DE102015207463A1

DE102015207463A1 - Gedrucktes Reparaturpflaster für Turbinenbauteile

Info

Publication number: DE102015207463A1
Application number: DE102015207463.3A
Authority: DE
Inventors: Fathi Ahmad; Björn Buchholz; Michael Ott; Radan Radulovic
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2015-04-23
Filing date: 2015-04-23
Publication date: 2016-10-27

Abstract

Es werden ein Verfahren zum Reparieren von beschädigten Bereichen der Oberfläche eines Turbinenbauteils unter Verwendung eines Reparaturpflasters sowie ein Verfahren zum Herstellen des Reparaturpflasters bereitgestellt, wobei der Aufbau des Reparaturpflasters dem der Oberfläche des Turbinenbauteils entspricht. Weiterhin werden ein den Dimensionen des beschädigten Bereichs entsprechendes Reparaturpflaster und ein mit dem Reparaturpflaster repariertes Bauteil einer Turbine bereitgestellt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Reparieren von Turbinenbauteilen unter Verwendung eines Reparaturpflasters für die Beschichtung von Turbinenbauteilen sowie ein Verfahren zum Herstellen des Reparaturpflasters.
Bauteile von Turbinen, besonders von Gasturbinen, sind wegen hoher Betriebstemperaturen und Fliehkräften starken thermomechanischen Beanspruchungen ausgesetzt. Zur Stärkung der Beständigkeit gegenüber den genannten Belastungen werden Wärmedämmschichtsysteme verwendet. Wärmedämmschichtsysteme umfassen typischerweise ein zu schützendes Substrat, eine Wärmedämmschicht (englisch thermal barrier coating, TBC) und eine metallische Haftvermittlerschicht. Die Wärmedämmschicht dient dabei vor allem der Wärmeschutzisolierung des Substrats. Die metallische Haftvermittlerschicht dient zur Anbindung der Wärmedämmschicht an das Substrat und gleicht die unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten von Wärmedämmschicht und Substrat aus. An der zur Wärmedämmschicht weisenden Seite der metallischen Haftvermittlerschicht wird im Laufe eines Betriebes mit Hochtemperaturanwendungen eine Deckschicht aus thermisch gewachsenem Aluminiumoxid (Englisch thermally grown oxide, TGO) gebildet, die als Oxidationsschutz für das Substrat und Bindung an die Wärmedämmschicht dient.
Die Betriebsdauer eines Wärmedämmschichtsystems wird im Allgemeinen durch eine Ablösung der Wärmedämmschicht begrenzt. Die Ablösung wird verursacht durch Entstehung und Erweiterung von Rissen in der Wärmedämmschicht. Die Ablösung wird häufig in einem Abschnitt einer Plattform einer Turbinenschaufel beobachtet, in dessen Bereich die Plattform in die Schaufel übergeht. Herkömmlicherweise wird das Problem der Ablösung dadurch gelöst, dass die Turbinenschaufeln vor Ablauf der erwarteten Laufzeit ausgewechselt werden oder der Betrieb der entsprechenden Turbine eingeschränkt wird. Diese Vorgehensweise ist jedoch nicht effizient. Es besteht darum die Aufgabe, ein Verfahren bereitzustellen, mit dem die Lebensdauer von Wärmedämmbeschichtungen und damit von Turbinenbauteilen verlängert werden kann.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Neben- und Unteransprüchen, den Figuren und den Ausführungsbeispielen.
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Reparieren einer beschädigten Oberfläche eines Turbinenbauteils unter Verwendung eines Reparaturpflasters, umfassend die Schritte

– S1) Bereitstellen eines Turbinenbauteils mit beschädigter Oberfläche,
– S2) Auftragen des Reparaturpflasters auf die beschädigte Oberfläche,
– S3) Applizieren einer Temperatur von über 1000°C für eine bestimmte Zeitspanne, um eine Bindung zwischen dem Material des Turbinenbauteils und dem Reparaturpflaster zu bewirken.

