DE102014200897A1 - Method for repairing a blade segment - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reparatur eines Schaufelsegments (1) aus einer polykristallin erstarrten Nickelbasis-Superlegierung mit zumindest einer Schaufel (2) und zumindest einer mit dieser verbundenen Schaufelplattform (3, 4), das die Schritte aufweist: a) Bereitstellen des zu reparierenden Schaufelsegments (1), dessen Schaufelplattform (3, 4) wenigstens einen verschlissenen Seitenkantenabschnitt (5) aufweist; b) Entfernen zumindest des verschlissenen Seitenkantenabschnitts (5); c) Herstellen eines Ersatzteils (7), dessen Abmessungen und Material im Wesentlichen den Abmessungen und dem Material des entfernten Seitenkantenabschnitts (5) entsprechen; d) Positionieren und Vorfixieren des Ersatzteils (7) an der Schaufelplattform (3, 4) und e) Umschmelzen des Ersatzteil- und Schaufelplattformmaterials entlang der zwischen dem Ersatzteil (7) und der Schaufelplattform (3, 4) vorhandenen StoßfugeThe invention relates to a method for repairing a blade segment (1) of a polycrystalline nickel base superalloy having at least one blade (2) and at least one blade platform (3, 4) connected thereto, comprising the steps of: a) providing the part to be repaired Blade segment (1), the blade platform (3, 4) has at least one worn side edge portion (5); b) removing at least the worn side edge portion (5); c) producing a replacement part (7) whose dimensions and material correspond substantially to the dimensions and material of the removed side edge portion (5); d) positioning and prefixing the replacement part (7) to the blade platform (3, 4); and e) remelting the replacement part and blade platform material along the butt joint existing between the replacement part (7) and the blade platform (3, 4)

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reparatur eines Schaufelsegments aus einer polykristallin erstarrten Nickelbasis-Superlegierung mit zumindest einer Schaufel und zumindest einer mit dieser verbundenen Schaufelplattform. The present invention relates to a method for repairing a blade segment made of a polycrystalline nickel-base superalloy having at least one blade and at least one blade platform connected thereto.

Schaufelsegmente der eingangs genannten Art, wie sie insbesondere in Turbinen eingesetzt werden, sind während des Betriebs extremen Bedingungen ausgesetzt, was mit einem hohen Verschleiß einhergeht. Entsprechend sind Schaufelsegmente in regelmäßigen Abständen zu reparieren oder auszutauschen. Dabei können insbesondere Beschädigungen der Plattformseitenflächen die Lebensdauer eines Schaufelsegments erheblich reduzieren. Blade segments of the type mentioned, as used in particular in turbines are exposed to extreme conditions during operation, which is associated with high wear. Accordingly, blade segments are to be repaired or replaced at regular intervals. Damage to the platform side surfaces in particular can significantly reduce the service life of a blade segment.

Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Reparatur eines Schaufelsegments der eingangs genannten Art zu schaffen, mit dem Beschädigungen an den Schaufelplattformseitenflächen behoben werden können. Based on this prior art, it is an object of the present invention to provide a method for repairing a blade segment of the type mentioned, with the damage to the blade platform side surfaces can be solved.

Zur Lösung dieser Aufgabe schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren der eingangs genannten Art, das die Schritte aufweist: a) Bereitstellen des zu reparierenden Schaufelsegments, dessen Schaufelplattform wenigstens einen verschlissenen Seitenkantenabschnitt aufweist; b) Entfernen zumindest des verschlissenen Seitenkantenabschnitts; c) Herstellen eines Ersatzteils, dessen Abmessungen und Material im Wesentlichen den Abmessungen und dem Material des entfernten Seitenkantenabschnitts entsprechen; d) Positionieren und Vorfixieren des Ersatzteils an der Schaufelplattform und e) Umschmelzen des Ersatzteil- und Schaufelplattformmaterials entlang der zwischen dem Ersatzteil und der Schaufelplattform vorhandenen Stoßfuge. To achieve this object, the present invention provides a method of the type mentioned, comprising the steps of: a) providing the blade segment to be repaired, the blade platform has at least one worn side edge portion; b) removing at least the worn side edge portion; c) producing a replacement part whose dimensions and material correspond substantially to the dimensions and material of the removed side edge portion; d) positioning and prefixing the replacement part to the blade platform; and e) remelting the replacement part and blade platform material along the butt joint existing between the replacement part and the blade platform.

