DE102010034336A1

DE102010034336A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Entfernen einer Schicht von einer Oberfläche eines Körpers

Info

Publication number: DE102010034336A1
Application number: DE102010034336A
Authority: DE
Inventors: Dr. Cosack Thomas; Markus Niedermeier; Johann Öttl; Horst Pillhöfer; Dr. rer. nat. Ruhlig Dirk
Original assignee: MTU Aero Engines GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines AG
Priority date: 2010-08-14
Filing date: 2010-08-14
Publication date: 2012-02-16
Anticipated expiration: 2030-08-15
Also published as: WO2012022298A3; EP2603355B1; US20130139852A1; WO2012022298A9; DE102010034336B4; EP2603355A2; US9333623B2; WO2012022298A2

Abstract

Bei einem Verfahren zum Entfernen einer Schicht aus einem ersten Material von einer Oberfläche eines Körpers aus einem zweiten Material wird der Körper einem Druckstrahl ausgesetzt, der ein Strahlmittel aus Partikeln enthält, wobei der Druckstrahl wenigstens zeitweise eine Almenintensität von höchstens 0,35 Almen A, vorzugsweise höchstens 0,3 Almen A und besonders bevorzugt höchstens 0,25 Almen A aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Entfernen einer Schicht aus wenigstens einem ersten Material von einer Oberfläche eines Körpers aus wenigstens einem zweiten Material. Beispiele für solche Körper sind Bauteile von Maschinen oder Geräten, deren Oberfläche häufig mit einer Beschichtung aus einem anderen Material, wie beispielsweise aus einem Lack oder einer ähnlichen Schutzschicht, versehen sind. Eine besonders bevorzugte Verwendung betrifft Bauteile von Flugzeugtriebwerken, insbesondere Komponenten, etwa umströmte Profile wie zum Beispiel Lauf- oder Leitschaufeln bzw. -gitter. Beispiele für solche Schichten sind insbesondere Wärmedämmschichten bzw. Keramikschichten,, beispielsweise Beschichtungen, die ZrO₂ oder Al₂O₃ enthalten, insbesondere fehlerhafte Beschichtungen, auf neu hergestellten oder zu reparierenden Bauteilen.
Üblicherweise werden hierzu bisher Schleifverfahren verwendet, bei denen Schleifmittel manuell oder mit Hilfe von Schleifmaschinen zur Bearbeitung der Oberfläche verwendet werden. Bei anderen Verfahren kommen chemische Reimgungs- oder Ätzmittel zum Einsatz, mit deren Hilfe die abzutragende Schicht angegriffen und abgelöst wird. Insbesondere Wärmedämmschichten bzw. Keramikschichten werden häufig mittels Hochdruckwasserstrahlen, insbesondere auch in Kombination mit KOH-Lauge entfernt. Derartige Verfahren sind häufig recht aufwendig, mit dem Einsatz kostspieliger Geräte oder mit einer unerwünschten Veränderung der Haftschicht verbunden.
Aus der DE 10 2008 014 726 A1 ist ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zur Kugelstrahlbehandlung integral beschaufelter Rotoren bekannt. Dabei kann es jedoch zu einer Schädigung der Haftschicht, also der Oberflächenschicht, auf der die zu entfernende Schicht haftet, oder des Körpers aus dem zweiten Material, dem Grundwerkstoff, kommen.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Entfernen einer Schicht von einer Oberfläche eines Körpers zu verbessern.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 14 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, den Körper, dessen Oberfläche von einer Schicht befreit werden soll, einem Druckstrahl aus wenigstens einem Strahlmittel aus, insbesondere sphärischen, Partikeln auszusetzen, wobei der Druckstrahl während der gesamten Beaufschlagungszeit oder wenigstens in einem Teil dieser Zeit eine Almenintensität aufweist, die höchstens 0,35 Almen A, vorzugsweise höchstens 0,3 Almen A und besonders bevorzugt höchstens 0,25 Almen A aufweist.
Erfindungsgemäß wird somit gegenüber dem bekannten Stand der Technik ein Niedrigenergie-Ermüdungsstrahlen, insbesondere zum Entfernen von Wärmedämm- und/oder Keramikschichten, für Komponenten eines Flugzeugtriebwerks wie Leit- oder Laufgitter, insbesondere einer Turbine oder Turbinenstufe, vorgeschlagen. Das Verfahren kann gleichermaßen zur Reparatur solcher Komponenten als auch zur Entfernung von Beschichtungen bei der Neuherstellung verwendet werden.
Vorzugsweise beträgt die Almenintensität des Druckstrahls während der gesamten Beaufschlagungszeit oder wenigstens in einem Teil dieser Zeit wenigstens 0,005 Almen N, vorzugsweise wenigstens 0,01 Almen N und besonders bevorzugt wenigstens 0,05 Almen N.
