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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum elektrochemischen Entschichten von Gasturbinenbauteilen mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1.
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Bauteile in Gasturbinen, insbesondere in Flugzeugturbinen, unterliegen unterschiedlichen Anforderungen. Im vorderen Bereich der Gasturbine und im Bereich des Verdichters sind die auftretenden Temperaturen im Vergleich zum restlichen Teil der Turbine vergleichsweise gering und daher steht bei den in diesem Bereich eingesetzten Bauteilen weniger die Temperaturfestigkeit, sondern eher die Resistenz der eingesetzten Bauteile, insbesondere der Leit- und Laufschaufeln, gegen Oxidation, Korrosion und Erosion im Vordergrund. Dieser Verschleiß wird unter anderem durch feste Partikel, beispielsweise Sand und Staub, verursacht, die von der Gasturbine eingesaugt und mit der Gasströmung durch die Turbine bewegt werden. Die Bauteile können durch die erosive Wirkung der Partikel geschädigt werden, was zu Leistungseinbußen der Turbine führt und ein regelmäßiges Austauschen der teuren Bauteile erfordert. Um die Lebensdauer von den im Verdichter eingesetzten Leit- und Laufschaufeln zu erhöhen, werden sie mit Verschleißschutzschichten beschichtet. Im Laufe der Zeit nutzt sich aber auch diese Verschleißschutzschicht ab. Bevor die Verschleißschutzschicht im Zuge einer Routineüberholung der Gasturbine erneut auf die Turbinenschaufeln aufgebracht werden kann, müssen die Reste der alten Schicht von den Turbinenschaufeln entfernt werden. Ein solches Abziehen der Verschleißschutzschicht kann oft nicht ohne Schädigung des Grundmaterials der Turbinenschaufeln geschehen. Vor allem physikalische Verfahren, wie z. B. Sandstrahlen, sind immer mit einem Abtrag des Grundmaterials verbunden. Die ohnehin verhältnismäßig dünne Wandstärke der Turbinenschaufeln wird dadurch weiter verringert, wobei erschwerend hinzukommt, dass durch ein solches Abziehen der Verschleißschutzschicht auch die Dickenverhältnisse der Turbinenschaufeln und damit auch die Strömungsverhältnisse verändert werden können. Als Alternative zu physikalischen Methoden, wie z. B. dem Sandstrahlen, haben sich chemische bzw. elektrochemische Verfahren etabliert. Diese Verfahren werden in der Regel speziell für die jeweilige Kombination aus Grundwerkstoff und Schichtmaterial entwickelt, da je nach Art der Materialien unterschiedliche Parameter, wie bspw. Zusammensetzungen des flüssigen Mediums, Temperaturen, Spannungen, Stromstärken, pH-Werte oder Zusatzstoffe gewählt werden müssen. Manche Schichten können auch nur mit ganz speziellen Kathodengeometrien, gepulstem Strom oder anderen Hilfsmitteln in befriedigendem Maße von dem Grundwerkstoff abgezogen werden.
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So wird beispielsweise in der Druckschrift
DE 10 2004 009 757 A1 eine solche, der Bauteilgeometrie angepasste Kathode beschrieben, die die Qualität des Entschichtens von Turbinenschaufeln verbessern soll. Zusätzlich zu der an die Turbinenschaufel angepassten Kathode wird hier auch ein gepulster Strom verwendet.
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Zum Abziehen einer anderen Beschichtung ist in der Patentschrift
US 6 454 870 B1 ein elektrochemischer Abziehprozess, auch „Strippen” genannt, beschrieben, der besonders bauteilschonend ist und die Verschleißschutzschicht, in diesem Fall eine Chromoxidschicht, mit Hilfe eines auf Salzsäure basierenden Mediums entfernt.
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Neuartige komplexe Verschleißschutzschichten ermöglichen es, einen immer höheren Verschleißschutz für Turbinenbauteile zu realisieren. Ein Beispiel für eine solche innovative Verschleißschutzschichtvariante ist ein so genanntes Mehrlagenschichtsystem, wobei das Mehrlagenschichtsystem ein oder mehrere übereinander angeordnete Schichtsysteme umfasst, wobei ein einzelnes Schichtsystem immer ein Metall und eine dem Metall elementverwandte Keramik (bspw. Cr und CrN) umfasst. Solche Mehrlagenschichtsysteme werden in der Vakuumbeschichtungstechnik vorzugsweise durch EB-PVD (Electron Beam Physical Vapour Deposition) Prozesse auf Gasturbinenbauteile aufgebracht. Gasturbinenbauteile bestehen dabei häufig aus Nickelbasislegierungen (z. B. Inconel 718), da diese gute Korrosions- und/oder Hochtemperaturbeständigkeit aufweisen. Ein Werkstoff ist dann eine Nickelbasislegierung, wenn das Legierungselement mit dem größten Legierungsanteil Nickel ist. Im Falle des Nickelbasiswerkstoffs Inconel 718 beträgt der Legierungsanteil von Nickel beispielsweise 50–55%.
