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Gegenstand der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Lötverfahren zum Reparieren einer Oberfläche eines Turbinenbauteils, insbesondere einer Turbinenschaufel, beispielsweise einer Leitschaufel oder einer Laufschaufel einer Gasturbine.
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Hintergrund der Erfindung
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Zahlreiche Bauteile von Gasturbinen oder Dampfturbinen sind während des Betriebes der Turbine erheblichen thermischen, mechanischen und chemischen Belastungen ausgesetzt. Daher sind Verfahren zur Reparatur und Wiederaufarbeitung von Turbinenbauteilen von großem ökonomischem Interesse.
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Eine Möglichkeit der Reparatur von beschädigten Oberflächen ist das Auflöten von Bauelementen in Form von Coupons (Coupon Repair). Dabei wird zum Beispiel durch Hochtemperaturlöten ein dem beschädigten Material artgleicher vorgefertigter Coupon mittels einer dünnen Lötfolie auf einen Grundwerkstoff aufgelötet. Eine Anwendungsmöglichkeit dieses Verfahrens ist insbesondere das Reparaturlöten von Plattformseitenflächen von Laufschaufeln und Leitschaufeln aus der Nickelbasis-Superlegierung Rene80 (z.B. TLe2 SGT5-4000F). Eine Herausforderung bei diesem Verfahren ist zurzeit die Fixierung des Coupons an der Komponente, so dass während des Lötprozesses der Coupon nicht abgleitet oder verrutscht. Gleichzeitig soll eine Schädigung des Grundwerkstoffs, zum Beispiel Rissbildung, infolge der Fixierung vermieden werden. Weiterhin sollen auch möglichst dünne Coupons aufgebracht werden können.
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Beschreibung der Erfindung
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Vor diesem Hintergrund ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein vorteilhaftes Lötverfahren zum Reparieren einer Oberfläche eines Turbinenbauteils zur Verfügung zu stellen.
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Diese Aufgabe wird durch ein Lötverfahren zum Reparieren einer Oberfläche eines Turbinenbauteils gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Die abhängigen Ansprüche enthalten weitere, vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
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Das erfindungsgemäße Lötverfahren zum Reparieren einer Oberfläche eines Turbinenbauteils umfasst die folgenden Schritte: Ein vorgefertigter Coupon beziehungsweise ein vorgefertigtes Bauteil wird mit einer Lötfolie auf die zu reparierende Oberfläche des Turbinenbauteils aufgelegt. Dabei wird die Lötfolie zwischen der zu reparierenden Oberfläche und dem Coupon angeordnet. Dann wird der Coupon hinsichtlich seiner Position auf der Oberfläche des Turbinenbauteils an Fixierpunkten, also punktuell, fixiert. Anschließend wird der Coupon mittels Laserstrahlung lokal auf Löttemperatur erwärmt, ohne dass die Fixierpunkte durch die Laserstrahlung unmittelbar erwärmt werden.
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Das erfindungsgemäße Lötverfahren zum Reparieren einer Oberfläche eines Turbinenbauteils hat den Vorteil, dass der Coupon während des Lötens nicht abgleitet oder verrutscht. Zudem beeinträchtigt die lediglich punktuelle Fixierung die Prozessführung der Laserbestrahlung nicht.
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Unter einem punktuellen Fixieren wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Fixieren unter Beteiligung eines minimalen Oberflächenbereiches des zu fixierenden Bauteils verstanden. Ein Fixierpunkt beschreibt demgemäß nicht zwingend einen Punkt im mathematischen Sinn, sondern umfasst eine Fixierstelle als Oberflächenbereich des zu fixierenden Bauteils, über welchem die Fixierung realisiert wird.
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Bei dem Turbinenbauteil handelt es sich vorzugsweise um eine Turbinenschaufel. Dabei kann es sich um eine Gasturbinenschaufel oder eine Dampfturbinenschaufel handeln. Weiterhin kann es sich bei der Turbinenschaufel um eine Leitschaufel oder eine Laufschaufel handeln. Das erfindungsgemäße Verfahren kann insbesondere zur Reparatur von Leitschaufeln der ersten beiden Turbinenstufen verwendet werden.
