DE102014210169A1

DE102014210169A1 - Verfahrweise beim Materialauftrag auf länglichen Oberflächen mit runden Kanten und Bauteil

Info

Publication number: DE102014210169A1
Application number: DE102014210169.7A
Authority: DE
Inventors: Andres Gasser; Stefanie Linnenbrink; Frank Mentzel; Norbert Pirch; Nikolai Arjakine; Georg Bostanjoglo; Bernd Burbaum; Torsten Jokisch; Michael Ott
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Siemens AG
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Siemens AG
Priority date: 2014-05-28
Filing date: 2014-05-28
Publication date: 2015-12-17

Abstract

Durch die Aufteilung einer länglichen Fläche (1) mit einer gekrümmten Kante (22) in zwei Bereiche (4, 7) und verschiedenen Verläufen für die Schweißbahnen (10, 16, 19, 20) wird die Füllung an der Krümmung (22) optimal gestaltet.

Description

Die Erfindung betrifft die Verfahrweise beim Materialauftrag von länglichen Flächen mit runden Kanten und ein Bauteil.
Materialauftragsverfahren wie Auftragsschweißen auch mittels Laserauftragsschweißen sind bekannte Technologien.
Flächen, die eine quadratische, rechteckige oder runde Geometrie aufweisen, lassen sich einfach flächig beschichten. Bei länglichen Flächen mit einem größeren Aspektverhältnis oder Flächen mit Bereichen, die unterschiedliche Dicken aufweisen wie im Kronenboden einer Turbinenschaufel mit dünnen Bereichen auf der Druck- und Stirnseite und dieser dicke Bereich in der Anströmkante ist dies nicht mehr so einfach möglich. Ein solches Beispiel ist die Querschnittsfläche einer Turbinenschaufel wie beim Tipaufbau.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung ein Verfahren und ein Bauteil aufzuzeigen, mit dem längliche Flächen mit runden Kanten einfach mit Material beschichtet werden können.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 und einem Bauteil gemäß Anspruch 2.
In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Maßnahmen aufgelistet, die beliebig miteinander kombiniert werden können um weitere Vorteile zu erzielen.
Es zeigen:
1, 2 schematisch die Vorgehensweise,
3 eine Turbinenschaufel.
Die Figuren und die Beschreibung stellen nur Ausführungsbeispiele der Erfindung dar.
Die 1 zeigt eine Fläche 1 auf der Material aufgetragen werden soll.
Die Fläche 1, 1‘ (2) ist länglich ausgebildet und hat ein Aspektverhältnis von mindestens zwei, insbesondere von mindestens vier.
Die Außenkontur 30, 30‘, 406 (3) der Fläche 1, 1‘, oder eine Stirnseite 415 (3) ist vorzugsweise gekrümmt, insbesondere konvex und konkav.
In diesem Ausführungsbeispiel handelt es sich in nicht eingeschränkender Weise um die Stirnseite 415 (3) eines Schaufelblatts 406 (3) einer Turbinenschaufel 120, 130 (3), auf die Material aufgetragen werden soll.
Die Fläche 1, 1‘ weist zumindest eine runde, gebogene oder ovale Kante 22, 22‘ (2) oder Anströmkante 409 im Bereich der Stirnseite 415 (3) auf.
Die zu beschichtende Fläche 1, 1‘, 415 wird in zwei Bereiche 7, 7‘ (2) und 4, 4‘ (2) aufgeteilt, wobei der zweite Bereich 7, 7‘ einen Bereich direkt angrenzend an die Kante 22, 22‘, 409 darstellt und der erste Bereich 4, 4‘ sich direkt an den zweiten Bereich 7, 7‘ anschließt. Insbesondere ist die gesamte Fläche 1, 1‘, 415 durch den ersten 4, 4‘ und den zweiten Bereich 7, 7‘ umfasst.