Mit anderen Worten wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ein verschlissener Seitenkantenabschnitt durch einen neuen Seitenkantenabschnitt in Form des Ersatzteils ersetzt, das vorteilhaft aus einer identischen Nickelbasis-Superlegierung gefertigt ist. Versuche haben ergeben, dass das Umschmelzen des Ersatzteil- und Schaufelplattformmaterials entlang der zwischen dem Ersatzteil und der Schaufelplattform vorhandenen Stoßfuge dazu führt, dass den umgeschmolzenen Bereichen sehr gute Hochtemperatureigenschaften verliehen werden, weshalb ein Versagen des reparierten Schaufelsegments an der Fügestelle nicht zu erwarten ist. Dies liegt darin begründet, dass die umgeschmolzenen Bereiche frei sind von Poren, sich Karbide während des Umschmelzprozesses weitgehend auslösen und das Gefüge mit kleinen Dendritenabständen erstarrt, die im Bereich von etwa 30 µm liegen. Dank des erfindungsgemäßen Verfahrens können verschlissene Seitenkantenabschnitte von Schaufelsegmenten somit verlässlich wiederhergestellt werden. In other words, in the method according to the invention a worn side edge portion is replaced by a new side edge portion in the form of the replacement part, which is advantageously made of an identical nickel-base superalloy. Experiments have shown that the remelting of the spares and blade platform material along the butt joint existing between the replacement part and the blade platform results in giving the reflowed areas very good high temperature properties, so failure of the repaired blade segment at the joint is not expected. This is due to the fact that the remelted areas are free of pores, largely trigger carbides during the remelting process and solidifies the structure with small dendrite intervals, which are in the range of about 30 microns. Thanks to the method according to the invention, worn side edge sections of blade segments can thus be reliably restored.

Bevorzugt handelt es sich bei der Nickelbasis-Superlegierung um eine solche mit großem Anteil an intermetallischer Phase (γ’), insbesondere um Rene 80. Mit Rene 80 konnten beim Umschmelzen besonders gute Hochtemperatureigenschaften erzielt werden. The nickel-base superalloy is preferably one with a high proportion of intermetallic phase (γ '), in particular Rene 80. With Rene 80, particularly good high-temperature properties could be achieved during remelting.

Das Ersatzteil in Schritt c) wird vorteilhaft mittels Gießen, Fräsen und/oder selektivem Laserschmelzen (SLM) hergestellt. Die Auswahl des Herstellungsverfahrens kann dabei von verschiedenen Faktoren abhängen, wie beispielsweise von der Anzahl herzustellender Ersatzteile mit identischer Geometrie, von der Komplexität der Geometrie des Ersatzteils oder dergleichen. The replacement part in step c) is advantageously produced by means of casting, milling and / or selective laser melting (SLM). The selection of the manufacturing method may depend on various factors, such as the number of parts to be produced with identical geometry, the complexity of the geometry of the replacement part or the like.

Die Vorfixierung des Ersatzteils an der Schaufelplattform in Schritt d) erfolgt gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung mechanisch. The prefixing of the replacement part on the blade platform in step d) takes place mechanically according to an embodiment of the present invention.

Bevorzugt erfolgt die Vorfixierung zumindest über ein passfederartiges Verbindungselement, das in zuvor in den die Stoßfuge definierenden Stoßkanten des Ersatzteils und der Schaufelplattform ausgebildete Nuten greift, insbesondere unter Bildung einer Übergangspassung oder einer leichten Presspassung. Preferably, the prefixing takes place at least via a feather-key-like connecting element, which engages in grooves previously formed in the butt joint-defining abutting edges of the replacement part and the blade platform, in particular forming a transition fit or a slight interference fit.

