DE102010037042A1

DE102010037042A1 - Verfahren zum Schweißen monokristalliner Turbinenschaufelspitzen mittels eines korrosionsbeständigen Füllstoffmaterials

Info

Publication number: DE102010037042A1
Application number: DE102010037042A
Authority: DE
Inventors: Jeffrey Jon Niskayuna Schoonover; Magdi Naim Niskayuna Azer; Warren Martin Andre Jupiter Miglietti
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2009-08-31
Filing date: 2010-08-18
Publication date: 2011-03-03
Also published as: JP5887052B2; US20110052386A1; GB201013946D0; GB2473111B; JP2011052686A; CA2712883A1; GB2473111A; US8726501B2

Abstract

Geschaffen ist ein Verfahren zum Aufschweißen von Material auf einer Turbinenschaufel (18), die eine Spitzenwand (34) aufweist, die sich an einer Spitzenkappe (36) vorbei erstreckt, wobei die Spitzenwand (34) eine erste Legierung mit einer monokristallinen Mikrostruktur aufweist. Zu dem Verfahren gehören die Schritte: Aufschweißen einer zweiten Legierung wenigstens auf einem Abschnitt der Spitzenwand (34), um eine Instandsetzungsstruktur zu bilden, wobei eine Hochtemperaturkorrosionsbeständigkeit der zweiten Legierung größer ist als eine Hochtemperaturkorrosionsbeständigkeit der ersten Legierung, und wobei die Instandsetzungsstruktur eine kristallographische Ausrichtung aufweist, die im Wesentlichen mit einer kristallographischen Ausrichtung der Spitzenwand (34) übereinstimmt.