Für den ersten Bereich 4, 4‘ werden, wie durch die Linien angedeutet, Schweißbahnen 10, 10‘ gelegt, die entlang der Außenkontur 30, 30‘ (2), 406 der Fläche 1, 1‘, 415 verlaufen, insbesondere parallel zur Außenkontur 30, 30‘, 406 verlaufen und insbesondere auch parallel zueinander verlaufen, jedoch in einem gewissen Abstand a, a‘ zur Kante 22, 22‘, 409 abknicken und dort in einem abgeknickten Bereich 11, 11‘ (2) vorzugsweise fast gradlinig verlaufen und/oder vorzugsweise parallel zueinander verlaufen. So kann der gesamte erste Bereich 4, 4‘ beschichtet werden. Der abgeknickte Bereich stellt auch die Breite der Fläche 4, 4‘, 415 dar. Der Abstand a, a‘ ist vorzugsweise mindestens zwei Schweißbahnen dick.
Für den Materialauftrag im zweiten Bereich 7, 7‘ werden mehrere Schweißbahnen einer einzelnen Gruppe 15 verwendet, die größtenteils, insbesondere vollständig zueinander parallel verlaufen und vorzugsweise auch parallel zu dem abgeknickten Bereich 11 im ersten Bereich 4, 4‘ verlaufen.
Die Schweißbahnen der einzelnen Gruppe 15 verlaufen ebenfalls vorzugsweise parallel zueinander. Außerdem erstrecken sich die Schweißbahnen der einzelnen Gruppe 15 als Geraden über die gesamte Breite des zweiten Bereichs 7.
Mit zumindest zwei Schweißbahnen der einzelnen Gruppe 15 wird der zweite Bereich 7 vollständig beschichtet.
In 2 ist eine weitere Vorgehensweise für den Materialauftrag dargestellt. Der Materialauftrag im ersten Bereich 4‘ ist analog zu dem in 1. Der Unterschied besteht in dem Verlauf der Schweißbahnen in mehreren Gruppen 16, 19, 20, die zusammen den zweiten Bereich 7‘ vollständig bedecken, wie es die Schweißbahnen der einzelnen Gruppe 15 gemäß 1 erfüllen.
Der Unterschied zu den Schweißbahnen 15 in den Gruppen gemäß 1 besteht darin, dass die Schweißbahnen der Gruppen 16, 19, 20 für den zweiten Bereich 4‘ unterschiedliche Verläufe aufweisen.
Innerhalb der Gruppen von Schweißbahnen 16, 19, 20 verlaufen die Schweißbahnen einer Gruppe auf dem zweiten Bereich 7‘ größtenteils parallel zueinander.
Die erste Gruppe 16 von Schweißbahnen schließt sich direkt an den ersten Bereich 4‘ an. Die erste Gruppe 16 von Schweißbahnen ist anfangs zur Außenkontur 30‘ hin geneigt und knickt an einem Knickpunkt 33‘ auf den zweiten Bereich 7‘ ab und verläuft vorzugsweise dann nur in einem mittleren Bereich, insbesondere über mindestens 80% der Länge der Schweißbahnen der ersten Gruppe 16 im zweiten Bereich 4‘ parallel innerhalb der ersten Gruppe 16, insbesondere parallel zu dem abgeknickten Bereich 11‘.
Am Ende des Verlaufs der Schweißbahnen auf dem zweiten Bereich 7‘ knicken die Schweißbahnen der ersten Gruppe 16 auf dem zweiten Bereich 7‘ an einer zweiten Knickpunkt 33‘‘ zur Außenkontur 30‘ hin geneigt wieder ab.
Eine zweite Gruppe 19 von Schweißbahnen, die sich direkt an die erste Gruppe 16 von Schweißbahnen anschließt, verläuft geradlinig von einer Seite auf den aufzutragenden Bereich 7‘ zu, gradlinig über den zweiten Bereich 7‘ und gradlinig aus dem zweiten Bereich 7‘ heraus.
