DE102015203985A1 - Process for reprocessing a component by means of local thermomechanical treatment - Google Patents
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Abstract
Es wird ein Verfahren zum Wideraufbereiten eines betriebsbedingt lokal geschädigten Bauteils (120) mit einer ursprünglich kubischen γ/γ’-Mikrostruktur, wobei die betriebsbedingte lokale Schädigung in einer entlang einer Ausdehnungsrichtung gerichteten Vergröberung der γ/γ’-Mikrostruktur besteht, zur Verfügung gestellt. In dem Verfahren wird die Ausdehnungsrichtung der gerichtet vergröberten γ/γ’-Mikrostruktur durch lokales Erwärmen und Einbringen einer Zug- und oder Druckspannung (503, 505), insbesondere im Bereich einer lokalen Schädigung des Bauteils, in ihrer Orientierung gedreht.A method is provided for recycling an operationally locally damaged component (120) having an originally cubic γ / γ 'microstructure, wherein the operational local damage is in a coarsening of the γ / γ' microstructure directed along an extension direction. In the method, the direction of expansion of the directionally coarsened γ / γ 'microstructure is rotated in orientation by locally heating and introducing a tensile and / or compressive stress (503, 505), particularly in the region of local damage to the component.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Wiederaufbereitung (auch „Refurbishment“ genannt) von betriebsbedingt lokal geschädigten Bauteilen mittels lokaler thermomechanischer Behandlung. Die geschädigten Bauteile können hierbei insbesondere Turbinenschaufeln aus einkristallinen Superlegierungen sein. The present invention relates to a method for reprocessing (also called "refurbishment") of locally damaged components due to operation by means of local thermomechanical treatment. The damaged components may in this case be turbine blades made of monocrystalline superalloys in particular.
In den heutigen stationären Gasturbinen zur Energieerzeugung werden immer höhere Wirkungsgrade angestrebt, was in immer höheren Heißgastemperaturen resultiert und damit die Bauteile im Heißgasbereich der Gasturbine thermisch höher beansprucht. Besonders für Gasturbinenschaufeln trifft dies zu. Entsprechende Bauteile, die diese Beanspruchungen ertragen, müssen in der Regel aus einkristallinen Superlegierungen hergestellt und mit einer isolierenden Beschichtung, meist aus Keramik mit einer darunter befindlichen Haftvermittlerschicht, versehen werden. Damit handelt es sich um in der Herstellung sehr aufwendige und teure Komponenten. Trotzdem sind diese Bauteile meist nur zeitfest und müssen im Rahmen von Wartungen geprüft und bei entsprechender Schädigung ausgetauscht werden. Eine Schädigung kann zum Beispiel aus lokalen Gefügeveränderungen durch thermische Überlastung bestehen. In today's stationary gas turbines for power generation ever higher efficiencies are sought, resulting in ever higher hot gas temperatures and thus thermally stressed the components in the hot gas region of the gas turbine higher. This is especially true for gas turbine blades. Corresponding components which endure these stresses usually have to be made of monocrystalline superalloys and provided with an insulating coating, usually of ceramic with an adhesion promoter layer underneath. These are very complex and expensive components in production. Nevertheless, these components are usually only time-proof and must be checked as part of maintenance and replaced with appropriate damage. Damage can, for example, consist of local structural changes due to thermal overload.
Aus wirtschaftlichen Gründen wird versucht, die Herstellungs- und Betriebskosten von Gasturbinen minimal zu halten. Wenn es gelingt, die Lebensdauer von teuren Gasturbinenkomponenten, besonders solchen Bauteile die aus einkristallinen Superlegierungen hergestellt wurden, zu verlängern, bedeutet dies einen deutlichen wirtschaftlichen Vorteil. Solch eine Lebensdauerverlängerung kann zum Beispiel durch ein geeignetes Reparaturverfahren für lokale Gefügeveränderungen gelingen. For economic reasons, attempts are made to keep the manufacturing and operating costs of gas turbines to a minimum. If it is possible to extend the life of expensive gas turbine components, especially those made of monocrystalline superalloys, this has a significant economic advantage. Such a life extension can be achieved, for example, by a suitable repair method for local structural changes.