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Die Turbinenschaufel umfasst bevorzugt eine Plattform mit mindestens einer Seitenfläche, wobei der Coupon auf die Seitenfläche aufgelötet wird. Da thermische Schutzbeschichtungen, die typischerweise auf Schaufelblätter von Turbinenschaufeln aufgebracht werden, häufig nicht auf die Seitenflächen der Plattform der Turbinenschaufel aufgebracht werden, sind die Plattformseitenflächen anfällig für Beschädigungen infolge thermischer Belastungen. Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, dass es sich besonders für die Reparatur von Plattformseitenflächen eignet.
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Die Turbinenschaufel kann grundsätzlich eine Nickelbasis-Superlegierung umfassen oder aus einer solchen bestehen.
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Vorzugsweise wird der Coupon auf der Oberfläche der Turbinenschaufel durch eine Vorrichtung fixiert, die punktuell eine Kraft auf die Oberfläche des Coupons überträgt. Mit anderen Worten übt die Vorrichtung eine Kraft auf die Oberfläche des Coupons aus, insbesondere auf mindestens einen Fixierpunkt. Es wird also lokal Druck auf die Oberfläche des Coupons ausgeübt. Zum Beispiel kann die Vorrichtung, die punktuell eine Kraft auf die Oberfläche überträgt, mindestens eine Klemmeinrichtung umfassen. Insbesondere kann die Kraft durch eine in der Form einer Spitze ausgestaltete Einrichtung auf die Oberfläche des Coupons übertragen werden. Dies hat den Vorteil, dass die Oberfläche des Coupons nahezu vollständig, also mit Ausnahme der Fixierpunkte oder Fixierungsbereiche, mit Laserstrahlung bestrahlt werden kann und der Lötprozess damit effizient und ohne wesentliche Behinderungen durch die Fixierung durchgeführt werden kann. Zudem wird eine Schädigung des Grundwerkstoffs der Turbinenschaufel vermieden.
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Der Coupon wird bevorzugt mit dem Laser so bestrahlt, dass die unterhalb der Fixierpunkte zwischen dem Coupon und der Oberfläche der Turbinenschaufel befindliche Fügezone durch Wärmeleitung auf Löttemperatur erwärmt wird. Dies kann durch gezielte Prozessführung erreicht werden.
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Der Coupon kann mittels Laserstrahlung lokal auf eine Löttemperatur von mehr als 900°C erwärmt werden. Damit wird auch die unter dem Coupon befindliche Lötfolie auf Löttemperatur, zum Beispiel auf eine Löttemperatur von mehr als 900°C erwärmt.
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Es ist von Vorteil wenn der Coupon unter Schutzgas mittels Laserstrahlung lokal auf Löttemperatur erwärmt wird. Als Schutzgas kann insbesondere Argon verwendet werden. Der Lötprozess kann zum Beispiel in einer Schutzgaskammer durchgeführt werden. Die Schutzgaskammer kann bevorzugt mit Argon geflutet werden. Grundsätzlich kann der Lötprozess in einer Prozesskammer, zum Beispiel einer Schutzgaskammer, durchgeführt werden und die Laserstrahlung durch Schutzglas in die Prozesskammer auf die Oberfläche des Coupons gestrahlt werden. Der Vorteil des Verfahrens ist, dass kein Vakuumhochofen für den Lötprozess benötigt wird, sondern lediglich eine Prozesskammer mit Einkoppelfenster für die Laserstrahlung.
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Prinzipiell kann die zu reparierende Oberfläche der Turbinenschaufel bearbeitet und an den aufzulötenden Coupon angepasst werden bevor der vorgefertigte Coupon beziehungsweise das aufzulötende Bauteil auf die zu reparierende Oberfläche der Turbinenschaufel aufgelegt wird. Dies hat den Vorteil, dass Coupons mit bestimmten Abmessungen in großer Stückzahl preisgünstig vorgefertigt werden können. Zudem kann die Oberfläche der Turbinenschaufel standardmäßig angepasst an die Coupongröße bearbeitet werden. Es kann also zum Beispiel ein standardisierter Oberflächenausschnitt von der Oberfläche der Turbinenschaufel abgetragen werden, der der jeweiligen Coupongröße entspricht.