Eine dritte Gruppe 20 von Schweißbahnen, die sich direkt an die zweite Gruppe 19 anschließt und sich bis zur Kante 22‘, 409 erstreckt, läuft auf den zweiten Bereich 7‘ derart zu, dass sie von der Außenkontur 30‘ hin zur Kante 22‘ weggeknickt sind, also im Gegensatz zu der ersten Gruppe von Schweißbahnen 16 in die entgegengesetzte Richtung abgeknickt sind, dann an einem dritten Knickpunkt 34‘ auf dem zweiten Bereich 7‘ abknicken und dann parallel zu der zweiten Gruppe 19 verlaufen und dann die restliche Fläche des zweiten Bereichs 7‘ bedecken und nach Verlassen der Fläche des zweiten Bereichs 7‘ ebenfalls wieder ab einem vierten Abknickpunkt 34‘‘ abgeknickt weg von der Außenkontur 30‘ verlaufen.
Die Linien 10, 10‘, 15, 16, 19, 20 in 1, 2 zeigen also, wie der Materialstrahl bzw. die entsprechende Düse mit Material und Schweißstrahl geführt werden.
Die Schweißbahnen 15, 16, 19, 20 des zweiten Bereichs 4, 4‘ verlaufen also überhaupt nicht parallel zur Außenkontur 30, 30‘ der zu beschichtenden Fläche 1, 1‘.
Die Krümmung der Fläche 1, 1‘ bestimmt die Vorgehensweise nach 1 oder 2 (stärker gekrümmt).
Ebenso oder auf andere Art und Weise werden weitere Schweißbahnen über die Schweißbahnen 10, 10‘, 15, 16, 19, 20 gelegt.
Durch diese Strategie des Materialaufbaus einer solchen Kante wird eine riss- und porenfreie Füllung erreicht und ist der Krümmung der Fläche 1, 1‘ und der Kante 22, 22‘ optimal angepasst.
Die 3 zeigt in perspektivischer Ansicht eine Laufschaufel 120 oder Leitschaufel 130 einer Strömungsmaschine, die sich entlang einer Längsachse 121 erstreckt.
Die Strömungsmaschine kann eine Gasturbine eines Flugzeugs oder eines Kraftwerks zur Elektrizitätserzeugung, eine Dampfturbine oder ein Kompressor sein.
Die Schaufel 120, 130 weist entlang der Längsachse 121 aufeinander folgend einen Befestigungsbereich 400, eine daran angrenzende Schaufelplattform 403 sowie ein Schaufelblatt 406 und eine Schaufelspitze 415 auf. Als Leitschaufel 130 kann die Schaufel 130 an ihrer Schaufelspitze 415 eine weitere Plattform aufweisen (nicht dargestellt).
Im Befestigungsbereich 400 ist ein Schaufelfuß 183 gebildet, der zur Befestigung der Laufschaufeln 120, 130 an einer Welle oder einer Scheibe dient (nicht dargestellt). Der Schaufelfuß 183 ist beispielsweise als Hammerkopf ausgestaltet. Andere Ausgestaltungen als Tannenbaum- oder Schwalbenschwanzfuß sind möglich. Die Schaufel 120, 130 weist für ein Medium, das an dem Schaufelblatt 406 vorbeiströmt, eine Anströmkante 409 und eine Abströmkante 412 auf.
Bei herkömmlichen Schaufeln 120, 130 werden in allen Bereichen 400, 403, 406 der Schaufel 120, 130 beispielsweise massive metallische Werkstoffe, insbesondere Superlegierungen verwendet. Solche Superlegierungen sind beispielsweise aus der EP 1 204 776 B1 , EP 1 306 454 , EP 1 319 729 A1 , WO 99/67435 oder WO 00/44949 bekannt. Die Schaufel 120, 130 kann hierbei durch ein Gussverfahren, auch mittels gerichteter Erstarrung, durch ein Schmiedeverfahren, durch ein Fräsverfahren oder Kombinationen daraus gefertigt sein.