Description

HINTERGRUND ZU DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft allgemein die Instandsetzung von Gasturbinenkomponenten und speziell die Instandsetzung von Spitzenstrukturen für Turbinenschaufeln.
Turbinenschaufeln für Gasturbinentriebwerke sind üblicherweise anhand von Hohlgussstücken aus auf Nickel oder Kobalt basierenden ”Superlegierungen” hergestellt, die mit Blick auf Hochtemperaturbeständigkeit und Ermüdungsfestigkeit eine monokristalline Mikrostruktur aufweisen. Gegossene Turbinenschaufeln weisen häufig eine Struktur auf, die als ”Anlaufspitze (Kronenschärfung)” bekannt ist. Eine Kronenschärfung ist eine verhältnismäßig kurze Verlängerung, die eine der Turbinenschaufel entsprechende Querschnittsform aufweist und entweder einstückig mit dem radial äußeren Ende der Turbinenschaufel hergestellt oder daran befestigt ist. Die Verwendung einer Kronenschärfung an Turbinenschaufelspitzen kann effektiv die nachteiligen Wirkungen einer Reibung zwischen Turbinenschaufeln und dem Mantel vermindern.
Turbinenschaufeln sind in einer oxidierende Gasumgebung hohen Betriebstemperaturen unterworfen. Im Betrieb versagen die Spitzen von Turbinenschaufeln häufig aufgrund von Korrosion und thermischer mechanischer Materialermüdung. Anstatt die gesamte Schaufel zu ersetzen, werden die Spitzen im Falle eines Ausfalls häufig zwischen den Wartungsintervallen instandgesetzt. Bekannte Reparaturverfahren von Turbinenschaufelspitzen verwenden Schweißschritte bei relativ hohen Temperaturen mittels des Plasmalichtbogen- oder Gas-Wolfram-Lichtbogen-(GTA, Gas Tungsten Arc)-Schweißverfahrens unter Verwendung eines Füllstoffmaterials, das hohe Duktilität aufweist, so dass die Gefahr eines Bruch der Schweißnaht auf ein Minimum reduziert ist. Allerdings ist die anhand dieses Verfahrens entstehende Schweißnahtzusammensetzung von Natur aus polykristallin und nicht monokristallin. Sie weist daher nicht dieselbe thermische Ermüdungsfestigkeit auf wie die ursprüngliche Turbinenschaufel.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Diese und weitere Nachteile aus dem Stand der Technik werden durch die vorliegende Erfindung behandelt, die ein Verfahren zum Instandsetzen einer Spitze einer Schaufel schafft, wobei das Verfahren einen reparierten Bereich hervorbringt, der eine verbesserte Hochtemperaturkorrosionsbeständigkeit sowie eine hohe thermische Ermüdungsfestigkeit aufweist.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zum Aufschweißen von Material auf einer Turbinenschaufel geschaffen, die eine Spitzenwand aufweist, die sich an einer Spitzenkappe vorbei erstreckt, wobei die Spitzenwand eine erste Legierung mit einer monokristallinen Mikrostruktur aufweist. Zu dem Verfahren gehören die Schritte: Aufschweißen einer zweiten Legierung wenigstens auf einem Abschnitt der Spitzenwand, um eine Instandsetzungsstruktur zu bilden, wobei eine Hochtemperaturkorrosionsbeständigkeit der zweiten Legierung größer ist als eine Hochtemperaturkorrosionsbeständigkeit der ersten Legierung, und wobei die Instandsetzungsstruktur eine kristallographische Ausrichtung aufweist, die im Wesentlichen mit einer kristallographischen Ausrichtung der Spitzenwand übereinstimmt.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zum Austauschen einer Spitzenwand auf einer Turbinenschaufel geschaffen, wobei das Turbinenschaufelblatt eine Spitzenwand aufweist, die sich an einer Spitzenkappe vorbei erstreckt, und wobei das Turbinenschaufelblatt eine erste Legierung mit einer monokristallinen Mikrostruktur aufweist. Zu dem Verfahren gehören die Schritte: Entfernen der Spitzenwand von der Turbinenschaufel; und Aufschweißen einer zweiten Legierung auf der Spitzenkappe, um eine Austauschspitzenwand zu bilden, wobei eine Hochtemperaturkorrosionsbeständigkeit der zweiten Legierung größer ist als eine Hochtemperaturkorrosionsbeständigkeit der ersten Legierung, und wobei die Austauschspitzenwand eine kristallographische Ausrichtung aufweist, die im Wesentlichen mit einer kristallographischen Ausrichtung der Turbinenschaufel übereinstimmt.