Das Verfahren ist vorteilhaft, weil die Reparatur mit einem maßgeschneiderten Reparaturpflaster durch geringeren Materialaufwand kostengünstiger ist als eine Neubeschichtung des ganzen Turbinenbauteils. Weiterhin erhöht das Verfahren die Lebensdauer der Turbine, so dass kein vorzeitiger Austausch von Turbinenbauteilen erforderlich ist. Vorteilhaft ist auch, dass durch das Verfahren keine Einschränkung des Betriebs der Turbine wegen beschädigter Turbinenbauteile erforderlich ist. Weiterhin ist das Verfahren auch unkompliziert durchführbar.
Das Turbinenbauteil ist besonders bevorzugt ein Gasturbinenbauteil. In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens ist das zu reparierende Turbinenbauteil vorzugsweise eine Leit- oder Laufschaufel. Die beschädigte Oberfläche ist dabei vorzugsweise ein Abschnitt einer Plattform der Leit- oder Laufschaufel. Der Abschnitt der Plattform befindet sich dabei bevorzugt in einem Übergangsbereich zwischen der Plattform und dem Schaufelblatt der Leit- oder Laufschaufel. Darüber hinaus kann das Verfahren auch für andere Bauteile einer Gasturbine sowie Bauteile anderer Turbinenarten verwendet werden.
Die Zeitspanne in Schritt S3 beträgt vorzugsweise mindestens eine Stunde.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen eines Reparaturpflasters für Turbinenbauteile, umfassend die Schritte

– S4) Bereitstellen einer Bauplattform in einem Fertigungszylinder,
– S5) Herstellen einer metallischen Haftvermittlerschicht,
– S6) Aufbringen einer Wärmedämmschicht auf einer ersten Oberfläche der metallischen Haftvermittlerschicht,
– S7) Aufbringen eines Hochtemperaturklebers auf einer zweiten Oberfläche der metallischen Haftvermittlerschicht,
– S8) Schneiden des Reparaturpflasters in gewünschte Dimensionen.

Das Verfahren wird mit Hilfe eines 3D-Druckers, vorzugsweise durch Selektives Laserschmelzen, durchgeführt. Dadurch ist eine genauere Definition der Dicke der einzelnen Schichten des Reparaturpflasters und des Reparaturpflasters selbst möglich. Damit ist durch das Verfahren ein Reparaturpflaster mit einer Dicke herstellbar, die der Dicke der Beschichtung eines entsprechenden beschädigten Turbinenbauteils präzise entspricht. Das Verfahren ist vorteilhaft, weil ein Werkstoffteil direkt für die Reparatur eines beschädigten Bereichs maßgeschneidert werden kann. Dadurch können vorteilhafterweise auch Materialkosten eingespart werden. Weiterhin kann das erfindungsgemäße Reparaturpflaster zur Reparatur von allen Turbinenbauteilen verwendet werden.
Das Herstellen der metallischen Haftvermittlerschicht umfasst in dem Verfahren vorzugsweise die Schritte

– S51) Aufbringen einer Schicht aus metallischen Partikeln auf der Bauplattform,
– S52) Verschmelzen der metallischen Partikel durch Wirkung eines Laserstrahls,
– S53) Absenken der Plattform

Das Aufbringen der Wärmedämmschicht umfasst in dem Verfahren vorzugsweise die Schritte

– S61) Aufbringen einer Schicht aus pulverförmigem Material auf der ersten Oberfläche der metallischen Haftvermittlerschicht,
– S62) Verschmelzen von Pulverteilchen durch Wirkung eines Laserstrahls,
– S63) Absenken der Bauplattform

Weiterhin weisen die metallischen Partikel eine metallische Legierung des Typs MCrAlY auf, wobei M für mindestens ein Metall aus der Gruppe enthaltend Eisen, Kobalt und Nickel als Grundlage der Legierung steht. Die metallische Haftvermittlerschicht dient vorteilhaft der Anbindung der Wärmedämmschicht an das Substrat, gleicht die unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten aus und dient weiterhin vorteilhaft durch die Bildung einer Deckschicht aus thermisch gewachsenem Aluminiumoxid (Englisch thermally grown oxide, TGO) als Oxidationsschutz für das Substrat.
Weiterhin weist in dem Verfahren das pulverförmige Material für die Wärmedämmbeschichtung bevorzugt keramische Bestandteile auf.
Ein dritter Aspekt der Erfindung bezieht sich auf ein Reparaturpflaster für ein Turbinenbauteil, aufweisend

– eine erste Schicht aus einer metallischen Legierung des Typs MCrAlY, wobei M für mindestens ein Metall aus der Gruppe enthaltend Eisen, Kobalt und Nickel als Grundlage der Legierung steht,
– eine auf einer ersten Oberfläche der ersten Schicht aufgebrachten zweiten Schicht, die keramische Bestandteile aufweist, und
– eine auf einer zweiten Oberfläche der ersten Schicht aufgebrachten Klebeschicht, die einen Hochtemperaturkleber aufweist.