Werkstücke mit einkristalliner Struktur oder Strukturen werden als Bauteile für Maschinen eingesetzt, die im Betrieb hohen mechanischen, thermischen und/oder chemischen Belastungen ausgesetzt sind. Die Fertigung von derartigen einkristallinen Werkstücken erfolgt z.B. durch gerichtetes Erstarren aus der Schmelze. Es handelt sich dabei um Gießverfahren, bei denen die flüssige metallische Legierung zur einkristallinen Struktur, d.h. zum einkristallinen Werkstück, oder gerichtet erstarrt. Dabei werden dendritische Kristalle entlang dem Wärmefluss ausgerichtet und bilden entweder eine stängelkristalline Kornstruktur (kolumnar, d.h. Körner, die über die ganze Länge des Werkstückes verlaufen und hier, dem allgemeinen Sprachgebrauch nach, als gerichtet erstarrt bezeichnet werden) oder eine einkristalline Struktur, d.h. das ganze Werkstück besteht aus einem einzigen Kristall. In diesen Verfahren muss man den Übergang zur globulitischen (polykristallinen) Erstarrung meiden, da sich durch ungerichtetes Wachstum notwendigerweise transversale und longitudinale Korngrenzen ausbilden, welche die guten Eigenschaften des gerichtet erstarrten oder einkristallinen Bauteiles zunichte machen. Ist allgemein von gerichtet erstarrten Gefügen die Rede, so sind damit sowohl Einkristalle gemeint, die keine Korngrenzen oder höchstens Kleinwinkelkorngrenzen aufweisen, als auch Stängelkristallstrukturen, die wohl in longitudinaler Richtung verlaufende Korngrenzen, aber keine transversalen Korngrenzen aufweisen. Bei diesen zweitgenannten kristallinen Strukturen spricht man auch von gerichtet erstarrten Gefügen (directionally solidified structures).
Ebenso können die Schaufeln 120, 130 Beschichtungen gegen Korrosion oder Oxidation aufweisen, z. B. (MCrAlX; M ist zumindest ein Element der Gruppe Eisen (Fe), Kobalt (Co), Nickel (Ni), X ist ein Aktivelement und steht für Yttrium (Y) und/oder Silizium und/oder zumindest ein Element der Seltenen Erden, bzw. Hafnium (Hf)). Die Dichte liegt vorzugsweise bei 95% der theoretischen Dichte. Auf der MCrAlX-Schicht (als Zwischenschicht oder als äußerste Schicht) bildet sich eine schützende Aluminiumoxidschicht (TGO = thermal grown oxide layer).
Vorzugsweise weist die Schichtzusammensetzung Co-30Ni-28Cr-8Al-0,6Y-0,7Si oder Co-28Ni-24Cr-10Al-0,6Y auf. Neben diesen kobaltbasierten Schutzbeschichtungen werden auch vorzugsweise nickelbasierte Schutzschichten verwendet wie Ni-10Cr-12Al-0,6Y-3Re oder Ni-12Co-21Cr-11Al-0,4Y-2Re oder Ni-25Co-17Cr-10Al-0,4Y-1,5Re.
Auf der MCrAlX kann noch eine Wärmedämmschicht vorhanden sein, die vorzugsweise die äußerste Schicht ist, und besteht beispielsweise aus ZrO₂, Y₂O₃-ZrO₂, d.h. sie ist nicht, teilweise oder vollständig stabilisiert durch Yttriumoxid und/oder Kalziumoxid und/oder Magnesiumoxid.
Die Wärmedämmschicht bedeckt die gesamte MCrAlX-Schicht. Durch geeignete Beschichtungsverfahren wie z.B. Elektronenstrahlverdampfen (EB-PVD) werden stängelförmige Körner in der Wärmedämmschicht erzeugt. Andere Beschichtungsverfahren sind denkbar, z.B. atmosphärisches Plasmaspritzen (APS), LPPS, VPS oder CVD. Die Wärmedämmschicht kann poröse, mikro- oder makrorissbehaftete Körner zur besseren Thermoschockbeständigkeit aufweisen. Die Wärmedämmschicht ist also vorzugsweise poröser als die MCrAlX-Schicht.