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zum Ausbilden einer Spitzenwand auf einer Turbinenschaufel geschaffen, wobei das Turbinenschaufelblatt eine Spitzenkappe aufweist, und wobei die Schaufel eine erste Legierung mit einer monokristallinen Mikrostruktur aufweist, wobei das Verfahren die Schritte beinhaltet: Aufschweißen einer zweiten Legierung auf der Spitzenkappe, um eine Spitzenwand auszubilden, wobei eine Hochtemperaturkorrosionsbeständigkeit der zweiten Legierung größer ist als eine Hochtemperaturkorrosionsbeständigkeit der ersten Legierung, und wobei die Spitzenwand eine kristallographische Ausrichtung aufweist, die im Wesentlichen mit einer kristallographischen Ausrichtung der Turbinenschaufel übereinstimmt.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Erfindung wird nach dem Lesen der Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen ohne weiteres verständlich:
1 veranschaulicht in einer perspektivischen Ansicht eine exemplarische Turbinenschaufel;
2 zeigt in einer schematischen Seitenansicht einen Abschnitt der Turbinenschaufel nach 1 vor einer Instandsetzung;
3 zeigt in einer schematischen Seitenansicht einen Abschnitt der Turbinenschaufel nach 3 nach einem Reinigungs- und Vorbehandlungsschritt;
4 zeigt eine schematische Ansicht einer Laserschweißeinrichtung; und
5 zeigt in einer schematischen Seitenansicht einen Abschnitt der Turbinenschaufel nach 4 nach einem Aufschweißschritt.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Mit Bezug auf die Zeichnungen, in denen übereinstimmende Elemente über die unterschiedlichen Ansichten hinweg mit identischen Bezugszeichen versehen sind, veranschaulichen 1 und 2 eine exemplarische Turbinenschaufel 10. Die Turbinenschaufel 10 enthält einen herkömmlichen Schwalbenschwanz 12, der eine beliebige geeignete Gestalt aufweisen kann, beispielsweise Vorsprünge, die sich mit komplementären Aussparungen einer Schwalbenschwanznut in einer (nicht gezeigten) Rotorscheibe in Eingriff befinden, um die Schaufel 10 in radialer Richtung an der Scheibe festzuhalten, während diese im Betrieb rotiert. Ein Schaufelschaft 14 erstreckt sich radial von dem Schwalbenschwanz 12 ausgehend nach oben und endet in einer Platte 16, die seitlich von dem Schaft 14 nach außen vorspringt und diesen umgibt. Ein hohles Schaufelblatt 18 erstreckt sich ausgehend von der Platte 16 radial nach außen. Das Schaufelblatt 18 weist eine äußere Wand auf, die auf einer konkaven Druckseitenaußenwand 20 und einer konvexen Saugseitenaußenwand 22 basiert, die an einer Anströmkante 24 und an einer Abströmkante 26 vereinigt sind. Die Abströmkante 26 kann mit Abströmkantenkühlkanälen ausgebildet sein, beispielsweise mit den veranschaulichten Löchern 28. Das Schaufelblatt 18 weist einen Fuß 30 und eine Spitze 32 auf. Der radial am weitesten außen liegende Abschnitt der Schaufel 18 definiert eine periphere Spitzenwand 34, die gelegentlich als eine ”pfeifende Spitze (Kronenschärfung)” bezeichnet wird. Eine Spitzenkappe 36 schließt den Innenraum des Schaufelblatts 18 ab und ist von der Spitze 32 ausgehend um eine kurze Strecke radial nach innen zurückgesetzt angeordnet. Das Schaufelblatt 18 kann eine beliebige geeignete Konstruktion aufweisen, um dem Heißgasstrom Energie zu entziehen, und um die Rotation der Rotorscheibe zu bewirken. Die Schaufel 10 ist vorzugsweise als ein einstückiges Gussteil aus einer geeigneten ”Superlegierung” einer bekannten Art gestaltet, beispielsweise einer Nickelbasissuperlegierung (z. B. Rene 80, Rene 142, Rene N4, Rene N5), die bei den verhältnismäßig hohen Betriebstemperaturen in einer Gasturbine eine angemessene Festigkeit aufweist. Die Schaufel 10 wird mit einer ausgewählten kristallinen, z. B. monokristallinen (”SX, Single-Crytal-”), Mikrostruktur ausgebildet.
