte zwischen 450 und 500 HV betragen und deren Festigkeit bei 1600 N/mm2 liegt, so dass ohne nachfolgende Wärmebehandlung und die damit verbundenen nachteiligen Wirkungen Dichtungsstege vorliegen, deren Verschleißfestigkeit mindestens der Verschleißfestigkeit der aus dem Grundmaterial bestehenden ursprünglichen Dichtungsstege entspricht.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnung, in der
1 einen Halbschnitt des Wellenstumpfes (stubshaft) der mit angeformten Dichtungsstegen ausgebildeten Hochdruckturbinenwelle eines Gasturbinentriebwerks;
2 eine detaillierte schematische Darstellung eines Dichtungsstegs während der Reparatur durch Laserauftragsschweißen; und
3 eine schematische Darstellung der Formen des Dichtungsstegs während der Reparatur.
zeigt, näher erläutert.
Der in 1 gezeigte Teil der Hochdruckturbinenwelle 1 eines Gasturbinentriebwerks weist eine Vielzahl von in Umfangsrichtung der Welle verlaufenden, nebeneinander angeordneten Dichtungsstegen 2 auf. In montiertem Zustand der aus einer hochwarmfesten Nickel-Basis-Legierung – hier Inconel 718 – bestehenden Hochdruckturbinenwelle 1 dringen die Spitzen der Dichtungsstege beim Einlaufen in eine am Triebwerksgehäuse befestigte, aus einem weicheren Material (Feltmetal, Honigwabenstruktur) bestehenden Einlaufschicht (nicht dargestellt) ein, um auf diese Art eine Labyrinthdichtung mit einem sehr engen Dichtspalt zu bilden. Durch allmählichen Reibungsverschleiß der Spitzen der Dichtungsstege im Laufe des Triebwerksbetriebs vergrößert sich der Dichtspalt, so dass die erforderliche Abdichtung nicht mehr gewährleistet ist und die Spitzen der Dichtungsstege wieder aufgebaut werden müssen. Zu diesem Zweck wird zunächst der obere – verschlissene und Risse aufweisende – Teil 12 der Dichtungsstege 2 abgeschnitten (abgedreht). Auf dem verbleibenden Dichtungsstegstumpf 3 wird nun der Dichtungssteg 2 durch Laserauftragsschweißen wieder aufgebaut, indem ein über eine Pulverdüse 4 zugeführter, aus einer Metalllegierung bestehender Pulverstrahl 5 mittels eines von einer Laseroptik 6 erzeugten Laserstrahls 7 aufgeschmolzen und in einer Vielzahl aufeinanderfolgender Schweißschichten 8 aus Schweißraupen 9 aufgetragen wird. Durch definiertes Anschmelzen der Auftragsfläche des Dichtungsstegstumpfes 3 bzw. der jeweiligen Schweißschicht 8 wird eine schmelzmetallurgische Verbindung und ein homogener Gefügeaufbau geschaffen. Der Neuaufbau des Dichtungssteges erfolgt mit einem Aufmaß 10, so dass durch eine anschließende mechanische Bearbeitung ein Dichtungssteg 2 in seinen ursprünglichen Abmessungen gefertigt werden kann.
Der Pulverstrahl 5 bzw. der neu aufgebaute Teil 11 des Dichtungssteges 2 besteht jedoch aus einem anderen Werkstoff als das ursprüngliche Material, das heißt als das Grundmaterial der Hochdruckturbinenwelle. Während die Hochdruckturbinenwelle 1 einschließlich der Dichtungsstegstümpfe 3 in der vorliegenden Ausführungsform aus der Nickelbasis-Legierung Inconel 718 besteht, ist der neu aufgebaute Teil 11 aus einer anderen Nickelbasislegierung, hier Udimet 720, gefertigt, die üblicherweise eine höhere Festigkeit und Härte als der Grundwerkstoff der Hochdruckturbinenwelle 1 aufweist und deren Festigkeits- und Reibeigenschaften sich infolge des Laserauftragsschweißens in dem neu aufgebauten Teil 11 erwartungsgemäß verschlechtern, aber zumindest mit den Festigkeits- und Reibeigenschaften des ursprünglichen Werkstoffs übereinstimmen oder im vorliegenden Fall (Laserauftragsschweißen von Udimet 720) sogar etwas besser sind als die Materialeigenschaften des Ursprungsmaterials (Grundmaterial Inconel 718). Während die Materialeigenschaften Vickerhärte, Festigkeit und Dichte des Grundmaterials (Inconel 718) etwa bei 430 HV, 1300 N/mm² und 8,19 g/cm³ liegen, wurden für den durch Laserauftragsschweißen und ohne jegliche Wärmebehandlung gefertigten reparierten Teil 11 des Dichtungssteges 2 eine Vickershärte von 450, eine Festigkeit von 1600 N/mm² und eine Dichte von 8,1 g/cm³ ermittelt.
Aufgrund der nach dem Laserauftragsschweißen somit nicht mehr erforderlichen Wärmenachbehandlung des Bauteils und durch den Fortfall von durch eine Wärmebehandlung bedingten weiteren Verfahrensschritten (z. B. Kugelstrahlen) können die Kosten für die Reparatur verschlissener Dichtungsstege erheblich gesenkt werden. Aufgrund der eingesparten Wärmebehandlung wird das Grundmaterial weniger thermisch belastet, das Bauteil kann sich nicht verziehen und dessen Lebensdauer wird erhöht.
Bezugszeichenliste