Wiederaufarbeitung (Refurbishment) bedeutet, dass Bauteile 120, 130 nach ihrem Einsatz gegebenenfalls von Schutzschichten befreit werden müssen (z.B. durch Sandstrahlen). Danach erfolgt eine Entfernung der Korrosions- und/oder Oxidationsschichten bzw. -produkte. Gegebenenfalls werden auch noch Risse im Bauteil 120, 130 repariert. Danach erfolgt eine Wiederbeschichtung des Bauteils 120, 130 und ein erneuter Einsatz des Bauteils 120, 130.
Die Schaufel 120, 130 kann hohl oder massiv ausgeführt sein. Wenn die Schaufel 120, 130 gekühlt werden soll, ist sie hohl und weist ggf. noch Filmkühllöcher 418 (gestrichelt angedeutet) auf.
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

EP 1204776 B1 [0037]
EP 1306454 [0037]
EP 1319729 A1 [0037]
WO 99/67435 [0037]
WO 00/44949 [0037]

Claims

Verfahren zum Materialauftrag auf eine Fläche (1, 1‘, 415), insbesondere mit einer gekrümmten Außenkontur (30, 30‘, 406), die (1, 1‘, 415) länglich ausgebildet ist und zumindest eine runde, gebogene oder ovale Kante (22, 22‘, 409) aufweist, bei dem die zu beschichtende Fläche (1, 1‘, 415) in einen ersten Bereich (4, 4‘) und einen zweiten Bereich (7, 7‘) unterteilt wird, insbesondere vollständig unterteilt wird, wobei der zweite Bereich (7, 7‘) sich direkt an die Kante (22, 22‘, 409) anschließt und nur der zweite Bereich (7, 7‘) größtenteils durch gradlinig und/oder größtenteils durch parallel zueinander verlaufende Schweißbahnen (15, 16, 19, 20) beschichtet wird, wobei die Schweißbahnen (15, 16, 19, 20) über die Breite des zweiten Bereichs (7, 7‘) quer zur Längsrichtung der Fläche (1, 1‘, 415), insbesondere zumindest zu 80% der Breite des zweiten Bereichs (7, 7‘), gradlinig oder parallel zueinander verlaufen.
Bauteil, insbesondere hergestellt nach Anspruch 1, bei dem auf einer länglich ausgebildeten Fläche (1, 1‘, 415) Material aufgetragen ist, insbesondere auf einer Stirnseite (415) einer Turbinenschaufel (120, 130), insbesondere mit einer gekrümmten Außenkontur (30, 30‘, 406), und das zumindest eine runde, gebogene oder ovale Kante (22, 22‘, 409) aufweist, bei dem die beschichtete Fläche (1, 1‘, 415) in einen ersten Bereich (4, 4‘) und einen zweiten Bereich (7, 7‘) unterteilt ist, insbesondere vollständig unterteilt ist, wobei der zweite Bereich (7, 7‘) sich direkt an die Kante (22, 22‘, 409) anschließt und bei dem Schweißbahnen (15, 16, 19, 20) nur im zweiten Bereich (7, 7‘) größtenteils gradlinig und/oder größtenteils parallel zueinander verlaufen, insbesondere zumindest zu 80% der Breite des zweiten Bereichs (7, 7‘).
Verfahren oder Bauteil nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der erste Bereich (4, 4‘) durch Schweißbahnen (10, 10‘) beschichtet wird oder ist, die (10, 10‘) größtenteils entlang oder parallel zur Außenkontur (30, 30‘, 406) der Fläche (1, 1‘, 415) verlaufen und in einem Abstand (a, a‘) zur Kante (22, 22‘, 409) abknicken und dort über eine Breite der Fläche (1, 1‘, 415) zumindest stellenweise, insbesondere zumindest über 60% der Breite des ersten Bereichs (4, 4‘), parallel zueinander und/oder geradlinig verlaufen.