Das Innere der Turbinenschaufel 10 ist überwiegend hohl und weist eine Anzahl von inneren Kühlungsmerkmalen bekannter Art auf, z. B. Wände, die Kühlschlangen definieren, Rippen, Turbulenzförderer (”Turbulatoren”), usw. Während die Turbinenschaufel 10 eine Hochdruckturbinenlaufschaufel ist, sind die Grundzüge der vorliegenden Erfindung auf jede beliebige Bauart eines Turbineschaufelblatts anwendbar.
Im Betrieb ist die Turbinenschaufel 10 einem Strom von Hochtemperaturverbrennungsgasen ausgesetzt, die eine oxidierende Umgebung bilden. Nach eine gewissen Betriebslaufzeit führt dies zu Defekten, beispielsweise Materialermüdungsrissen, die beispielsweise mit ”C” bezeichnet dargestellt sind, und Materialverlust aufgrund von Korrosion, die beispielsweise mit ”O” bezeichnet veranschaulicht ist (siehe 2).
Der Anfangsschritt des Spitzeninstandsetzungsverfahrens bei einer Instandsetzung derartiger Schadstellen basiert darauf, die Spitze 32 von sämtlichen Beschichtungsstoffen (beispielsweise Korrosions- und Wärmeschutzbeschichtungen) zu befreien. Der Beschichtungsstoff kann durch eine beliebige geeignete Technik, z. B. Sandstrahlen, chemische Bäder und dergleichen, oder durch eine Kombination solcher Techniken abgeräumt werden. Falls erforderlich kann die Spitze 32 nach dem Abräumen mittels eines Verfahrens wie Fluoridionenreinigung gereinigt werden.
Als Nächstes werden sämtliche beschädigten Abschnitte ausgeschnitten oder nach Bedarf ”entkleidet”, um jede Verunreinigung von den Schadstellen zu entfernen und einen Hohlraum ”V” in jeder Schadstelle zu erzeugen, der eine saubere Stoßfläche und einen bequemen Zugang für eine nachfolgende Instandsetzung aufweist. Dies kann mittels einer Vielfalt von Techniken erreicht werden, beispielsweise, jedoch ohne es darauf beschränken zu wollen, spanabhebende Bearbeitungstechniken wie Schleifen und Schneiden. Für gewisse Anwendungen können eine oder mehrere Schichten von der Spitzenwand entfernt werden. Im Falle anderer Anwendungen werden eine oder mehrere ausgewählte Regionen von der Spitzenwand entfernt. Das Ergebnis dieses Schritts ist in 3 dargestellt.
Als Nächstes werden die Hohlräume V durch Laserschweißen aufgefüllt. Ein Beispiel einer geeigneten Einrichtung für Laserschweißen ist in dem US-Patent 5 622 638 von Schell et al. offenbart, das dem Anmelder dieser Anmeldung gehört, und ist in 4 schematisch veranschaulicht. Die Einrichtung enthält einen Laser 38, eine gekapselte Strahlzufuhrleitung 40, Laserfokussierungsoptik 42, ein Komponentenpositionierungssystem 44, ein Betrachtungssystem 46 für die Überwachung der Komponentenposition und des Laserpfads, eine (nicht gezeigte) optionale Vorheizkammer und ein Pulvereinspeisungssystem 48 mit einem Pulverrohr 50. Die Arbeitsweise und Koordination der einzelnen Teile der Vorrichtung werden durch einen rechnergestützten Systemcontroller 52 gesteuert.
Mittels der in 4 dargestellten Einrichtung wird in einem oder mehreren Durchgängen geschmolzenes Legierungspulver in den Hohlräumen V aufgeschweißt. In einer Abwandlung kann Pulver aufgeschweißt und anschließend erwärmt werden, um es mit der Spitzenwand 34 zu verschmelzen und zu vereinigen, oder die Füllstofflegierung kann in Form eines Drahts zugeführt werden. Vorzugsweise basiert die Pulverlegierungszusammensetzung auf einem Material, das eine bessere Hochtemperaturkorrosionsbeständigkeit aufweist als die Grundlegierung des Schaufelblatts 18. Ein nicht beschränkendes Beispiel einer geeigneten Pulverzusammensetzung ist eine Nickelbasislegierung, die in Gewichtsprozent ungefähr folgende Zusammensetzung aufweist: 0,01–0,03 C, 7,4–7,8 Cr, 2,9–3,3 Co, 5,3–5,6 Ta, 7,6–8,0 Al, 3,7–4,0 W, 0,01–0,02 B, 0,12–0,18 Hf, 1,5–1,8 Re, 0,5–0,6 Re, wobei Nickel und zufällige Verunreinigungen die Differenz zu 100 bilden.