Ein vierter Aspekt der Erfindung bezieht sich auf ein repariertes Turbinenbauteil mit einem erfindungsgemäßen Reparaturpflaster. Das reparierte Turbinenbauteil ist dabei vorzugsweise eine Leit- oder Laufschaufel. Das reparierte Turbinenbauteil ist besonders bevorzugt ein Gasturbinenbauteil.
Die Erfindung wird anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen
1 eine perspektivische Ansicht einer Schaufel einer Turbine mit einem Reparaturpflaster;
2 das Reparaturpflaster aus 1 in seitlicher Querschnittsdarstellung;
3 ein Fließdiagram einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Reparatur einer Schaufel einer Turbine;
4 ein Fließdiagramm einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen des Reparaturpflasters gemäß 2.
Ein Turbinenbauteil 1 ist in der Darstellung von 1 eine Schaufel 1a. Die Schaufel 1a umfasst gemäß 1 eine Plattform 2, einen Übergangsbereich 3 zwischen der Plattform 2 und einem Schaufelblatt 4, sowie einen im Querschnitt tannenbaumförmigen Schaufelfuß 5. Das Material der Schaufel 1a ist typischerweise eine Superlegierung auf Nickelbasis, wie sie herkömmlicherweise in Turbinen für Hochtemperaturanwendungen verwendet werden. Auf das Material ist zum Schutz vor hohen Temperaturen und Korrosion eine Schutzschicht aufgebracht, die aus einer metallischen Haftvermittlerschicht und einer Wärmedämmschicht besteht. Die Schaufel 1a weist in einem Abschnitt 6 der Plattform nahe dem Übergangsbereich 3 einen reparierten Bereich auf, in dem durch ein Reparaturpflaster 7 eine schadhafte Stelle ausgebessert ist.
Das Reparaturpflaster 7 weist entsprechend der Darstellung von 2 eine erste Schicht 71 auf, die auch als metallische Haftvermittlerschicht 71 bezeichnet wird. Die metallische Haftvermittlerschicht 71 weist eine metallische Legierung des Typs MCrAlY auf. M steht in dieser Legierung typischerweise für mindestens ein Metall aus der Gruppe enthaltend Eisen, Kobalt und Nickel. Alternativ zu Yttrium (Y) kann ein anderes Element, vorzugsweise ein Selten-Erde-Element, in der Legierung verwendet werden. Die metallische Haftvermittlerschicht 71 ist zwischen 0,1 mm bis 0,5 mm dick, bevorzugt zwischen 0,1 mm und 0,3 mm. Die Dicke der metallischen Haftvermittlerschicht kann auch davon abweichen, wenn die Beschichtung der zu reparierenden Schaufel 1a andere Maße der metallischen Haftvermittlerschicht aufweist.
Auf einer ersten Oberfläche der metallischen Haftvermittlerschicht 71 ist eine zweite Schicht 72 angeordnet, die auch als Wärmedämmschicht 72 bezeichnet wird. Die Wärmedämmschicht 72 weist keramische Bestandteile auf. Diese keramischen Bestandteile können z.B. chemisch stabilisiertes Zirkoniumdioxid umfassen. Die Wärmedämmschicht 72 ist zwischen 0,1 mm und 1,0 mm dick, bevorzugt zwischen 0,1 mm und 0,6 mm. Die Dicke der Wärmedämmschicht kann auch davon abweichen, wenn die Beschichtung der zu reparierenden Schaufel 1a andere Maße der Wärmedämmschicht aufweist.
Auf einer zweiten Oberfläche der metallischen Haftvermittlerschicht 71 ist eine dritte Schicht 73 angeordnet, die einen Hochtemperaturkleber aufweist und darum auch als Klebeschicht 73 bezeichnet wird. Hochtemperaturkleber sind dem Fachmann bekannt. Die Dicke der Klebeschicht beträgt zwischen 20µm und 200µm, bevorzugt zwischen 40µm und 120µm und noch bevorzugter zwischen 50µm und 100µm.