Verfahren oder Bauteil nach einem oder zwei der Ansprüche 1, 2 oder 3, bei dem der zweite Bereich (7, 7‘) durch verschieden verlaufende Gruppen (16, 19, 20) von Schweißbahnen gebildet wird oder ist, die zumindest innerhalb einer Gruppe (16, 19, 20) zumindest über 80% der Strecke auf dem zweiten Bereich (7, 7‘) parallel zueinander verlaufen.
Verfahren oder Bauteil nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2, 3 oder 4, bei dem der zweite Bereich (7, 7‘) durch verschieden verlaufende Gruppen (16, 19, 20) von Schweißbahnen gebildet wird oder ist, die zumindest innerhalb einer Gruppe (16, 19, 20) zumindest über 80% der Strecke auf dem zweiten Bereich (7, 7‘) geradlinig verlaufen.
Verfahren oder Bauteil nach Anspruch 1, 2, 3, 4 oder 5, bei dem Schweißbahnen einer Gruppe (19) vollständig gradlinig verläuft, insbesondere wobei die Gruppe (19) nicht direkt an die Kante (22, 22‘, 409) angrenzt und nicht direkt an den ersten Bereich (4, 4‘) angrenzt.
Verfahren oder Bauteil nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2, 3, 4, 5 oder 6, bei dem die Schweißbahnen zumindest einer der Gruppen (16, 20), die entweder an den ersten Bereich (4, 4‘) oder an die Kante (22, 22‘, 409) angrenzen in einem Randbereich (33‘, 33‘‘, 34‘, 34‘‘), insbesondere auf beiden Randbereichen, der Fläche (4, 4‘, 415) abknicken.
Verfahren oder Bauteil nach einem oder zwei der Ansprüche 1, 2 oder 3, bei dem alle Schweißbahnen (15) für den zweiten Bereich (7) parallel zueinander und/oder gradlinig über die Breite des zweiten Bereichs (7) verlaufen.
Verfahren oder Bauteil nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 oder 8, bei dem auf der Fläche (1, 1‘, 415) eine Wand gebildet wird oder ist, insbesondere im ersten Bereich (4, 4‘), ganz insbesondere nur im ersten Bereich (4, 4‘).
Verfahren oder Bauteil nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 oder 9, bei dem die Schweißbahnen (15, 16, 19, 20) des zweiten Bereichs (7, 7‘) keine Spur in den ersten Bereich (4, 4‘) haben.
Verfahren oder Bauteil nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, bei dem Schweißbahnen (15, 16, 19, 20) des zweiten Bereichs (7, 7‘) nicht parallel zur Außenkontur (30, 30‘, 406) verlaufen.
Verfahren oder Bauteil nach einem oder mehreren der Ansprüche 4, 5, 6, 7, 9, 10 oder 11, bei dem alle Schweißbahnen (16, 20) zumindest einer Gruppe zumindest über 90% der Breite der Fläche (1, 1‘, 415) gradlinig verlaufen.
Verfahren oder Bauteil nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12, bei dem die Schweißbahnen (10, 10‘) des ersten Bereichs (4, 4‘), die entlang der Kontur (30, 30‘, 406) verlaufen, parallel zur Kontur (30, 30‘, 406) verlaufen und insbesondere auch parallel zueinander verlaufen.
Verfahren oder Bauteil nach einem oder mehreren der Ansprüche, bei dem die Fläche (1, 1‘, 415) ein Aspektverhältnis von mindestens zwei, insbesondere mindestens vier aufweist, und/oder bei dem die Außenkontur (30, 30‘, 406) konvex und konkav gekrümmt ist.
Verfahren oder Bauteil nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, bei dem eine Stirnseite (415) einer Turbinenschaufel (120, 130) beschichtet wird oder ist.