Die Almenintensität ist ein quantitatives Maß für Strahlprozesse, insbesondere Kugelstrahlprozesse. Hierzu wird die Verformung, die der Strahlprozess in einer Probe, insbesondere einem Streifen aus SAE1070 Federstahl („Ahnenstreifen”) bei Bestrahlung aus 90 mm, hervorruft, insbesondere die Durchbiegung infolge der durch den Strahlprozess in der einseitig bestrahlten Probe eingeprägten Druckeigenspannungen, insbesondere die (maximale) Bogenhöhe des Almenstreifens, bestimmt. Dabei kann die Probe für eine definierte Zeit oder bis der Sättigungspunkt erreicht ist bestrahlt werden. Dieser ist definiert als die Durchbiegung, welche bei Verdopplung der Strahldauer nur noch um 10% zunimmt. Die Verformung kann auf die Wandstärke des verwendeten Ahnenstreifens bezogen werden. Diese beträgt bei N etwa 0,79 mm (0,031'') und bei A etwa 1,29 mm (0,051'').
Das erste Material kann auch mit dem zweiten Material ganz oder teilweise, insbesondere chemisch oder physikalisch, identisch sein. Die Partikel sind vorzugsweise sphärisch, müssen diesbezüglich jedoch nicht exakt kugelförmig sein; es genügt auch eine annähernd sphärische Form der Partikel.
Vorzugsweise wird dabei der Körper dem Druckstrahl nur solange ausgesetzt, bis die zu entfernende Schicht zu einem gewünschten Grad abgetragen ist. Bei einer anderen Ausführungsvariante der Erfindung wird der Körper dem Druckstrahl auch dann noch ausgesetzt, wenn die zu entfernende Schicht mit dem gewünschten Grad abgetragen ist, und zwar solange, bis die Oberfläche des Körpers an Stellen, an denen sie dem Druckstrahl ausgesetzt wurde, einen gewünschten, vorgegebenen Festigkeitsgrad erreicht hat. Diese Ausführungsform der Erfindung ist mit dem Vorteil verbunden, dass das Reinigen einer Oberfläche oder das Abtragen einer Schicht von einer Oberfläche mit einer verfestigenden Behandlung der Oberfläche in einem Arbeitsgang kombiniert werden kann. Bei der Bestrahlung einer Oberfläche mit Kugelstrahlen ist nämlich die Einbringung von Druckeigenspannungen in die Oberfläche möglich, wodurch die Dauerfestigkeit des Oberflächenwerkstoffs verbessert wird. Auf diese Weise lässt sich die Rissbildung, z. B. durch Korrosionsermüdung in der Oberfläche, entscheidend reduzieren.
Vorzugsweise bestehen die, insbesondere sphärischen, Partikel – während der Dauer der Bestrahlung wenigstens zeitweise – aus einem chemisch wenig reaktiven („inerten”) Material. Zusätzlich oder alternativ kann sich die Größe der Partikel, die Materialzusammensetzung und/oder die innere Struktur der Partikel mit der Dauer der Bestrahlung ändern. Insbesondere bei dem Übergang von der reinigenden, die Beschichtung abtragenden Wirkung der Bestrahlung zur härtenden Wirkung der Bestrahlung, kann sich eine Änderung der Größe der Partikel, ihrer Materialzusammensetzung oder ihrer inneren Struktur vorteilhaft auf das Ergebnis der Bestrahlung auswirken.
Vorzugsweise werden dabei wenigstens zeitweise Partikel eingesetzt, die einen konzentrisch mit einem ersten Material ummantelten, insbesondere sphärischen, Kern aus einem zweiten Material enthalten. Eine bevorzugte Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass der Druckstrahl neben einem Strahlmittel aus Partikeln, die vorzugsweise aus einem chemisch wenig reaktiven Material bestehen, wenigstens zeitweise noch wenigstens eine weitere Substanz enthält, die mit wenigstens einer Materialkomponente der zu entfernenden Schicht chemisch reagiert. Bei diesen chemisch reaktionsfähigen Materialien handelt es sich vorzugsweise um Laugen aus einem Alkalihydroxid, beispielsweise Kaliumhydroxid (KOH).
Untersuchungen haben ergeben, dass Glasperlen oder mit Glas ummantelte Partikel besonders geeignete Strahlmittel sind. Zusätzlich oder alternativ können einige oder alle Partikel auch Zirkonium (Zr), Keramik und/oder Kunststoff aufweisen, insbesondere hieraus bestehen.
Es hat sich gezeigt, dass Partikel, deren maximale oder mittlere Abmessung, insbesondere deren Durchmesser, wenigstens 5 μm, vorzugsweise wenigstens 10 μm und besonderes bevorzugt wenigstens 15 μm und/oder höchstens 550 μm, vorzugsweise höchstens 500 μm und besonderes bevorzugt höchstens 450 μm beträgt, bei wenigstens zeitweiser Verwendung zu vorteilhaften Ergebnissen der Oberflächenbeschaffenheit führen.
Der Überdeckungsgrad liegt bei einer Bestrahlung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren vorzugsweise zwischen 3 und 100.
Einige oder alle Partikel weisen wenigstens zeitweise vorzugsweise eine Härte zwischen 280 und 550 Härtegraden nach Vickers (HV) bei einer Prüfkraft von 0,3 Kilopond auf. Zusätzlich oder alternativ beträgt ihre Bruchdehnung ε vorzugsweise höchstens 0,3%, bevorzugt höchstens 0,2% und besonders bevorzugt höchstens 0,1%. Die mittlere Geschwindigkeit der Partikel im Druckstrahl beträgt vorzugsweise wenigstens 0,5 m/s, bevorzugt wenigstens 1 m/s und besonders bevorzugt wenigstens 20 m/s, und/oder höchstens 80 m/s.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102008014726 A1 [0003]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