Lebensdauerbegrenzend für Gasturbinenbauteile aus einkristallinen Superlegierungen sind vor allem Veränderungen der Mikrostruktur. Solche Bauteile weisen bei entsprechender Fertigung eine kubische γ/γ’-Mikrostruktur aus den Korngrenzen der Legierungsbestandteile auf. Die Mikrostrukturen sind sehr kleinteilig und homogen verteilt. Unter dem gleichzeitigen Einfluss von Wärme oberhalb eines bestimmten Temperaturniveaus und mechanischen Spannungen verändert sich diese Mikrostruktur. Sie wird großteiliger und richtet sich abhängig von der Spannungsrichtung und -art aus, was auch als „Rafting“ bezeichnet wird. Diese Gefügeveränderungen können nachteilig sein, insbesondere für das Kriechverhalten des Bauteils. Im Rahmen der konstruktiven Auslegung wird normalerweise versucht, die Bauteile im Betrieb unterhalb der für Rafting erforderlichen Temperatur zu halten. Unter anderem werden zu diesem Zweck isolierende Beschichtungen verwendet. Im Betrieb können diese Beschichtungen jedoch beschädigt werden oder es kann aus anderen Gründen zu lokalem Überschreiten der für Rafting erforderlichen Temperaturen komme. Dies kann zu lokalem Rafting führen. Lifetime limiting for gas turbine components made of monocrystalline superalloys are mainly changes in the microstructure. Such components have a cubic γ / γ'-microstructure from the grain boundaries of the alloy components when manufactured accordingly. The microstructures are very fragmented and homogeneously distributed. Under the simultaneous influence of heat above a certain temperature level and mechanical stresses, this microstructure changes. It becomes more complex and depends on the direction and type of tension, which is also known as "rafting". These microstructural changes can be disadvantageous, in particular for the creep behavior of the component. As part of the structural design is usually trying to keep the components in operation below the temperature required for rafting. Among other things, insulating coatings are used for this purpose. In operation, however, these coatings can be damaged or it may come for other reasons to locally exceeding the temperatures required for rafting. This can lead to local rafting.
Bisher ist den Erfindern der vorliegenden Patentanmeldung kein Reparaturverfahren für durch lokales Rafting geschädigte Bauteile bekannt. So far, the inventors of the present patent application, no repair method for damaged by local rafting components is known.
Es ist daher Aufgabe dieser Erfindung, ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, welches die Wiederaufbereitung von lokal durch Rafting geschädigten Bauteilen aus einkristallinen Superlegierungen ermöglicht. Diese Aufgabe wird nach Anspruch 1 gelöst, die abhängigen Ansprüche enthalten vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung. It is therefore an object of this invention to provide a method which allows the recycling of locally damaged by rafting components of monocrystalline superalloys. This object is achieved according to claim 1, the dependent claims contain advantageous embodiments of the invention.
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zum Wideraufbereiten eines betriebsbedingt lokal geschädigten Bauteils mit einer ursprünglich kubischen γ/γ’-Mikrostruktur, wobei die betriebsbedingte lokale Schädigung in einer entlang einer Ausdehnungsrichtung gerichteten Vergröberung der γ/γ’-Mikrostruktur besteht, zur Verfügung gestellt. In diesem Verfahren wird die Ausdehnungsrichtung der gerichtet vergröberten γ/γ’-Mikrostruktur durch lokales Erwärmen und Einbringen einer Zug- und oder Druckspannung, insbesondere im Bereich einer lokalen Schädigung des Bauteils, in ihrer Orientierung gedreht. According to the invention, a method is provided for recycling an operationally locally damaged component with an originally cubic γ / γ 'microstructure, wherein the operational local damage consists in a coarsening of the γ / γ' microstructure directed along an expansion direction. In this method, the direction of expansion of the directionally coarsened γ / γ 'microstructure is rotated in its orientation by local heating and introduction of a tensile and / or compressive stress, in particular in the region of local damage to the component.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es, in Bauteilen mit einer ursprünglich kubischen γ/γ’-Mikrostruktur die vergröberten Mikrostrukturen (sog. Rafting oder Rafts) im Rahmen einer Wiederaufbereitung in eine angestrebten Ausdehnungsrichtung zu drehen. Die Ausrichtung der Rafts relativ zur Richtung der dominierenden lokalen Betriebsspannung beeinflusst die Festigkeitseigenschaften eines Bauteils, besonders bei hohen Temperaturen, so dass mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens die Festigkeitseigenschaften im Bereich der lokalen Schädigung im Rahmen einer Wiederaufbereitung gezielt eingestellt werden können. The method according to the invention makes it possible to rotate the coarsened microstructures (so-called rafting or rafts) in components with an originally cubic γ / γ 'microstructure in the course of a reprocessing in a desired direction of expansion. The orientation of the rafts relative to the direction of the dominant local operating voltage influences the strength properties of a component, especially at high temperatures, so that with the aid of the method according to the invention, the strength properties in the area of local damage can be adjusted in a targeted manner during reprocessing.
