DE102010009616A1

DE102010009616A1 - Verfahren zur Herstellung oder Reparatur eines Bauteils und Abdeckbeschichtung

Info

Publication number: DE102010009616A1
Application number: DE102010009616A
Authority: DE
Inventors: Dipl.Ing.(FH) Banhirl Hans; Dr. Bayer Erwin; Dr. Broichhausen Klaus; Dr. Hertter Manuel; Andreas Jakimov; Eberhard Knodel; Dr. Kopperger Bertram; Jürgen Kraus; Marcin Olbrich; Dr. Seitz Mihaela-Sorina; Wolfgang Werner
Original assignee: MTU Aero Engines GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines AG
Priority date: 2010-02-27
Filing date: 2010-02-27
Publication date: 2011-09-01
Also published as: WO2011103860A1

Abstract

Offenbart ist ein Verfahren zur Herstellung oder Reparatur eines Bauteils 1, insbesondere eines Gasturbinenbauteils, mittels eines thermischen Spritzverfahrens, wobei das Bauteil 1 zumindest einen abzudeckenden Bereich 10 aufweist, mit den Schritten: a) Aufbringen einer Abdeckbeschichtung 12 auf den abzudeckenden Bereich 10 des Bauteils 1; b) Aufbringen zumindest einer Spritzschicht auf das Bauteil 1 und c) Entfernen der Abdeckbeschichtung 12 von dem Bauteil 1. Weiterhin offenbart ist eine Abdeckbeschichtung für ein Bauteil 1 einer Gasturbine 2 bei der Herstellung oder Reparatur mittels eines thermischen Spritzverfahrens.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung oder Reparatur eines Bauteils für eine Gasturbine, insbesondere für eine Fluggasturbine, nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und eine Abdeckbeschichtung für ein Bauteil einer Gasturbine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 12.
Bei der Herstellung und Reparatur von Bauteilen einer Gasturbine, insbesondere einer Fluggasturbine, werden vielfach thermische Spritzverfahren eingesetzt. Als besonders vorteilhaft hat sich hierbei das kinetische Kaltgasspritzverfahren (Cold Spray-Verfahren) als schichtaufbauendes Verfahren erwiesen, bei dem ein pulverförmiger Werkstoff oder eine pulverförmige Mischung von unterschiedlichen Werkstoffen mit sehr hoher Geschwindigkeit auf ein Bauteil, beispielsweise auf ein Schaufelblatt, aufgebracht wird. Hierzu werden die Pulverpartikel in einen Gasstrahl aus aufgeheiztem Trägergas injiziert, wobei der Gasstrahl durch Expansion in einer meist lavalartig ausgebildeten Kaltgasspritzdüse beschleunigt wird. Die Spritzpartikel werden durch Injektion in den Gasstrahl auf eine derart hohe Geschwindigkeit beschleunigt, dass sie im Gegensatz zu anderen thermischen Spritzverfahren auch ohne vorangehendes An- oder Auf schmelzen beim Aufprall auf das Substrat eine dichte und fest haftende Schicht bzw. einen Formkörper bilden. Ein derartiges Kaltgasspritzverfahren ermöglicht die Ausbildung eines hochfesten, porenfreien Bauteils oder einer entsprechenden Bauteilreparatur.
Bereiche, die nicht mit einer Spritzschicht zu versehen sind, werden mit Kunststoffbändern, sogenannten Tapes, das Bauteil abschnittsweise umgreifenden Silikonringen oder Stahlmaskierungen, insbesondere aus Stahlblech abgedeckt. Nachteilig bei diesen Lösungen ist, dass Kunststoffbänder und Silikonringe aufgrund ihrer geringen Festigkeit insbesondere nicht für kinetische Kaltgasspritzverfahren geeignet sind, da die Partikel mit sehr hoher kinetischer Energie auf das Bauteil auftreffen und die Abdeckungen zerstören. Stahlmaskierungen müssen in Annäherung an die abzudeckende Bauteilkontur hergestellt werden, so dass diese fertigungstechnisch aufwendig sind. Da aufgrund der Eigensteifigkeit eine vollständige Abdeckung mit Stahlmaskierungen praktisch nicht möglich ist, kann es ferner zu einer Beschichtung ungewünschter Bauteilbereiche kommen.