Die genauen Prozessparameter können abweichen, um zu einer speziellen Anwendung zu passen. Beispielsweise kann der Laserstrahl kontinuierlich oder bei einer beliebigen Frequenz gepulst betrieben werden, und der Laserbetriebszyklus kann 0–100 betragen. Die Laserleistung kann beispielsweise etwa 50 W bis ungefähr 1200 W betragen. Die Laserwellenlänge kann im Bereich von etwa 0,01 bis ungefähr 100 μm liegen. Die Vorschubgeschwindigkeit kann etwa 0,01 cm/s bis ungefähr 100 cm/s betragen. Die Pulvereinspeisungsrate kann im Bereich von etwa 0,1 g/min bis etwa 10 g/min liegen. In dem veranschaulichten Beispiel wird ein gepulster Laserstrahl mit einer maximalen Leistung von 200 W, einer Pulsfrequenz von 5 Hz und einem Betriebszyklus von 50 verwendet. Die Vorschubgeschwindigkeit beträgt etwa 0,57 cm/s (0,225 Zoll/s).
Wie in 5 dargestellt, erzeugt der Laserschweißvorgang eine verfestigte Schweißnahtfüllung ”F”, die an dem Ort jeder Schadstelle mit der Spitzenwand 34 metallurgisch verbunden ist. Bei korrekter Steuerung der Prozessparameter erzeugt dieses Verfahren dieselbe kristallographische (beispielsweise monokristalline) Ausrichtung in der Schweißnahtfüllung F wie sie in dem übrigen Schaufelblatt 18 vorhanden ist. Wenn der Laserschweißvorgang vollendet ist, kann die Schweißnahtfüllung F mit Blick auf eine Wiederherstellung der ursprünglichen Abmessungen und Bedingungen der Spitzenwand 34 durch bekannte Verfahren, z. B. spanabhebende Bearbeitung, Schleifen, Beschichten, usw. weiter gestaltet werden.
Das oben beschriebene Verfahren erhöht die Lebensdauer einer reparierten Spitze, indem die Korrosionsbeständigkeit der Spitze durch eine Änderung der Zusammensetzung verbessert wird. Mit anderen Worten das neue Spitzenmaterial, das unter Verwendung eines Lasers aufgeschweißt ist, weist eine bessere Korrosionsbeständigkeit auf als das Basismetall. Diese macht die reparierte Spitzenstruktur gegen ”Abbrennen” im Betrieb widerstandsfähig. Außerdem ermöglicht die mittels Laserschweißen reparierte Spitze mit ihrer monokristallinen Mikrostruktur im Vergleich zu einer polykristallinen Schweißnahtmikrostruktur, die mittels eines Lichtbogenschweißverfahrens aus dem Stand der Technik erzeugt ist, eine bessere Beständigkeit gegen thermische Materialermüdungsrisse.
Im Vorausgehenden wurde ein Verfahren für ein Instandsetzen von Schaufelblättern und Spitzenstrukturen von Gasturbinen beschrieben. Während spezielle Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung beschrieben wurden, wird es dem Fachmann verständlich sein, dass vielfältige Modifikationen vorgenommen werden können, ohne dass dabei von dem Schutzumfang und Gegenstand der Erfindung abgewichen wird. Dementsprechend ist die vorausgehende Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung und des besten Modus für eine praktische Verwirklichung der Erfindung lediglich zum Zwecke einer Veranschaulichung vorgesehen und soll nicht beschränken.
Geschaffen ist ein Verfahren zum Aufschweißen von Material auf einer Turbinenschaufel 18, die eine Spitzenwand 34 aufweist, die sich an einer Spitzenkappe 36 vorbei erstreckt, wobei die Spitzenwand 34 eine erste Legierung mit einer monokristallinen Mikrostruktur aufweist. Zu dem Verfahren gehören die Schritte: Aufschweißen einer zweiten Legierung wenigstens auf einem Abschnitt der Spitzenwand 34, um eine Instandsetzungsstruktur zu bilden, wobei eine Hochtemperaturkorrosionsbeständigkeit der zweiten Legierung größer ist als eine Hochtemperaturkorrosionsbeständigkeit der ersten Legierung, und wobei die Instandsetzungsstruktur eine kristallographische Ausrichtung aufweist, die im Wesentlichen mit einer kristallographischen Ausrichtung der Spitzenwand 34 übereinstimmt.
Bezugszeichenliste