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Alternativ dazu kann der Coupon zunächst an die zu reparierende Oberfläche der Turbinenschaufel angepasst werden bevor er auf die zu reparierende Oberfläche der Turbinenschaufel aufgelegt wird. Dies hat den Vorteil, dass überflüssiger Materialabtrag von der Oberfläche der Turbinenschaufel vermieden wird.
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Vorzugsweise wird eine Lötfolie mit einer Dicke zwischen 30µm und 70µm, zum Beispiel mit einer Dicke von 50µm, verwendet.
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Darüber hinaus kann ein Coupon verwendet werden, der aus dem gleichen Material besteht wie die zu reparierende Oberfläche der Turbinenschaufel. Zum Beispiel kann der Coupon eine Nickelbasis-Superlegierung umfassen oder aus einer solchen bestehen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren stellt eine Weiterentwicklung einer sich in der Entwicklung befindenden Fügetechnologie dar. Es hat unter anderem den Vorteil, dass das Parameterfeld eingegrenzt werden kann. Hochtemperaturlöten wird bisher in der Regel in einem Vakuumofen durchgeführt, wobei unter anderm die Temperaturführung, die Qualität des Vakuums und die Lötposition einen Einfluss auf den Prozess haben. Eine Erwärmung mittels Laserstrahlung gemäß der vorliegenden Erfindung vereinfacht den Prozess. Insbesondere wird für die Fügung kein Vakuumlötofen benötigt, sondern gegebenenfalls ‚lediglich’ eine Prozesskammer.
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Beschreibung von Ausführungsbeispielen
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Weitere Merkmale, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren näher beschrieben. Alle bisher und im Folgenden beschriebenen Merkmale sind dabei sowohl einzeln als auch in einer beliebigen Kombination miteinander vorteilhaft. Die im Folgenden beschriebenen Ausführungsvarianten stellen lediglich Beispiele dar, welche den Gegenstand der Erfindung jedoch nicht beschränken.
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1 zeigt schematisch eine Gasturbine.
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2 zeigt schematisch eine Leitschaufel einer Gasturbine in einer perspektivischen Ansicht.
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3 zeigt schematisch die erste Plattform der in der 2 gezeigten Leitschaufel.
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4 zeigt schematisch einen Coupon für eine Plattformseitenfläche.
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5 zeigt schematisch eine Schnittansicht einer zu reparierenden Plattformseitenfläche mit einem aufzulötenden Coupon.
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6 zeigt schematisch eine Schnittansicht der in der 5 gezeigten Plattformseitenfläche während des Lötprozesses.
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Die 1 zeigt schematisch eine Gasturbine. Eine Gasturbine weist im Inneren einen um eine Rotationsachse drehgelagerten Rotor mit einer Welle 107 auf, der auch als Turbinenläufer bezeichnet wird. Entlang des Rotors folgen aufeinander ein Ansauggehäuse 109, ein Verdichter 101, eine Brenneranordnung 15, eine Turbine 105 und das Abgasgehäuse 190.
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Die Brenneranordnung 15 kommuniziert mit einem beispielsweise ringförmigen Heißgaskanal. Dort bilden mehrere hintereinander geschaltete Turbinenstufen die Turbine 105. Jede Turbinenstufe ist aus Schaufelringen gebildet. In Strömungsrichtung eines Arbeitsmediums gesehen folgt im Heißgaskanal einer Leitschaufelreihe 117 eine aus Laufschaufeln 115 gebildete Reihe. Die Leitschaufeln 117 sind dabei an einem Innengehäuse eines Stators befestigt, wohingegen die Laufschaufeln 115 einer Reihe beispielsweise mittels einer Turbinenscheibe am Rotor angebracht sind. An dem Rotor angekoppelt ist ein Generator oder eine Arbeitsmaschine.