Das Verbindungselement ist vorteilhaft aus einem Blech hergestellt, das während des Umschmelzprozesses als Schmelzbadstütze dient. The connecting element is advantageously made of a metal sheet which serves as Schmelzbadstütze during the Umschmelzprozesses.

Gemäß einer Variante der vorliegenden Erfindung erstreckt sich das zumindest eine Verbindungselement im Wesentlichen mittig entlang der Stoßkanten bzw. auf halber Höhe der Stoßkanten, wodurch eine gute Vorfixierung sichergestellt wird. According to a variant of the present invention, the at least one connecting element extends substantially centrally along the abutting edges or at half the height of the abutting edges, whereby a good pre-fixing is ensured.

Das Umschmelzen in Schritt e) erfolgt gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens unter Einsatz eines Laserstrahls. Das Laserstrahl-Umschmelzen zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass die Wärmeenergie sehr lokal im Bereich der Stoßfuge eingebracht werden kann, wodurch ein nennenswerter Bauteilverzug vermieden werden kann. Denkbar ist grundsätzlich auch die Verwendung eines Elektronenstrahls, wobei der Einsatz eines Laserstrahls bevorzugt wird. The remelting in step e) is carried out according to a preferred embodiment of the method according to the invention using a laser beam. The remelting of the laser beam is characterized in particular by the fact that the heat energy can be introduced very locally in the area of the butt joint, whereby a significant component distortion can be avoided. Also conceivable is the use of an electron beam, the use of a laser beam being preferred.

Das Umschmelzen in Schritt e) erfolgt vorteilhaft beidseitig, wodurch ein optimiertes Arbeitsergebnis erzielt wird. The remelting in step e) is advantageously carried out on both sides, whereby an optimized work result is achieved.

Vorteilhaft wird das reparierte Bauteil nach dem Umschmelzen in Schritt e) einer das Bauteilgefüge beeinflussenden Wärmebehandlung unterzogen, um die gewünschten Materialeigenschaften einzustellen. Advantageously, the repaired component after remelting in step e) of the Subjected component structure affecting heat treatment to adjust the desired material properties.

Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden anhand der nachfolgenden Beschreibung eines Verfahrens gemäß einer Ausführungsform der Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung deutlich. Darin ist Further features and advantages of the present invention will become apparent from the following description of a method according to an embodiment of the invention with reference to the accompanying drawings. That's it

1 eine schematische perspektivische Ansicht eines Schaufelsegments mit verschlissenem Schaufelplattformseitenkantenabschnitt und eines Ersatzteils, das als Ersatz für den verschlissenen Seitenkantenabschnitt dient; 1 a schematic perspective view of a blade segment with worn blade platform side edge portion and a spare part, which serves as a replacement for the worn side edge portion;

2 eine schematische perspektivische Darstellung der in 1 dargestellten Anordnung, bei der der verschlissene Seitenkantenabschnitt entfernt und durch das Ersatzteil ersetzt ist; und 2 a schematic perspective view of in 1 illustrated arrangement in which the worn side edge portion is removed and replaced by the spare part; and

3 eine vergrößerte Seitenansicht des in 2 mit dem Bezugszeichen III bezeichneten Ausschnitts. 3 an enlarged side view of the in 2 with the reference number III designated section.