C: Risse
O: Korrosion
V: Hohlraum
F: Verfestigte Schweißnahtfüllung
10: Turbinenschaufel
12: Schwalbenschwanz
14: Schaufelschaft
16: Platte
18: Hohles Schaufelblatt
20: Druckseitenaußenwand
22: Saugseitenaußenwand
24: Anströmkante
26: Abströmkante
28: Löcher
30: Fuß
32: Spitze
34: Spitzenwand
36: Spitzenkappe
38: Laser
40: Strahlzufuhrleitung
42: Laserfokussierungsoptik
44: Komponentenpositionierungssystem
46: Betrachtungssystem
48: Pulvereinspeisungssystem
50: Pulverrohr
52: Rechnergestützter Systemcontroller

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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.
Zitierte Patentliteratur

US 5622638 [0019]

Claims

Verfahren zum Aufschweißen von Material auf eine Turbinenschaufel (18), wobei das Turbinenschaufelblatt (18) eine Spitzenwand (34) aufweist, die sich an einer Spitzenkappe (36) vorbei erstreckt, und wobei die Spitzenwand (34) eine erste Legierung mit einer monokristallinen Mikrostruktur aufweist, wobei das Verfahren beinhaltet: Aufschweißen einer zweiten Legierung auf wenigstens einen Abschnitt der Spitzenwand (34), um eine Instandsetzungsstruktur zu bilden, wobei eine Hochtemperaturkorrosionsbeständigkeit der zweiten Legierung größer ist als eine Hochtemperaturkorrosionsbeständigkeit der ersten Legierung, und wobei die Instandsetzungsstruktur eine kristallographische Ausrichtung aufweist, die im Wesentlichen mit einer kristallographischen Ausrichtung der Spitzenwand (34) übereinstimmt.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner mit dem Schritt, vor dem Durchführen des Aufschweißschritts ein Oberflächenvorbehandlungsverfahren an der Spitzenwand (34) durchzuführen.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner mit dem Schritt, einen Abschnitt der Spitzenwand (34) vor dem Durchführen des Aufschweißschritts zu entfernen.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei der Schritt des Entfernens einen Hohlraum in der Spitzenwand (34) bildet und wobei der Aufschweißschritt ein Aufschweißen der zweiten Legierung in dem Hohlraum beinhaltet, um eine Schweißnahtfüllung zu bilden.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei der Schritt des Entfernens die Durchführung eines spanabhebenden Bearbeitungsschritts beinhaltet, um wenigstens eine Schadstelle zu entfernen, die in der Spitzenwand (34) vorhanden ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Aufschweißschritt beinhaltet, ein Pulver auf die Spitzenwand (34) aufzubringen, und eine Energiequelle auf das Pulver anzuwenden, um das Pulver zu verschmelzen, um die Instandsetzungsstruktur auszubilden.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Energiequelle auf einem Laser basiert.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei der Schritt des Entfernens einen Hohlraum in der Spitzenwand (34) definiert, und wobei der Aufschweißschritt die Schritte beinhaltet: Einbringen des Pulvers in den Hohlraum; Verwenden des Lasers, um eine exponierte Schicht des Pulvers zu sintern; und Wiederholen der Schritte des Einbringens und Sinterns, bis die Schweißnahtfüllung vollendet ist.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei der Schritt des Entfernens einen Hohlraum in der Spitzenwand (34) definiert, und wobei der Aufschweißschritt die Schritte beinhaltet: Verwenden des Lasers, um das Pulver zu schmelzen; Aufschweißen des geschmolzenen Pulvers in den Hohlraum; und Ermöglichen, dass das geschmolzene Pulver abkühlt und erstarrt, um die Instandsetzungsstruktur auszubilden.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei der Aufschweißschritt die Schritte beinhaltet: Zuführen eines Füllstoffdrahts, der die zweite Legierung aufweist, in der Nähe des entsprechenden Abschnitts der Spitzenwand (34); und Anwenden einer Energiequelle auf den Füllstoffdraht, um den Füllstoffdraht auf der Spitzenwand (34) zu plattieren.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei die Energiequelle auf einem Laser basiert.
Turbinenschaufel (18), die eine Instandsetzungsstruktur aufweist, die durch das Verfahren nach Anspruch 1 ausgebildet ist.