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Während des Betriebes der Gasturbine wird vom Verdichter 101 durch das Ansauggehäuse 109 Luft angesaugt und verdichtet. Die am turbinenseitigen Ende des Verdichters 101 bereitgestellte verdichtete Luft wird zu den Brenneranordnungen 15 geführt und dort mit einem Brennstoff vermischt. Das Gemisch wird dann unter Bildung des Arbeitsmediums in der Brennkammer verbrannt. Von dort aus strömt das Arbeitsmedium entlang des Heißgaskanals an den Leitschaufeln 117 und den Laufschaufeln 115 vorbei. An den Laufschaufeln 115 entspannt sich das Arbeitsmedium impulsübertragend, so dass die Laufschaufeln 115 den Rotor antreiben und dieser die an ihn angekoppelte Arbeitsmaschine.
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Die 2 zeigt schematisch eine Leitschaufel 117 einer Gasturbine in einer perspektivischen Ansicht. Die Leitschaufel 117 umfasst ein Schaufelblatt 1, eine erste Plattform 2, einen ersten Schaufelfuß 6, eine zweite Plattform 3 und einen zweiten Schaufelfuß 7. Die erste Plattform 2 ist zwischen dem Schaufelblatt 1 und dem ersten Schaufelfuß 6 angeordnet. Die zweite Plattform 3 ist zwischen dem Schaufelblatt 1 und dem zweiten Schaufelfuß 7 angeordnet. Das Schaufelblatt 1 umfasst eine Anströmkante 4 und eine Abströmkante 5. Die Plattformen 2 und 3 umfassen jeweils Seitenflächen. Eine Seitenfläche der ersten Plattform ist mit der Bezugsziffer 10 gekennzeichnet.
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Die 3 zeigt schematisch den in der 1 mit der Bezugsziffer 8 gekennzeichneten Ausschnitt. In der 3 ist die Seitenfläche 10 der ersten Plattform 2 zu reparieren. Zu diesem Zweck wurde die Seitenfläche 10 dahingehend bearbeitet, dass ein in der 4 schematisch gezeigter vorgefertigter Coupon für eine Plattformseitenfläche auf die Seitenfläche 10 aufgelötet werden kann.
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Die 5 zeigt schematisch eine Schnittansicht einer zu reparierenden Plattformseitenfläche 10 mit einem aufzulötenden Coupon 11. 5 zeigt einen Ausschnitt aus einem Grundkörper 9 der ersten Plattform.
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Zunächst wurde die Plattformseitenfläche 10 hinsichtlich ihrer Form an den vorgefertigten Coupon 11 angepasst. Dies kann zum Beispiel durch Schleifen oder Fräsen erfolgen. Anschließend wurde eine Lötfolie 12 auf die Oberfläche 10 aufgelegt und der Coupon 11 auf der Lötfolie 12 angeordnet. Die Lötfolie befindet sich also zwischen dem Coupon 11 und der zu reparierenden Oberfläche 10.
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Vorzugsweise wird eine Lötfolie 12 mit einer Dicke zwischen 30µm und 70µm, zum Beispiel mit einer Dicke von 50µm, verwendet.
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Darüber hinaus kann ein Coupon 11 verwendet werden, der aus dem gleichen Material besteht wie die zu reparierende Oberfläche der Turbinenschaufel 117. Zum Beispiel kann der Grundkörper 9 der Turbinenschaufel 117 und/oder der Coupon 11 eine Nickelbasis-Superlegierung umfassen oder aus einer solchen bestehen.
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Anschließend wurde der Coupon 11 auf der Oberfläche an Fixierpunkten 16 fixiert, also punktuell fixiert. Dies kann realisiert werden indem zum Beispiel mithilfe von Klemmen 13 oder einer anderen Vorrichtung punktuell Druck auf die Oberfläche des Coupons ausgeübt wird und damit auf den Coupon eine Kraft wirkt, die ein Abgleiten oder Verrutschen des Coupons 11 auf der Oberfläche 10 verhindert. Der Coupons 11 wird also hinsichtlich seiner Position auf der Oberfläche 10 fixiert.