1 zeigt ein Schaufelsegment 1, das einteilig aus einer polykristallin erstarrten Nickelbasis-Superlegierung mit großem Anteil an intermetallischer Phase (γ’) hergestellt ist, vorliegend aus Rene 80. Das Schaufelsegment 1 umfasst eine Schaufel 2, eine untere Schaufelplattform 3 und eine obere Schaufelplattform 4, wobei ein Seitenkantenabschnitt 5 der unteren Schaufelplattform 3 verschlissen ist. Das Schaufelsegment 1 ist vorliegend als Leitschaufelsegment ausgebildet. Es sollte jedoch klar sein, dass es sich bei dem Schaufelsegment 1 grundsätzlich auch um ein Laufschaufelsegment handeln kann. 1 shows a blade segment 1 , which is made in one piece of a polycrystalline solidified nickel-based superalloy with a high proportion of intermetallic phase (γ '), in this case from Rene 80. The blade segment 1 includes a shovel 2 , a lower scoop platform 3 and an upper paddle platform 4 wherein a side edge portion 5 the lower blade platform 3 worn out. The blade segment 1 is presently designed as a vane segment. It should be understood, however, that this is the blade segment 1 basically also can act around a blade segment.

Zur Reparatur des Schaufelsegments 1 wird gemäß einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens zunächst der verschlissene Seitenkantenabschnitt 5 entlang der Trennlinie 6 abgetrennt, wozu jedes geeignete Trennverfahren eingesetzt werden kann, wie beispielsweise das Drahterosionsverfahren, um nur ein Beispiel zu nennen. To repair the blade segment 1 According to one embodiment of a method according to the invention, first the worn side edge section 5 along the dividing line 6 For which any suitable separation method can be used, such as the wire erosion process, to name just one example.

In einem weiteren Schritt wird ein Ersatzteil 7 hergestellt, dessen Abmessungen und Material im Wesentlichen den Abmessungen und dem Material des entfernten Seitenkantenabschnitts 5 entsprechen. Vorliegend ist das Ersatzteil ebenso wie das Schaufelsegment 1 aus Rene 80 hergestellt. Die Herstellung des Ersatzteils 7 kann beispielsweise mittels Gießen, Fräsen und/oder selektivem Laserschmelzen (SLM) erfolgen. Die Wahl des Herstellungsverfahrens hängt von verschiedenen Faktoren ab. Bei der Herstellung einer Vielzahl von Ersatzteilen 7 mit identischen Abmessungen bietet sich insbesondere das Gießen mit sich anschließender mechanischer Nachbearbeitung an. Bei kleineren Stückzahlen ist das Fräsen wirtschaftlich. Für die Produktion einzelner Ersatzteile 7 stellt auch das selektive Laserschmelzen eine Alternative dar. Bezüglich der Herstellung des Ersatzteils 7 ist es von Vorteil, wenn die Trennlinie 6, entlang welcher der verschlissene Seitenkantenabschnitt 5 der unteren Schaufelplattform 3 abgetrennt wird, eine Trennebene definiert, so dass sich eine glatte Schnittfläche ergibt. Hierdurch erhält das Ersatzteil 7 eine einfache Geometrie, weshalb dieses einfach und preiswert herzustellen ist. In a further step becomes a spare part 7 manufactured, whose dimensions and material substantially the dimensions and the material of the removed side edge portion 5 correspond. In the present case, the spare part as well as the blade segment 1 made from Rene 80. The production of the spare part 7 can be done for example by means of casting, milling and / or selective laser melting (SLM). The choice of the manufacturing process depends on various factors. In the production of a variety of spare parts 7 with identical dimensions, in particular, the casting with subsequent mechanical post-processing offers. For smaller quantities milling is economical. For the production of individual spare parts 7 Selective laser melting is also an alternative. Regarding the production of the spare part 7 it is beneficial if the dividing line 6 along which the worn side edge portion 5 the lower blade platform 3 is separated, defining a parting plane, so that there is a smooth cut surface. This gives the spare part 7 a simple geometry, which is why this is easy and inexpensive to produce.