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In der Regel lassen sich keramische Schichten sehr viel schlechter als metallische Schichten durch elektrochemische Verfahren von Bauteilen lösen (aufgrund der meist geringen elektrischen Leitfähigkeit von Keramiken), wobei das Abziehen insbesondere dann problematisch ist, wenn mehrere artfremde Schichten gleichzeitig abgezogen werden sollen. Auch sind nicht alle elektrochemischen Verfahren generell bauteilschonend, so dass die zum Teil sehr aggressiven Medien auch den Grundwerkstoff des Bauteils angreifen können. Die aus dem Stand der Technik bekannten elektrochemischen Abziehverfahren können bei Gasturbinenbauteilen mit diesem Mehrlagenschichtsystem zu einem direkten flächenmäßigen Angriff des Grundwerkstoffs, aber auch zum interkristallinen Auflösen der Gefügestruktur führen. Die dabei eingesetzten Elektrolytlösungen, die sog. galvanischen Bäder, basieren beispielsweise auf geschmolzenem Natriumhydroxid (Molten Salt Method) oder auf Salzsäure und können Werkstoffe wie Titanlegierungen oder Nickelbasislegierungen schädigen. Neben dem direkten flächenmäßigen Angriff des Grundwerkstoffs können solche Elektrolytlösungen auch interkristalline Korrosion im Grundwerkstoff auslösen. Bei einem solchen Angriff werden die Korngrenzen des Gefüges stärker als die Körner selber zersetzt, was dazu führt, dass ganze Körner aus dem Gefüge herausgelöst werden und der Grundwerkstoff nach und nach aufgelöst wird. Auch wenn diese Schadenswirkung optisch nicht so sichtbar ist wie die Erosion beim Sandstrahlen, so wird die Gefügestruktur des Grundwerkstoffs durch den Abziehvorgang deutlich geschwächt und die Bauteilfestigkeit verringert. Dieser Effekt tritt bei jedem durchgeführten Abziehvorgang erneut auf, so dass sich die Schadenswirkung des interkristallinen Angriffs über die Gesamtlebensdauer der Turbinenschaufel akkumuliert. Das Grundwerkstoffgefüge wird durch das für das routinemäßig durchgeführte Neuaufbringen der Verschleißschutzschicht nötige Strippen der alten Verschleißschutzschicht immer weiter verschlissen, was im Widerspruch zum eigentlichen Ziel der Wartung, nämlich gerade dem Vermeiden des Verschleißes der Turbinenteile, steht. Da für das beschriebene neue Mehrlagenschichtsystem noch kein schonendes Abziehverfahren bekannt ist, wird es in der Regel durch abrasive Strahlverfahren entfernt, was, wie oben beschrieben, auch einen Materialabtrag des Grundwerkstoffs und damit eine Bauteilschädigung mit sich bringt. Ein Beispiel für abrasive Strahlverfahren ist das Strahlen mit Aluminiumoxid (Korund), welches schon an sich einen hohen Materialabtrag (Erosion) verursachen kann und darüber hinaus in der Regel im Anschluss an die Molten Salt Method erfolgt.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein schonendes Verfahren zum elektrochemischen Entschichten von Gasturbinenbauteilen und eine entsprechende Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens bereitzustellen.
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Die Erfindung löst die Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 9. Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen und den zugehörigen Beschreibungen und der Zeichnung zu entnehmen.
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Zur Lösung des Problems wird erfindungsgemäß ein Verfahren vorgeschlagen, in dem das zu entschichtende Gasturbinenbauteil aus einer Nickelbasislegierung, welches ein Mehrlagenschichtsystem an der Oberfläche aufweist, in einer Elektrolytlösung als Anode gepolt wird und die Elektrolytlösung Natriumhydroxid umfasst. Das hier beschriebene Verfahren bietet wichtige Vorteile im Vergleich zu den bereits etablierten Verfahren, die zum Entschichten von Gasturbinenbauteilen angewandt werden. Wie sich in Versuchen herausgestellt hat, wird der Grundwerkstoff des Gasturbinenbauteils durch das erfindungsgemäße Verfahren nicht angegriffen, wobei insbesondere der in anderen chemischen und physikalischen Verfahren beobachtete Materialabtrag bzw. die schädliche Veränderung der Gefügestruktur nicht stattfindet. Der Grund dafür ist, dass durch das Natriumhydroxid eine Lösung geschaffen wird, die die elektrochemisch abgelösten Metallionen (bspw. Chromionen) der Mehrlagenschicht sehr effizient komplexiert und dadurch im galvanischen Bad in Lösung hält und der Grundwerkstoff beim Abziehen passiviert wird und damit einer Schädigung des Grundwerkstoffs zusätzlich entgegenwirkt. Die keramischen Komponenten des Mehrlagenschichtsystems können beim Entschichtungsvorgang als Schlamm anfallen. Ein weiterer Vorteil liegt darin begründet, dass Natriumhydroxid einfach in großer Menge verfügbar ist und auch umwelttechnischen Gesichtspunkten des galvanischen Prozesses Rechnung trägt, da es vor der Entsorgung leicht neutralisiert werden kann.