Im Rahmen des beschriebenen Verfahrens können insbesondere in der angestrebten Ausdehnungsrichtung der vergröberten γ/γ’-Mikrostruktur eine Druck- und/oder quer zur angestrebten Ausdehnungsrichtung der vergröberten γ/γ’-Mikrostruktur Zugspannungen auf das Bauteil aufgebracht werden. Nach dem derzeitigen Stand der Forschung führt dies zur gewünschten Ausrichtung der Rafts. In the context of the described method, in particular in the desired direction of expansion of the coarsened γ / γ'-microstructure, tensile stresses can be applied to the component in a pressure and / or transverse direction to the desired direction of expansion of the coarsened γ / γ'-microstructure. According to the current state of research, this leads to the desired orientation of the rafts.
Die Im Rahmen des Wiederaufbereitungsverfahrens angestrebte Ausdehnungsrichtung der Rafts kann insbesondere rechtwinklig zur Ausdehnungsrichtung der aufgrund einer lokalen Schädigung gerichtet vergröberten γ/γ’-Mikrostruktur verlaufen. Die Ausdehnungsrichtung der gerichtet vergröberten γ/γ’-Mikrostruktur aus dem Betrieb ist vor allem davon abhängig ob im Betrieb Zug- oder Druckspannungen vorherrschen. Druckspannungen verursachen nach aktuellem Stand der Forschung Rafts parallel zur Hauptspannungsrichtung, Zugspannungen rechtwinklig zur Hauptspannungsrichtung. Je nach mechanischer und thermischer Belastung im Betrieb und der verwendeten Legierung können Rafts parallel oder rechtwinklig zur Hauptspannungsrichtung vorteilhaft sein. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann die für den Anwendungsfall geeignete Ausdehnungsrichtung der Rafts eingestellt werden. The expansion direction of the rafts desired in the course of the recycling process may be, in particular, perpendicular to the direction of expansion of the γ / γ 'microstructure, which is directed in a coarse direction due to local damage. The direction of expansion of the directionally coarsened γ / γ'-microstructure from the operation is mainly dependent on whether tensile or compressive stresses prevail during operation. Compressive stresses, according to the current state of research, cause rafts parallel to the main stress direction, tensile stresses perpendicular to the principal stress direction. Depending on the mechanical and thermal load during operation and the alloy used, rafts may be advantageous in parallel or at right angles to the principal stress direction. With the method according to the invention, the expansion direction of the rafts suitable for the application can be adjusted.
Die zur Ausrichtung der Rafts angelegte Zug- oder Druckspannung kann in dem erfindungsgemäßen Verfahren gezielt auf einen bestimmten Wert eingestellt werden. Die kann mit Hilfe einer geeigneten Messeinrichtung, zum Beispiel mittels Dehnungsmesstreifen kontrolliert werden. So kann sichergestellt werden, dass an der Schadstelle ausreichend hohe Spannungen zur Durchführung des Verfahrens vorliegen, ohne das Bauteil als Ganzes mehr als notwendig zu belasten. The tensile or compressive stress applied for aligning the rafts can be adjusted to a specific value in the method according to the invention. This can be controlled by means of a suitable measuring device, for example by means of strain gauges. This makes it possible to ensure that sufficiently high voltages are present at the damaged area for carrying out the method without burdening the component as a whole more than necessary.