1: Hochdruckturbinenwelle (Bauteil mit verschlissenen Dichtungsstegen)
2: Dichtungsstege
3: Dichtungsstegstumpf
4: Pulverdüse
5: Pulverstrahl
6: Laseroptik
7: Laserstrahl
8: Schweißschichten
9: Schweißraupen
10: oberer (mit Aufmaß aufgebauter) Teil des Dichtungsstegs
11: oberer, neu aufgebauter Teil des Dichtungsstegs
12: oberer, verschlissener Teil des Dichtungsstegs

Claims

Verfahren zur Reparatur von Labyrinth-Dichtungsstegen (2) von aus einem Nickel-Basis-Werkstoff bestehenden Bauteilen eines Gasturbinentriebwerks, bei dem der obere, verschlissene Teil (12) des Dichtungssteges (2) vollständig abgetrennt wird und auf dem aus einem Grundwerkstoff bestehenden verbleibenden Dichtungsstegstumpf (3) durch Laserauftragsschweißen eines Pulverstroms ein aus einem Reparaturwerkstoff bestehendes neues Teil (11) aufgebaut wird, dadurch gekennzeichnet, dass beim Laserauftragsschweißen ein zu dem Grundwerkstoff unterschiedlicher Reparaturwerkstoff auf Nickelbasis aufgetragen wird, dessen unter der Wirkung des Lasers in dem aufgebauten Teil (11) verminderte Materialeigenschaften ohne nachträgliche Wärmebehandlung des Bauteils mindestens den auf die Dichte, Härte und Festigkeit bezogenen wesentlichen Materialeigenschaften des Grundmaterials entsprechen.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass beim Laserauftragsschweißen zwischen dem Grundmaterial des Dichtungsstegstumpfes (3) und der aus Schweißraupen (9) bestehenden ersten Schweißschicht (8) sowie zwischen den nachfolgenden Schweißschichten (8) eine schmelzmetallurgische Verbindung erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil zur Vermeidung von Rissbildungen im Schweißbereich induktiv vorgewärmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufbringen des Reparaturwerkstoffs mit Aufmass erfolgt und das überschüssige Material anschließend mechanisch abgetrennt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Grundwerkstoff auf Nickelbasis mit dem Handelsnamen Inconel 718 als Reparaturwerkstoff eine Nickelbasis-Legierung mit der Handelsbezeichnung Udimet 720 eingesetzt wird.