Zur Reparatur eines beschädigten Bereichs einer Schaufel 1a wird entsprechend der Darstellung eines Verfahrens zur Reparatur eines Turbinenbauteils gemäß 3 in einem ersten Schritt S1 eine Schaufel 1a mit einem beschädigten Bereich bereitgestellt. Dabei ist das Verfahren auch für andere Turbinenbauteile geeignet, so dass im Bedarfsfall auch ein anderes bereitgestellt werden kann. In Schritt S2 wird das Reparaturpflaster 7 so auf den beschädigten Bereich aufgetragen, dass die Klebeschicht 73 zur Schaufel weist. In Schritt S3 wird die Schaufel 1a mit dem Reparaturpflaster 7, besonders der beschädigte Bereich mit dem Reparaturpflaster 7, einer Temperatur im Bereich von 1120°C bis 1180°C ausgesetzt. Die Temperatur wird für einen Zeitraum von mindestens 1h appliziert, bevorzugt für 3h, noch bevorzugter für 4h und noch bevorzugter für 5h, um eine Bindung zwischen dem Material des Turbinenbauteils und dem Reparaturpflaster zu bewirken. Im Ergebnis wird ein repariertes Turbinenbauteil 1b, besonders eine reparierte Schaufel, erhalten.
Ein Verfahren zur Herstellung des Reparaturpflasters 7 ist in 4 dargestellt. Das Reparaturpflaster wird mit Hilfe eines 3D-Druckers hergestellt. Ein bevorzugtes Verfahren ist das Selektive Laserschmelzen. In einem ersten Schritt S4 wird dazu eine Bauplattform in einem Fertigungszylinder bereitgestellt. In einem zweiten Schritt S5 wird die metallische Haftvermittlerschicht 71 mit einer ersten und einer zweiten Oberflächen hergestellt. Dazu wird in dem Unterschritt S51 eine Schicht aus metallischen Partikeln auf der Bauplattform aufgebracht, werden in einem zweiten Unterschritt S52 die metallische Partikel durch Wirkung eines Laserstrahls zum Schmelzen gebracht und die Partikel miteinander und mit der darunter liegenden Schicht verschmolzen. In einem dritten Unterschritt S53 wird die Bauplattform abgesenkt, wobei die Schritte S51 bis S53 in einer Anzahl wiederholt werden, wie zum Fertigstellen einer metallischen Haftvermittlerschicht 71 in gewünschter Dicke notwendig sind. In einem dritten Schritt S6 wird auf die erste Oberfläche der metallischen Haftvermittlerschicht 71 eine Wärmedämmschicht 72 aufgebracht. Dazu wird in einem ersten Unterschritt S61 eine Schicht aus pulverförmigem Material auf der ersten Oberfläche der metallischen Haftvermittlerschicht 71 aufgebracht. In einem zweiten Unterschritt S62 werden die Pulverteilchen des Materials durch Wirkung eines Laserstrahls miteinander und mit der entsprechenden darunter liegenden Schicht verschmolzen. In einem dritten Unterschritt S63 wird die Plattform um das Niveau einer Schicht abgesenkt. Die Unterschritte S61 bis S63 werden in einer Anzahl wiederholt, wie zum Fertigstellen der Wärmedämmschicht 72 in gewünschter Dicke notwendig sind. In einem vierten Schritt S7 wird auf die zweite Oberfläche der metallischen Haftvermittlerschicht ein Hochtemperaturkleber aufgebracht. In einem fünften Schritt S8 wird das hergestellte Reparaturpflaster geschnitten, so dass es die Dimensionen, d.h. besonders Länge und Breite, des auszubessernden beschädigten Bereichs hat.
Für einen Fachmann naheliegenden Abwandlungen und Änderungen der Erfindung fallen unter den Schutzumfang der Patentansprüche.