Zu Beginn des erfindungsgemäßen Verfahrens kann die Ausdehnungsrichtung der vergröberten γ/γ’-Mikrostruktur ermittelt werden. Dies kann mit einer metallurgischen Untersuchung erfolgen. Daraus können Rückschlüsse auf die lokalen Spannungen und Temperaturen im Betrieb geschlossen werden. Dies unterstützt die Wahl der gewünschten Ausdehnungsrichtung der Rafts. At the beginning of the process according to the invention, the direction of expansion of the coarsened γ / γ 'microstructure can be determined. This can be done with a metallurgical investigation. From this, conclusions can be drawn about the local stresses and temperatures during operation. This supports the choice of the desired direction of expansion of the rafts.
Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens kann das gesamte Bauteil während der lokalen Erwärmung im Bereich der Schädigung und des gleichzeitigen Anlegens von Zug- oder Druckspannungen auf mindestens 500°C geheizt werden. Die lokale Erwärmung im Bereich der Schädigung erfolgt dann auf eine Temperatur, die mindestens 150 °C, vorzugsweise 200 °C insbesondere sogar 250 °C über der Temperatur auf die das gesamte Bauteil erwärmt wird, liegt. Vorzugsweise wird das gesamte Bauteil während der lokalen Erwärmung im Bereich der Schädigung und des gleichzeitigen Anlegens von Zug- oder Druckspannungen auf eine Temperatur im Bereich von 650 °C bis 750 °C, insbesondere 700 °C geheizt. Der Bereich der Schädigung wird dann auf eine Temperatur zwischen 900 °C und 1000 °C, insbesondere 950 °C, erwärmt. So kann für das Gesamtbauteil eine übermäßige Erwärmung und damit ungewünschte Eigenschaftsbeeinflussung vermieden werden. Gleichzeitig liegen im geschädigten Bereich ausreichend hohe Temperaturen zur Durchführung des Verfahrens vor und der Temperaturgradient im Bauteil bewegt sich in zulässigen Bereichen. In the context of the method according to the invention, the entire component during local heating in the area of damage and the simultaneous application of tensile or compressive stresses can be heated to at least 500 ° C. The local heating in the region of the damage then takes place at a temperature which is at least 150 ° C., preferably 200 ° C., in particular even 250 ° C. above the temperature to which the entire component is heated. Preferably, the entire component during local heating in the region of damage and the simultaneous application of tensile or compressive stresses to a temperature in the range of 650 ° C to 750 ° C, in particular 700 ° C is heated. The area of damage is then heated to a temperature between 900 ° C and 1000 ° C, in particular 950 ° C. Thus, excessive heating and thus undesirable property influencing can be avoided for the entire component. At the same time, sufficiently high temperatures are present in the damaged area for carrying out the method and the temperature gradient in the component is within permissible ranges.
Die lokale Erwärmung der geschädigten Bereiche kann im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens mittels eines Lasers erfolgen. Dadurch kann die Wärmeeinbringung lokal genau definiert werden. Da durch einen Laser die Energie auch in einer sehr kurzen Zeit eingebracht werden kann, ist ein Wärmeverlust durch Wärmeleitung im Bauteil minimiert und die Gesamtenergieeinbringung verglichen mit anderen Methoden niedrig. The local heating of the damaged areas can take place within the scope of the method according to the invention by means of a laser. As a result, the heat input can be locally defined precisely. Since the energy can be introduced by a laser in a very short time, heat loss is minimized by heat conduction in the component and the total energy input compared to other methods low.
Während der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann das behandelte Bauteil von einer Schutzgasatmosphäre umgeben sein oder sich in einem Vakuum befinden, um Oxidation zu vermeiden. During the implementation of the method according to the invention, the treated component may be surrounded by a protective gas atmosphere or be in a vacuum in order to avoid oxidation.
Weitere Merkmale, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren. Further features, properties and advantages of the present invention will become apparent from the following description of embodiments with reference to the accompanying figures.