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Vorzugsweise weist die Elektrolytlösung einen pH-Wert von 13 bis 14, vorzugsweise 14 auf, da sich bei Versuchen herausgestellt hat, dass in diesem pH-Bereich die besten Ergebnisse erzielt werden können. Durch die hohe Hydroxidionenkonzentration im pH-Bereich von 13 oder 14 können die abgelösten Metallionen besonders gut und ohne zusätzliche Komplexbildner im galvanischen Bad in Lösung gehalten werden.
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Idealerweise ist die Temperatur der Elektrolytlösung im Bereich von 35–80°C, vorzugsweise 45–55°C. Bekannterweise hat die Temperatur einen signifikanten Einfluss auf die Geschwindigkeit von chemischen Reaktionen. Im Bereich von 35–80°C, vorzugsweise 45–55°C, können die besten Ergebnisse erzielt werden, der galvanische Prozess verläuft kontrolliert, und es können sehr kurze Prozesszeiten (bis zu zwei Stunden) erreicht werden. Neben der Badtemperatur wird auch die Fremdmetallkonzentration in der Lösung überwacht und bei einem Überschreiten eines definierten Grenzwertes wird die Lösung entsprechend der üblichen Vorschriften entsorgt.
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Vorzugsweise ist die an das Gasturbinenbauteil angelegte Spannung im Bereich von 2–8 V, vorzugsweise 3–4 V. Die anzulegende Spannung richtet sich nach dem zu entschichtenden Bauteil, wobei der angegebene Bereich für die Mehrzahl von Gasturbinenbauteilen aus Nickelbasislegierungen ideal ist. Zu hohe Spannungen können zu unerwünschtem Grundmaterialabtrag führen, daher muss die angelegte Spannung durch eine Spannungsversorgung konstant gehalten werden. Vorzugsweise wird die Spannung dabei langsam auf das gewünschte Niveau heraufgeregelt, um ein schonendes Abziehverfahren zu gewährleisten.
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Vorzugsweise wird Stahl als Kathodenmaterial verwendet. Da das Kathodenmaterial signifikanten Einfluss auf die Qualität des Abziehverfahrens haben kann, muss ein Kathodenwerkstoff gewählt werden, der sich möglichst positiv auf die Qualität des Abziehverfahrens auswirkt. Im erfindungsgemäßen Verfahren führt Stahl als Kathodenmaterial zu den besten Ergebnissen.
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Besonders gut geeignet ist das beschriebene Verfahren zum Entschichten von Mehrlagenschichtsystemen, die die keramischen Komponenten CrN, CrAlN, TiN, oder TiAlN enthalten.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines konkreten Ausführungsbeispiels unter Zuhilfenahme einer Figur näher erläutert. In der Figur ist im Einzelnen zu erkennen:
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1: Schematische Darstellung einer Vorrichtung zum elektrochemischen Entschichten eines Gasturbinenbauteils.
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In der 1 ist ein Behälter 4 zu sehen, der eine Elektrolytlösung 2 enthält. Ferner ist eine Absenkvorrichtung 6 vorgesehen, mit der ein Gasturbinenbauteil 1 in die Elektrolytlösung 2 herabgesenkt wird. Das Gasturbinenbauteil 1 wurde vorher von Öl, Fett, Schmutz oder anderen Verunreinigungen gesäubert. Solche Verunreinigungen können sich negativ auf das Abziehverfahren auswirken und sollten daher sorgfältig mit bekannten Mitteln entfernt werden.