In einem weiteren Schritt wird das Ersatzteil 7 an der unteren Schaufelplattform 3 positioniert und an dieser vorfixiert, wobei die Vorfixierung vorliegend mechanisch erfolgt. Hierzu werden, wie es in 3 dargestellt ist, einander gegenüberliegende Nuten 8 und 9 in die Stoßkanten 10 und 11 des Ersatzteils 7 und der unteren Schaufelplattform 3 eingebracht, in die unter Bildung einer Übergangspassung oder einer leichten Presspassung ein passfederartiges Verbindungselement 12 eingesetzt wird, das vorliegend als durchgehendes Blech ausgebildet ist. In a further step, the spare part 7 at the bottom bucket platform 3 positioned and prefixed to this, wherein the prefixing is done mechanically here. For this, as it is in 3 is shown, opposing grooves 8th and 9 into the abutting edges 10 and 11 of the spare part 7 and the lower blade platform 3 introduced, in the formation of a transition fit or a slight interference fit a feather-key-like connection element 12 is used, which is presently designed as a continuous sheet.

In einem sich anschließenden Schritt wird das Ersatzteil- und Schaufelplattformmaterial entlang der durch die Stoßkanten 10 und 11 gebildeten Stoßfuge unter Verwendung eines Laserstrahls 13 umgeschmolzen, wobei das Umschmelzen beidseitig erfolgt, wie es in 3 durch zwei Laserstrahlen 13 angedeutet ist. In a subsequent step, the replacement part and blade platform material along the through the abutting edges 10 and 11 formed butt joint using a laser beam 13 remelted, the remelting takes place on both sides, as in 3 by two laser beams 13 is indicated.

Abschließend wird das Schaufelsegment 1 einer Wärmebehandlung unterzogen, um ein gewünschtes Gefüge einzustellen. Finally, the blade segment 1 subjected to a heat treatment to adjust a desired texture.

Der wesentliche Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass durch das Laserstrahl-Umschmelzen entlang der Stoßfuge zwischen der unteren Schaufelplattform 3 und dem Ersatzteil 7 und durch die sich anschließende Wärmebehandlung die Hochtemperatureigenschaften der Nickelbasis-Superlegierung, aus der sowohl die untere Schaufelplattform 3 als auch das Ersatzteil 7 gefertigt ist, wiederhergestellt werden können. Untersuchungen haben ergeben, dass ein Versagen des Schaufelsegments 1 während des sich anschließenden Betriebs im Bereich der umgeschmolzenen Stoßfuge ausgeschlossen werden kann. Dies liegt darin begründet, dass die umgeschmolzenen Bereiche frei sind von Poren, sich Karbide während des Umschmelzprozesses weitgehend auslösen und die Struktur mit kleinen Dendritenabständen im Bereich von etwa 30 µm erstarrt. Durch die sich abschließende Wärmebehandlung ist die vollständige Rekonstruktion der γ/γ’-Mikrostruktur bei Rene 80 möglich. The main advantage of the method according to the invention is that by the laser beam remelting along the butt joint between the lower blade platform 3 and the spare part 7 and by the subsequent heat treatment, the high temperature properties of the nickel base superalloy, from which both the lower blade platform 3 as well as the spare part 7 is made, can be restored. Investigations have shown that a failure of the blade segment 1 can be excluded during the subsequent operation in the area of the remelted butt joint. This is due to the fact that the remelted areas are free of pores, largely trigger carbides during the Umschmelzprozesses and the structure solidifies with small dendrite intervals in the range of about 30 microns. The final heat treatment allows complete reconstruction of the γ / γ 'microstructure at Rene 80.

Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.Although the invention has been further illustrated and described in detail by the preferred embodiment, the invention is not limited by the disclosed examples, and other variations can be derived therefrom by those skilled in the art without departing from the scope of the invention.