Die
Die Gasturbine
Entlang des Rotors
Die Ringbrennkammer
Jede Turbinenstufe
Die Leitschaufeln
An dem Rotor
Während des Betriebes der Gasturbine
Die dem heißen Arbeitsmedium
Um den dort herrschenden Temperaturen standzuhalten, können diese mittels eines Kühlmittels gekühlt werden. To withstand the prevailing temperatures, they can be cooled by means of a coolant.
Ebenso können Substrate der Bauteile eine gerichtete Struktur aufweisen, d.h. sie sind einkristallin (SX-Struktur) oder weisen nur längsgerichtete Körner auf (DS-Struktur). Likewise, substrates of the components may have a directional structure, i. they are monocrystalline (SX structure) or have only longitudinal grains (DS structure).
Als Material für die Bauteile, insbesondere für die Turbinenschaufel
Solche Superlegierungen sind beispielsweise aus der
Ebenso können die Schaufeln
Auf der MCrAlX kann noch eine Wärmedämmschicht vorhanden sein, und besteht beispielsweise aus ZrO2, Y2O3-ZrO2, d.h. sie ist nicht, teilweise oder vollständig stabilisiert durch Yttriumoxid und/oder Kalziumoxid und/oder Magnesiumoxid. On the MCrAlX may still be present a thermal barrier coating, and consists for example of ZrO 2 , Y 2 O 3 -ZrO 2 , ie it is not, partially or completely stabilized by yttria and / or calcium oxide and / or magnesium oxide.
Durch geeignete Beschichtungsverfahren wie z.B. Elektronenstrahlverdampfen (EB-PVD) werden stängelförmige Körner in der Wärmedämmschicht erzeugt. By suitable coating methods, e.g. Electron beam evaporation (EB-PVD) produces stalk-shaped grains in the thermal barrier coating.
Die Leitschaufel
Die
Die Strömungsmaschine kann eine Gasturbine eines Flugzeugs oder eines Kraftwerks zur Elektrizitätserzeugung, eine Dampfturbine oder ein Kompressor sein. The turbomachine may be a gas turbine of an aircraft or a power plant for power generation, a steam turbine or a compressor.
Die Schaufel
Als Leitschaufel
Im Befestigungsbereich
Der Schaufelfuß
Die Schaufel
Bei herkömmlichen Schaufeln
Solche Superlegierungen sind beispielsweise aus der
Die Schaufel
Werkstücke mit einkristalliner Struktur oder Strukturen werden als Bauteile für Maschinen eingesetzt, die im Betrieb hohen mechanischen, thermischen und/oder chemischen Belastungen ausgesetzt sind. Workpieces with a monocrystalline structure or structures are used as components for machines which are exposed to high mechanical, thermal and / or chemical stresses during operation.
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. The production of such monocrystalline workpieces takes place e.g. by directed solidification from the melt. These are casting processes in which the liquid metallic alloy is transformed into a monocrystalline structure, i. to the single-crystal workpiece, or directionally solidified.
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 zunichtemachen. Here, dendritic crystals are aligned along the heat flow and form either a columnar grain structure (columnar, i.e., grains that run the full length of the workpiece and here, in common usage, are referred to as directionally solidified) or a monocrystalline structure, i. the whole workpiece consists of a single crystal. In these processes, one must avoid the transition to globulitic (polycrystalline) solidification, since non-directional growth necessarily forms transverse and longitudinal grain boundaries which negate the good properties of the directionally solidified or monocrystalline component.
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). The term generally refers to directionally solidified microstructures, which means both single crystals that have no grain boundaries or at most small angle grain boundaries, and stem crystal structures that have probably longitudinal grain boundaries but no transverse grain boundaries. These second-mentioned crystalline structures are also known as directionally solidified structures.
Solche Verfahren sind aus der
Ebenso können die Schaufeln
Die Dichte liegt vorzugsweise bei 95% der theoretischen Dichte. The density is preferably 95% of the theoretical density.