SAE1070 [0009]

Claims

Verfahren zum Entfernen einer Schicht aus wenigstens einem ersten Material von einer Oberfläche eines Körpers aus wenigstens einem zweiten Material, bei dem der Körper einem Druckstrahl, der wenigstens ein Strahlmittel aus, insbesondere sphärischen, Partikeln enthält, ausgesetzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckstrahl wenigstens zeitweise eine Almenintensität von höchstens 0,35 Almen A, vorzugsweise höchstens 0,3 Almen A und besonders bevorzugt höchstens 0,25 Almen A aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Almenintensität des Druckstrahls wenigstens zeitweise wenigstens 0,005 Almen N, vorzugsweise wenigstens 0,01 Almen N und besonders bevorzugt wenigstens 0,05 Almen N beträgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 2, bei dem der Körper dem Druckstrahl nur solange ausgesetzt wird, bis die zu entfernende Schicht zu einem gewünschten Grad abgetragen ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 2, bei dem der Körper dem Druckstrahl auch dann noch ausgesetzt wird, wenn die zu entfernende Schicht mit dem gewünschten Grad abgetragen ist, solange, bis die Oberfläche des Körpers an den Stellen, an denen sie dem Druckstrahl ausgesetzt wurde, einen gewünschten vorgegebenen Festigkeitsgrad erreicht hat.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem einige oder alle Partikel Glas, Zirkonium, Keramik und/oder Kunststoff aufweisen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem Partikel wenigstens zeitweise einen konzentrisch mit einem ersten Material ummantelten Kern aus einem zweiten Material enthalten.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Druckstrahl neben einem Strahlmittel aus Partikeln, insbesondere aus einem chemisch wenig reaktiven Material, wenigstens zeitweise noch wenigstens eine weitere Substanz enthält, die mit wenigstens einem Material der zu entfernenden Schicht chemisch reagiert.
Verfahren nach Anspruch 7, bei dem die weitere Substanz eine Alkalihydroxid-Lauge ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem Partikel wenigstens zeitweise eine maximale oder mittlere Außenabmessung, insbesondere einen Durchmesser, aufweisen, die wenigstens 5 μm, vorzugsweise wenigstens 10 μm und besonderes bevorzugt wenigstens 15 μm und/oder höchstens 550 μm, vorzugsweise höchstens 500 μm und besonderes bevorzugt höchstens 450 μm beträgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Bestrahlung mit einem Überdeckungsgrad zwischen 3 und 100 erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem Partikel wenigstens zeitweise eine Härte zwischen 280 und 550 Härtegraden nach Vickers (HV) aufweisen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem eine Bruchdehnung von Partikeln höchstens 0,3%, bevorzugt höchstens 0,2% und besonders bevorzugt höchstens 0,1% beträgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem eine mittlere Geschwindigkeit von Partikel im Druckstrahl vorzugsweise wenigstens 0,5 m/s, bevorzugt wenigstens 1 m/s und besonders bevorzugt wenigstens 20 m/s, und/oder höchstens 80 m/s, beträgt.
Vorrichtung zum Entfernen einer Schicht aus wenigstens einem ersten Material von einer Oberfläche eines Körpers aus wenigstens einem zweiten Material, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche eingerichtet ist.