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Das Gasturbinenbauteil 1 ist in diesem Ausführungsbeispiel aus einer Nickelbasislegierung und weist an der Oberfläche ein Mehrlagenschichtsystem auf. Die Absenkvorrichtung 6 bildet gleichzeitig die Anode und ist mit einer Spannungsversorgung 5 verbunden, die wiederum mit einer Kathode 8 verbunden ist. Vorzugsweise ist die Absenkvorrichtung 6 so gestaltet, dass sie mehrere Gasturbinenbauteile 1 gleichzeitig aufnehmen und absenken kann. Vorteilhafterweise können dabei auch individuelle Spannungen für verschiedene Gasturbinenbauteile 1 eingestellt werden, falls dies bspw. aufgrund von Größen- und/oder Geometrieunterschieden vorteilhaft oder nötig ist. Die Spannungsversorgung 5 dient generell dazu, an Gasturbinenbauteile 1 eine positive Spannung anzulegen, sie als Anode zu schalten, und an die Kathode 8 eine negative Spannung anzulegen. Die Kathode 8 kann dabei so ausgeführt sein, dass sie als gesondertes Bauteil ausgebildet ist und in die Elektrolytlösung 2 herabgelassen wird oder in der Elektrolytlösung 2 fest installiert ist oder, wie in diesem Ausführungsbeispiel, durch den Behälter 4 selbst realisiert wird und damit die Elektrolytlösung 2 großflächig umgibt. Die Kathode 8 bzw. der Behälter 4 ist vorzugsweise aus Stahl und nach Außen hin isoliert, bspw. durch einen Kunststoffüberzug. Hier zeichnet sich einer der großen Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens ab, da die Kathodengeometrie verhältnismäßig simpel sein kann. Eine besondere, auf die Geometrie des Gasturbinenbauteils 1 genau angepasste Kathodengeometrie ist nicht erforderlich. Das Verfahren ist dadurch mit deutlich geringerem Prozessaufwand als viele vergleichbare Verfahren nach dem Stand der Technik durchführbar. Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ohne geometrisch konforme Kathode ist, dass auf einfache Weise sehr hohe Stückzahlen gleichzeitig entschichtet werden können. Um den Prozessaufwand weiter zu minimieren, kann die Kathode 8 auch vorzugsweise so gestaltet sein, dass sie leicht ausgetauscht werden kann. Sollte sich die Kathode 8 in irgendeiner Form abnutzen, kann sie durch diese Austauschmöglichkeit einfach ersetzt werden und das Verfahren muss deswegen nicht lange unterbrochen werden.
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Die Zusammensetzung der Elektrolytlösung 2 richtet sich nach dem Grundwerkstoffmaterial und umfasst für Gasturbinenbauteile 1, die aus einer Nickelbasislegierung bestehen, Natriumhydroxid. In diesem Ausführungsbeispiel umfasst die Elektrolytlösung 40 bis 90 g/L Natriumhydroxid und weist einen pH-Wert von 14 auf. Eine Elektrolytlösung 2 auf der Basis von Natriumhydroxid bietet wichtige Vorteile im Vergleich zu den bereits etablierten Verfahren. Der eingesetzte Grundwerkstoff wird nicht angegriffen; der in anderen chemischen und physikalischen Verfahren beobachtete Materialabtrag bzw. die Änderung in der Gefügestruktur findet nicht statt. Die Temperatur der Elektrolytlösung 2 wird über eine Temperaturregelung 3 auf 45–55°C eingestellt. Die über die Spannungsversorgung 5 an das Gasturbinenbauteil 1 angelegte Spannung wird langsam von 0 V auf 3–4 V angehoben und so lange gehalten, bis das Mehrlagenschichtsystem vom Gasturbinenbauteil 1 abgezogen ist. Je nach Alter der Elektrolytlösung 2 ist die ideale Haltezeit unterschiedlich. Es wird anhand von Erfahrungswerten und optischer Inspektion der genaue Zeitpunkt bestimmt, an dem das Mehrlagenschichtsystem komplett vom Gasturbinenbauteil 1 abgelöst ist, und das Gasturbinenbauteil 1 durch die Absenkvorrichtung 6 aus der Elektrolytlösung 2 herausgehoben werden soll. Rückstände des Mehrlagenschichtsystems können dabei ggf. mit einer weichen Bürste entfernt werden. Über ein Badmonitoring 7 kann die Zusammensetzung der Elektrolytlösung 2 periodisch kontrolliert werden. Dabei kann auch die Konzentration von Metallverunreinigungen in der Elektrolytlösung 2 überwacht werden. Ggf. wird veranlasst eine frische Elektrolytlösung 2 zu präparieren. Die verbrauchte Elektrolytlösung 2 muss dann nach geltenden Vorschriften entsorgt werden. Da die Zusammensetzung der Elektrolytlösung 2 verglichen mit anderen galvanischen Bädern verhältnismäßig umweltverträglich ist (Natriumhydroxid kann sehr einfach neutralisiert werden), ist das Entsorgen nicht nur entsprechend einfach und damit günstig, sondern darüber hinaus auch aus ökologischer Sicht vorteilhaft und komplettiert so das erfindungsgemäße schonende elektrochemische Verfahren zum Entschichten von Mehrlagenschichtsystemen von Gasturbinenbauteilen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Gasturbinenbauteil
- 2
- Elektrolytlösung
- 3
- Temperaturregelung
- 4
- Behälter
- 5
- Spannungsversorgung
- 6
- Absenkvorrichtung
- 7
- Badmonitoring
- 8
- Kathode
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102004009757 A1 [0003]
- US 6454870 B1 [0004]