Auf der MCrAlX-Schicht (als Zwischenschicht oder als äußerste Schicht) bildet sich eine schützende Aluminiumoxidschicht (TGO = thermal grown oxide layer). A protective aluminum oxide layer (TGO = thermal grown oxide layer) is formed on the MCrAlX layer (as an intermediate layer or as the outermost 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. Preferably, the layer composition comprises Co-30Ni-28Cr-8Al-0.6Y-0.7Si or Co-28Ni-24Cr-10Al-0.6Y. In addition to these cobalt-based protective coatings, nickel-based protective layers such as Ni-10Cr-12Al-0.6Y-3Re or Ni-12Co-21Cr-11Al-0.4Y-2Re or Ni-25Co-17Cr-10Al-0.4Y-1 are also preferably used , 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. On the MCrAlX may still be present a thermal barrier coating, which is preferably the outermost layer, and consists for example of ZrO 2 , Y 2 O 3 -ZrO 2 , ie it is not, partially or completely stabilized by yttria and / or calcium oxide and / or magnesium oxide. The thermal barrier coating covers the entire MCrAlX layer.
Durch geeignete Beschichtungsverfahren wie z.B. Elektronenstrahlverdampfen (EB-PVD) werden stängelförmige Körner in der Wärmedämmschicht erzeugt. By suitable coating methods, e.g. Electron beam evaporation (EB-PVD) produces stalk-shaped grains in the thermal barrier coating.
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. Other coating methods are conceivable, e.g. atmospheric plasma spraying (APS), LPPS, VPS or CVD. The thermal barrier coating may have porous, micro- or macro-cracked grains for better thermal shock resistance. The thermal barrier coating is therefore preferably more porous than the MCrAlX layer.
Wiederaufarbeitung (Refurbishment) bedeutet, dass Bauteile
Die Schaufel
Die
Zur Erzielung eines vergleichsweise hohen Wirkungsgrades ist die Brennkammer
Jedes Hitzeschildelement
Diese Schutzschichten können ähnlich der Turbinenschaufeln sein, also bedeutet beispielsweise 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). Solche Legierungen sind bekannt aus der
Auf der MCrAlX kann noch eine beispielsweise keramische Wärmedämmschicht vorhanden sein und besteht beispielsweise aus ZrO2, Y2O3-ZrO2, d.h. sie ist nicht, teilweise oder vollständig stabilisiert durch Yttriumoxid und/oder Kalziumoxid und/oder Magnesiumoxid. On the MCrAlX, for example, a ceramic thermal barrier coating may be present and consists for example of ZrO 2 , Y 2 O 3 -ZrO 2 , ie it is not, partially or completely stabilized by yttria and / or calcium oxide and / or magnesium oxide.
Durch geeignete Beschichtungsverfahren wie z.B. Elektronenstrahlverdampfen (EB-PVD) werden stängelförmige Körner in der Wärmedämmschicht erzeugt. By suitable coating methods, e.g. Electron beam evaporation (EB-PVD) produces stalk-shaped grains in the thermal barrier coating.
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. Other coating methods are conceivable, e.g. atmospheric plasma spraying (APS), LPPS, VPS or CVD. The thermal barrier coating may have porous, micro- or macro-cracked grains for better thermal shock resistance.
Wiederaufarbeitung (Refurbishment) bedeutet, dass Hitzeschildelemente
Aufgrund der hohen Temperaturen im Inneren der Brennkammer
Ein erfindungsgemäßes Verfahren wird nachfolgend bezogen auf die
Obwohl
Die
Nach aktuellem Stand der Wissenschaft bilden sich die Rafts parallel zur Hauptspannungsrichtung wenn eine Druckspannung
Während des Betriebs von Bauteilen kann es je nach thermischer und mechanischer Beanspruchung lokal zur Bildung von Rafts kommen. Die Ausrichtung ist dabei von den lokalen Beanspruchungen aus Betriebslasten abhängig. Je nach Ausrichtung können die Rafts negative Auswirkungen auf die Belastbarkeit des Bauteils haben. Das Bauteil ist bei einer unvorteilhaften Ausrichtung von im Betrieb entstandenen Rafts betriebsbedingt geschädigt. During the operation of components, depending on the thermal and mechanical stress, local formation of rafts may occur. The orientation depends on the local loads from operating loads. Depending on the orientation, the rafts can have negative effects on the load capacity of the component. The component is damaged in operation due to unfavorable alignment of operational rafts.