Demgegenüber ist es die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Abdeckbeschichtung zur Herstellung oder Reparatur eines Bauteils zu schaffen, bei denen eine Abdeckung nicht zu beschichtender Bauteilabschnitte fertigungstechnisch einfach und kostengünstig gewährleistet ist.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung oder Reparatur eines Bauteils mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und durch eine Abdeckbeschichtung für ein Bauteil einer Gasturbine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 12.
Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung oder Reparatur eines Bauteils, insbesondere eines Gasturbinenbauteils, mittels eines thermischen Spritzverfahrens, wobei das Bauteil zumindest einen abzudeckenden bzw. zu maskierenden Bereich aufweist, wird eine Abdeckbeschichtung, eine sogenannte Maskierung, auf den abzudeckenden Bereich des Bauteils aufgebracht. Anschließend wird zumindest eine Spritzschicht auf das Bauteil appliziert. Im Rahmen der Erfindung wird unter Aufbringen der Abdeckbeschichtung auch ein abschnittsweises Einbetten des Bauteils verstanden. Nach der Fertigstellung der Spritzschicht wird die Abdeckbeschichtung von dem Bauteil entfernt. Die erfindungsgemäße Abdeckbeschichtung ist fertigungstechnisch einfach und kostengünstig aufbringbar. Eine Beschichtung ungewünschter Bauteilbereiche ist praktisch nicht möglich.
Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn als thermisches Spritzverfahren ein Kaltgasspritzverfahren (Cold Spray-Verfahren) verwendet wird. Ein derartiges Kaltgasspritzverfahren ermöglicht die Ausbildung einer fest haftenden, hochfesten Schicht.
Gemäß eines bevorzugten Ausführungsbeispiels wird auf den abzudeckenden Bereich Sand, vorzugsweise Quarzsand, mit einem Bindemittel aufgebracht. Eine Abdeckbeschichtung aus mit einem Binder versehenem Sand weist gegenüber herkömmlichen Kunststoffbändern oder Silikonringen eine hohe Abriebfestigkeit auf, so dass die Maskierung insbesondere für kinetische Kaltgasspritzverfahren geeignet ist. da diese einen Partikelstrahl mit sehr hoher kinetischer Energie aufweisen.
Als Bindemittel wird vorzugsweise ein Klebstoff und/oder Zement, vorzugsweise Portlandzement, verwendet. Portlandzement wird u. a. aus den Rohmaterialien Kalkstein, Ton, Sand und Eisenerz hergestellt. Das Bindemittel kann Kleber, insbesondere einen dauerelastischen Kleber, enthalten. Aufgrund der hohen Abriebfestigkeit ist eine derartige Maskierung auch für kinetische Spritzverfahren geeignet und besonders kostengünstig.
Die Abdeckbeschichtung kann ferner aus Zement, vorzugsweise Portlandzement, ohne Zuschlagstoffe ausgebildet werden. Aufgrund der hohen Festigkeit von Zement ist eine derartige Maskierung ebenfalls für kinetische Spritzverfahren geeignet.
Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird ein tongebundener Formstoff und/oder eine Keramik als Abdeckbeschichtung auf den abzudeckenden Bereich aufgebracht. Tongebundene Formstoffe und Keramiken sind aufgrund ihrer hohen Abriebfestigkeit und Oberflächenhärte für Maskierungen besonders geeignet.
Die Aushärtung der Abdeckbeschichtungen erfolgt vorzugsweise an der Luft ggf. thermisch unterstützt durch Wärmeeinwirkung.
Gemäß einer alternativen Ausführungsform wird flüssiges Wasserglas, beispielsweise flüssiges Kalium- und/oder Natriumsilikat, auf den abzudeckenden Bereich aufgebracht und ausgehärtet. Unter Wasserglas werden im Rahmen der Erfindung insbesondere glasartige, also amorphe, wasserlösliche Natrium- und Kaliumsilicate oder ihre wässrigen Lösungen verstanden. Aufgrund ihrer hohen Abriebfestigkeit ist eine derartige Maskierung auch für kinetische Spritzverfahren geeignet.
Die Abdeckbeschichtung aus Wasserglas wird vorzugsweise unter Reaktion mit in der Umgebungsluft vorhandener und/oder zugeführter Kohlensäure ausgehärtet.
Die Abdeckbeschichtung kann zumindest abschnittsweise auf eine Lauf oder Statorschaufel. vorzugsweise im Bereich eines Schaufelfußes und/oder Schaufelblatts aufgebracht werden und ermöglicht einen Schichtauftrag auf die verbleibenden Bereiche. Eine Abdeckung von Deckbändern ist ebenfalls vorteilhaft möglich.