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Anschließend wird der Coupon 11 mittels Laserstrahlung 14 lokal auf Löttemperatur erwärmt, ohne dass die Fixierpunkte 16 durch die Laserstrahlung 14 unmittelbar erwärmt werden. Die 6 zeigt schematisch eine Schnittansicht der in der 5 gezeigten Plattformseitenfläche 10 während des Lötprozesses. Die Bewegungsrichtung des Laserstrahls 14 entlang der Oberfläche des Coupons ist durch einen Pfeil 15 gekennzeichnet. Durch die Laserstrahlung wird über eine Erwärmung des Coupons 11 auch die Lötfolie 12 auf Löttemperatur erwärmt.
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Bevorzugt wird der Coupon 11 mittels Laserstrahlung 14 lokal auf eine Löttemperatur von mehr als 900°C erwärmt. Damit wird auch die unter dem Coupon 11 befindliche Lötfolie 12 auf Löttemperatur, zum Beispiel auf eine Löttemperatur von mehr als 900°C erwärmt.
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Der Coupon wird vorteilhafterweise mit dem Laser so bestrahlt, dass die unterhalb der Fixierpunkte 16 zwischen dem Coupon 11 und der Oberfläche 10 der Turbinenschaufel befindliche Fügezone durch Wärmeleitung auf Löttemperatur erwärmt wird. Dies kann durch gezielte Prozessführung erreicht werden.
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Um die Schaufel vor Oxidation zu schützen, wird der Lötprozess vorzugsweise in einer Schutzgaskammer, zum Beispiel einer mit Argon gefluteten Schutzgaskammer, durchgeführt. Die Laserstrahlung wird in diesem Fall durch ein Schutzglas in die Prozesskammer auf die Oberfläche der Turbinenschaufel gestrahlt. Der Coupon 11 wird zuvor über eine bereits beschriebene Vorrichtung 13 an der Schaufel 117 fixiert, so dass er gegenüber der Oberfläche 10 des Grundkörpers 9 nicht verrutscht.
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Die Bestrahlung mithilfe des Laserstrahls 14 erfolgt derart, dass die Fixierpunkte 16 nicht unmittelbar bestrahlt und durch Laserstrahlung 14 erwärmt werden. Über Wärmeleitung und mithilfe einer gezielten Prozessführung wird unterhalb der Fixierpunkte 16 die Fügezone auf Löttemperatur erwärmt. Der Vorteil dieses Verfahrens ist, dass kein Vakuumhochofen für den Lötprozess benötigt wird, sondern lediglich eine Prozesskammer mit Einkoppelfenster für die Laserstrahlung 14.
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Prinzipiell kann die zu reparierende Oberfläche der Turbinenschaufel bearbeitet und an den aufzulötenden Coupon angepasst werden bevor der vorgefertigte Coupon beziehungsweise das aufzulötende Bauteil auf die zu reparierende Oberfläche der Turbinenschaufel aufgelegt wird. Dies hat den Vorteil, dass Coupons mit bestimmten Abmessungen in großer Stückzahl preisgünstig vorgefertigt werden können. Zudem kann die Oberfläche der Turbinenschaufel standardmäßig angepasst an die Coupongröße bearbeitet werden. Es kann also zum Beispiel ein standardisierter Oberflächenausschnitt von der Oberfläche der Turbinenschaufel abgetragen werden, der der jeweiligen Coupongröße entspricht.
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Alternativ dazu kann der Coupon zunächst an die zu reparierende Oberfläche der Turbinenschaufel angepasst werden bevor er auf die zu reparierende Oberfläche der Turbinenschaufel aufgelegt wird. Dies hat den Vorteil, dass überflüssiger Materialabtrag von der Oberfläche der Turbinenschaufel vermieden wird.
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Das beschriebene Verfahren ist analog auch für andere Bauteile, insbesondere Gasturbinenbauteile, zum Beispiel auch für Laufschaufeln, anwendbar.