Wenn das Bauteil durch die betriebsbedingte Schädigung nicht mehr die für den Betrieb erforderliche Belastbarkeit besitzt, kann es nach dem aktuellem Stand der Technik nicht mehr verwendet oder instandgesetzt werden. Eine erfindungsgemäße Neuausrichtung der Ausdehnungsrichtung der Rafts kann das Bauteil im Hinblick auf die Betriebsbeanspruchung wieder belastbarer und damit wieder verwendungsfähig machen. Eine globale Behandlung des ganzen Bauteils ist in vielen Fällen nicht möglich bzw. nicht erwünscht. Für das Beispiel der Turbinenlaufschaufel
Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Turbinenlaufschaufel
Zur Neuausrichtung der Rafts werden als Teil der Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens neben einer Prozesstemperatur zeitgleich auch mechanische Spannungen in ausreichender Höhe in der Verfahrenszone
Durch einen oder mehrere geeignete Sensoren
Bei erfindungsgemäßer Durchführung des beanspruchten Verfahrens kann die γ/γ’-Mikrostruktur eines betriebsbedingt lokal geschädigten Bauteils so ausgerichtet werden, dass die mechanische Belastbarkeit gegenüber einer definierten Belastung im Vergleich zum Ausgangszustand vorteilhaft verbessert werden kann. Das erfindungsgemäße Verfahren bringt durch Betrieb geschädigte Laufschaufeln wieder in betriebstauglichen Zustand und senkt so vorteilhaft die Betriebskosten von Gasturbinen. When carrying out the claimed method according to the invention, the γ / γ'-microstructure of a locally damaged component due to operational conditions can be aligned such that the mechanical load capacity can be advantageously improved compared to a defined load compared to the initial state. The method according to the invention brings operating blades damaged by operation back into operating condition and thus advantageously lowers the operating costs of gas turbines.
A Raftanalyse A raft analysis
Zunächst wird die vorhandene Ausrichtung der Rafts ermittelt (A), beispielweise durch metallurgische Untersuchung. So können unter anderem geschädigte Bereiche ermittelt werden. Anhaltspunkte für mögliche geschädigte Bereiche können beispielweise auch aus Beschädigungen an einer thermischen Isolationsschicht gewonnen werden. First, the existing orientation of the rafts is determined (A), for example, by metallurgical investigation. Thus, among other things, damaged areas can be determined. Clues for possible damaged areas can be obtained, for example, from damage to a thermal insulation layer.
B Spannungsanalyse Betrieb B Stress analysis operation
Aus dem Vorhandensein und der Lage der Rafts können Rückschlüsse über Spannungsverteilung und Temperaturverteilung im Bauteil während des Betriebs gezogen werden (B). From the presence and position of the rafts, conclusions can be drawn about the distribution of stress and the temperature distribution in the component during operation (B).
C Festlegung Ziel-Raft-Ausdehnungsrichtung C Definition of target raft extension direction
In einem weiteren Schritt C ist festzulegen, welche Ausdehnungsrichtungen der Rafts vorteilhaft für die lokale Beanspruchung während des Betriebs sind. Daraus werden die in die Verfahrenszone
D Anbringung Spannungssensor D Attach voltage sensor
Im Verfahrensschritt D wird nahe der Verfahrenszone
E Einbringung in Prozesskammer E introduction in process chamber
Im Verfahrensschritt E wird das Bauteil auf einer Halterung in der Prozesskammer
F Spannungseinbringung F Voltage input
Im Verfahrensschritt F werden auf das Bauteil Kräfte und Momente (
G Lokale Wärmeeinbringung „Rerafting“G Local heat input "Rerafting"
Die Verfahrenszone
Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich insbesondere zur Wiederaufbereitung von lokal vorgeschädigten Bauteilen mit ursprünglich kubischen γ/γ’-Mikrostrukturen. Solche Bauteile können insbesondere Turbinenschaufeln sein, die durch lokale gerichtete Vergröberung der γ/γ’-Mikrostruktur in ihrer Belastbarkeit gegenüber den Betriebsbeanspruchungen beeinträchtigt sind. Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann die Ausdehnungsrichtung der γ/γ’-Mikrostruktur in eine vorteilhafte Richtung gedreht werden. Um dies zu erreichen, wird erfindungsgemäß die Verfahrenszone
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