Erfindungsgemäß kann die Abdeckbeschichtung nach dem Spritzbeschichten des Bauteils unter Zerstörung der Abdeckschicht entfernt werden. Das Entfernen der Abdeckschicht kann beispielsweise mechanisch erfolgen. Alternativ oder zusätzlich wird die Beschichtung je nach Binderart unter Zugabe einer Flüssigkeit aufgelöst.
Das Beschichtungsmaterial kann aufbereitet und weiter verwertet bzw. verwendet werden.
Eine erfindungsgemäße Abdeckbeschichtung für ein Bauteil einer Gasturbine, insbesondere einer Fluggasturbine, bei der Herstellung oder Reparatur mittels eines thermischen Spritzverfahrens verwendet zumindest einen der Bestandteile Sand mit einem Bindemittel, Zement, tongebundener Formstoff, Keramik und/oder Wasserglas.
Sonstige vorteilhafte Ausführungsbeispiele sind Gegenstand weiterer Unteransprüche.
Im Folgenden wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand schematischer Darstellungen näher erläutert. Die Figuren zeigen:
1 eine räumliche Darstellung einer Laufschaufel einer Fluggasturbine mit einer erfindungsgemäßen Abdeckschicht und
2 eine Schnittdarstellung der Laufschaufel aus 1 entlang der Schnittlinie A-A.
1 zeigt eine Laufschaufel 1 einer als Fluggasturbine 2 ausgebildeten Gasturbine. Die Laufschaufel 1 weist einen Schaufelfuß 4, eine Schaufelplattform 6 und ein aerodynamisch optimiertes Schaufelblatt 8 auf. Der Schaufelfuß 4 ist bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel mit einer Tannenbaumstruktur versehen, mittels der eine sichere Verbindung der Laufschaufel 1 mit einer nicht dargestellten Scheibe erreicht wird.
Wie insbesondere 2 zu entnehmen ist, die eine Schnittdarstellung der Laufschaufel entlang der Linie A-A aus 1 zeigt, wird bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung oder Reparatur der Laufschaufel 1 mittels eines thermischen Spritzverfahrens ein abzudeckender bzw. zu maskierender Bereich 10 mit einer Abdeckbeschichtung 12, einer sogenannte Maskierung, versehen. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Schaufelfuß 4 vollständig mit einer Abdeckbeschichtung 12 aus einer Zement-Quarzsand-Mischung versehen. Die Körnung des Sandes wird hierbei entsprechend der herzustellenden Schicht gewählt. Eine Abdeckbeschichtung 12 aus mit Zement versehenem Sand weist gegenüber herkömmlichen Kunststoffbändern oder Silikonringen eine hohe Abriebfestigkeit auf, so dass die Maskierung insbesondere für kinetische Kaltgasspritzverfahren geeignet ist, da diese einen Partikelstrahl mit sehr hoher kinetischer Energie erzeugen. Das Aufbringen der Abdeckbeschichtung 12 kann hierbei durch Spritzen, Tauchen oder Streichen erfolgen. Die Aushärtung der Abdeckbeschichtung 12 erfolgt vorzugsweise an der Luft ggf. thermisch unterstützt durch Wärmeeinwirkung. Die erfindungsgemäße Abdeckbeschichtung 12 ist fertigungstechnisch einfach und kostengünstig aufbringbar. Eine Beschichtung ungewünschter Bauteilbereiche ist praktisch nicht möglich.
Anschließend wird zumindest eine Spritzschicht (nicht dargestellt) mittels eines Kaltgasspritzverfahrens auf die unmaskierten Schaufelbereiche, d. h. auf das Schaufelblatt 8, aufgebracht. Ein derartiges Kaltgasspritzverfahren ermöglicht die Ausbildung einer fest haftenden, hochfesten Schicht.
Nach der Fertigstellung der Spritzschichten wird die Abdeckbeschichtung 12 von dem Schaufelfuß 4 entfernt. Beispielsweise kann die Abdeckbeschichtung 12 nach dem Spritzbeschichten der Schaufel 1 unter mechanischer Zerstörung der Abdeckschicht entfernt werden, wobei das entfernte Abdeckmaterial anschließend einem Wiederaufbereitungsprozess zugeführt wird.
Offenbart ist ein Verfahren zur Herstellung oder Reparatur eines Bauteils 1, insbesondere eines Gasturbinenbauteils, mittels eines thermischen Spritzverfahrens, wobei das Bauteil 1 zumindest einen abzudeckenden Bereich 10 aufweist, mit den Schritten:

a) Aufbringen einer Abdeckbeschichtung 12 auf den abzudeckenden Bereich 10 des Bauteils 1;
b) Aufbringen zumindest einer Spritzschicht auf das Bauteil 1 und
c) Entfernen der Abdeckbeschichtung 12 von dem Bauteil 1.

Weiterhin offenbart ist eine Abdeckbeschichtung für ein Bauteil 1 einer Gasturbine 2 bei der Herstellung oder Reparatur mittels eines thermischen Spritzverfahrens.
Bezugszeichenliste

1: Laufschaufel
2: Fluggasturbine
4: Schaufelfuß
6: Schaufelplattform
8: Schaufelblatt
10: maskierter Bereich
12: Abdeckbeschichtung

Claims

Verfahren zur Herstellung oder Reparatur eines Bauteils (1), insbesondere eines Gasturbinenbauteils, mittels eines thermischen Spritzverfahrens, wobei das Bauteil (1) zumindest einen abzudeckenden Bereich (10) aufweist, mit den Schritten: a) Aufbringen einer Abdeckbeschichtung (12) auf den abzudeckenden Bereich (10) des Bauteils (1); b) Aufbringen zumindest einer Spritzschicht auf das Bauteil (1) und c) Entfernen der Abdeckbeschichtung (12) von dem Bauteil (1).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei als thermisches Spritzverfahren ein Kaltgasspritzverfahren verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei in Schritt a) Sand, insbesondere Quarzsand, mit einen Bindemittel auf den abzudeckenden Bereich (10) aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei als Bindemittel ein Klebstoff und/oder Zement, vorzugsweise Portlandzement, verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei in Schritt a) Zement, vorzugsweise Portlandzement auf den abzudeckenden Bereich (10) aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei in Schritt a) ein tongebundener Formstoff und/oder eine Keramik als Abdeckbeschichtung (12) auf den abzudeckenden Bereich (10) aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Abdeckbeschichtung (12) thermisch ausgehärtet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei in Schnitt a) flüssiges Wasserglas, insbesondere flüssiges Kalium- und/oder Natriumsilikat, auf den abzudeckenden Bereich (10) aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Abdeckbeschichtung (12) unter Reaktion mit in der Umgebungsluft vorhandener und/oder zugeführter Kohlensäure ausgehärtet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Abdeckbeschichtung (12) zumindest abschnittsweise auf eine Lauf- oder Statorschaufel, vorzugsweise im Bereich eines Schaufelfußes (4) und/oder ein Schaufelblatts (8) aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Abdeckbeschichtung (12) nach dem Spritzbeschichten des Bauteils unter Zerstörung der Abdeckschicht entfernt wird.
Abdeckbeschichtung für ein Bauteil (1) einer Gasturbine (2), insbesondere einer Fluggasturbine, bei der Herstellung oder Reparatur mittels eines thermischen Spritzverfahrens, gekennzeichnet durch zumindest einen der Bestandteile Sand mit einem Bindemittel, Zement, tongebundener Formstoff, Keramik und/oder Wasserglas.