Claims (10)

Verfahren zur Reparatur eines Schaufelsegments (1) aus einer polykristallin erstarrten Nickelbasis-Superlegierung mit zumindest einer Schaufel (2) und zumindest einer mit dieser verbundenen Schaufelplattform (3, 4), das die Schritte aufweist: a) Bereitstellen des zu reparierenden Schaufelsegments (1), dessen Schaufelplattform (3, 4) wenigstens einen verschlissenen Seitenkantenabschnitt (5) aufweist; b) Entfernen zumindest des verschlissenen Seitenkantenabschnitts (5); c) Herstellen eines Ersatzteils (7), dessen Abmessungen und Material im Wesentlichen den Abmessungen und dem Material des entfernten Seitenkantenabschnitts (5) entsprechen; d) Positionieren und Vorfixieren des Ersatzteils (7) an der Schaufelplattform (3, 4) und e) Umschmelzen des Ersatzteil- und Schaufelplattformmaterials entlang der zwischen dem Ersatzteil (7) und der Schaufelplattform (3, 4) vorhandenen Stoßfuge. Method for repairing a blade segment ( 1 ) of a polycrystalline solidified nickel-based superalloy with at least one blade ( 2 ) and at least one blade platform connected thereto ( 3 . 4 ), comprising the steps of: a) providing the blade segment to be repaired ( 1 ), whose blade platform ( 3 . 4 ) at least one worn side edge portion ( 5 ) having; b) removing at least the worn side edge portion ( 5 ); c) producing a spare part ( 7 ), whose dimensions and material are substantially the dimensions and the material of the removed side edge portion ( 5 ) correspond; d) Positioning and prefixing of the spare part ( 7 ) on the blade platform ( 3 . 4 ) and e) remelting the spare parts and blade platform material along the between the spare part ( 7 ) and the blade platform ( 3 . 4 ) existing butt joint. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Nickelbasis-Superlegierung aus Rene 80 hergestellt ist.  The method of claim 1, wherein the nickel base superalloy is made from Rene 80. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Ersatzteil (7) in Schritt c) mittels Gießen, Fräsen und/oder selektivem Laserschmelzen (SLM) hergestellt wird. Method according to one of the preceding claims, in which the spare part ( 7 ) is produced in step c) by means of casting, milling and / or selective laser melting (SLM). Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Vorfixierung des Ersatzteils (7) an der Schaufelplattform (3, 4) in Schritt d) mechanisch erfolgt. Method according to one of the preceding claims, in which the prefixing of the spare part ( 7 ) on the blade platform ( 3 . 4 ) in step d) takes place mechanically. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem die Vorfixierung zumindest über ein passfederartiges Verbindungselement (12) erfolgt, das in zuvor in den die Stoßfuge definierenden Stoßkanten (10, 11) des Ersatzteils (7) und der Schaufelplattform (3, 4) ausgebildete Nuten (8, 9) greift, insbesondere unter Bildung einer Übergangspassung oder einer leichten Presspassung. A method according to claim 4, wherein the prefixing at least via a feather-key-like connecting element ( 12 ), which in previously in the butt joint defining abutting edges ( 10 . 11 ) of the spare part ( 7 ) and the blade platform ( 3 . 4 ) formed grooves ( 8th . 9 ), in particular to form a transition fit or a slight interference fit. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem das Verbindungselement (12) aus einem Blech hergestellt ist. Method according to Claim 5, in which the connecting element ( 12 ) is made of a metal sheet. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, bei dem sich das zumindest eine Verbindungselement (12) im Wesentlichen mittig entlang der Stoßkanten (10, 11) erstreckt. Method according to Claim 5 or 6, in which the at least one connecting element ( 12 ) substantially centrally along the abutting edges ( 10 . 11 ). Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Umschmelzen in Schritt e) unter Einsatz eines Laserstrahls erfolgt.  Method according to one of the preceding claims, in which the remelting in step e) takes place using a laser beam. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei das Umschmelzen in Schritt e) beidseitig erfolgt.  Method according to one of the preceding claims, wherein the remelting in step e) takes place on both sides. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das reparierte Bauteil nach dem Umschmelzen in Schritt e) einer das Bauteilgefüge beeinflussenden Wärmebehandlung unterzogen wird.  Method according to one of the preceding claims, in which the repaired component is subjected to a heat treatment influencing the component structure after the remelting in step e).
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