Claims

Verfahren zum Reparieren einer beschädigten Oberfläche eines Turbinenbauteils (1) unter Verwendung eines Reparaturpflasters (7), umfassend die Schritte – S1) Bereitstellen eines Turbinenbauteils (1) mit beschädigter Oberfläche, – S2) Auftragen des Reparaturpflasters (7) auf die beschädigte Oberfläche, – S3) Applizieren einer Temperatur von über 1000°C für eine bestimmte Zeitspanne, um eine Bindung zwischen dem Material des Turbinenbauteils (1) und dem Reparaturpflaster (1a) zu bewirken.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Turbinenbauteil (1) eine Leit- oder Laufschaufel (1a) ist.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die beschädigte Oberfläche ein Abschnitt (6) einer Plattform (2) der Leit- oder Laufschaufel (1a) ist.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei der Abschnitt (6) der Plattform (2) einem Übergangsbereich (3) zwischen der Plattform (2) und dem Schaufelblatt (4) der Leit- oder Laufschaufel (1a) benachbart ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Zeitspanne in Schritt S3 mindestens eine Stunde beträgt.
Verfahren zum Herstellen eines Reparaturpflasters (7) für Turbinenbauteile (1), umfassend die Schritte – S4) Bereitstellen einer Bauplattform in einem Fertigungszylinder, – S5) Herstellen einer metallischen Haftvermittlerschicht (71), – S6) Aufbringen einer Wärmedämmschicht (72) auf einer ersten Oberfläche der metallischen Haftvermittlerschicht (71), – S7) Aufbringen eines Hochtemperaturklebers auf einer zweiten Oberfläche der metallischen Haftvermittlerschicht (71), – S8) Schneiden des Reparaturpflaster (7) in gewünschte Dimensionen.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei das Herstellen der metallischen Haftvermittlerschicht (71) die Schritte – S51) Aufbringen einer Schicht aus metallischen Partikeln auf der Bauplattform, – S52) Verschmelzen der metallischen Partikel durch Wirkung eines Laserstrahls, – S53) Absenken der Bauplattform umfasst, wobei die Schritte S51 bis S53 in einer Anzahl wiederholt werden, wie zum Fertigstellen der metallischen Haftvermittlerschicht (71) in gewünschter Dicke notwendig sind.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, wobei das Aufbringen der Wärmedämmschicht (72) die Schritte – S61) Aufbringen einer Schicht aus pulverförmigem Material auf der ersten Oberfläche der metallischen Haftvermittlerschicht (71), – S62) Verschmelzen von Pulverteilchen durch Wirkung eines Laserstrahls, – S63) Absenken der Plattform umfasst, wobei die Schritt S61 bis S63 in einer Anzahl wiederholt werden, wie zum Fertigstellen der Wärmedämmschicht (72) in gewünschter Dicke notwendig sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei die metallischen Partikel eine metallische Legierung des Typs MCrAlY aufweisen, wobei M für mindestens ein Metall aus der Gruppe enthaltend Eisen, Kobalt und Nickel als Grundlage der Legierung steht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, wobei das pulverförmige Material für die Wärmedämmbeschichtung (72) keramische Bestandteile aufweist.
Reparaturpflaster (7) für ein Turbinenbauteil (1), aufweisend – eine erste Schicht (71) aus einer metallischen Legierung des Typs MCrAlY, wobei M für mindestens ein Metall aus der Gruppe enthaltend Eisen, Kobalt und Nickel als Grundlage der Legierung steht, – eine auf einer ersten Oberfläche der ersten Schicht (71) aufgebrachten zweiten Schicht (72), die keramische Bestandteile aufweist, und – eine auf einer zweiten Oberfläche der ersten Schicht (71) aufgebrachten Klebeschicht (73), die einen Hochtemperaturkleber aufweist.
Repariertes Turbinenbauteil (1b) mit einem Reparaturpflaster (7) gemäß Anspruch 11.
Repariertes Turbinenbauteil (1b) nach Anspruch 12, wobei das Turbinenbauteil eine Leit- oder Laufschaufel (1a) ist.
Repariertes Turbinenbauteil (1b) nach Anspruch 12 oder 13, wobei das Turbinenbauteil ein Gasturbinenbauteil ist.