DE102020101472A1

DE102020101472A1 - Verfahren und Satz von Ersatzstücken zur Reparatur einer Niederdruckturbinenschaufel aus Titanaluminid

Info

Publication number: DE102020101472A1
Application number: DE102020101472.4A
Authority: DE
Inventors: Thomas Gartner; Jan Oke PETERS; Matthias Mecklenburg; Dominic Abel; Marcus Willi Rackel; Florian Pyczak; Florian Riedlberger
Original assignee: Lufthansa Technik AG; Helmholtz Zentrum Geesthacht Zentrum fuer Material und Kustenforschung GmbH
Current assignee: Lufthansa Technik AG; Helmholtz Zentrum Geesthacht Zentrum fuer Material und Kustenforschung GmbH
Priority date: 2020-01-22
Filing date: 2020-01-22
Publication date: 2021-02-11

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reparatur einer Niederdruckturbinenschaufel (50) aus Titanaluminid, sowie einen dafür geeigneten Satz von Ersatzstücken (10).Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein für die Reparatur einer Beschädigung (52) einer Niederdruckturbinenschaufel (50) geeignetes Ersatzstück (10) aus demselben Material wie die Niederdruckturbinenschaufel (50) ausgewählt. Im Bereich der Beschädigung (52) wird dann ein auf das ausgewählte Ersatzstück (10) angepasste Ersatzstückaufnahme (53) geschaffen, in der das Ersatzstück (10) anschließend durch Diffusionsschweißen befestigt wird.In dem erfindungsgemäßen Satz von Ersatzstücken (10) finden sich wenigstens zwei Ersatzstücke (10), zwischen denen bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens gewählt werden kann.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reparatur einer Niederdruckturbinenschaufel aus Titanaluminid sowie einen dafür geeigneten Satz von Ersatzstücken.
Bei Niederdruckturbinenschaufeln handelt es sich um die Turbinenschaufeln der im - in Strömungsrichtung gesehen - hinteren Bereich eines Flugzeugtriebwerks gelegenen Niederdruckturbine. Die Niederdruckturbinenschaufeln sind hohen Belastungen ausgesetzt.
An den Niederdruckturbinenschaufeln können lokal begrenzte Schäden auftreten, die bspw. durch Einschläge von Partikeln, die in der Durchströmung des Flugzeugtriebwerks mitgeführt werden, entstehen. Entsprechende Beschädigungen treten insbesondere an den Eintritts- und Austrittskanten des Schaufelblattes in Form von Dellen, Kerben oder Rissen auf.
Im Stand der Technik sind verschiedene Verfahren bekannt, entsprechende Beschädigungen zu reparieren. So ist es grundsätzlich bekannt, per Laserauftragsschweißen Material auf die beschädigte Stelle einer Niederdruckturbinenschaufel aufzubringen und durch anschließende spanende Bearbeitung die ursprüngliche Kontur der Niederdruckturbinenschaufeln wieder herzustellen.
Alternativ zum Laserauftragsschweißen kann der Materialauftrag auch durch Einbringen eines Materialblocks in eine dafür geschaffene Aufnahme in die Niederdruckturbinenschaufel erfolgen, wobei der Materialblock dann per Elektronenstrahlschweißen in der Niederdruckturbinenschaufel befestigt wird. Ist der Materialblock in seiner Formgebung an die Kontur der Niederdruckturbinenschaufel angepasst, kann auf eine spanende Bearbeitung nach dessen Befestigung in der Niederdruckturbinenschaufel verzichtet werden.
Die aus dem Stand der Technik bekannten Reparaturverfahren eignen sich zur Reparatur von Niederdruckturbinenschaufeln aus Titan- oder Nickellegierungen und werden auch entsprechend angewendet.
Bei modernen Triebwerken kommen insbesondere aus Gründen der Gewichtsreduktion vermehrt Niederdruckturbinenschaufeln aus Titanaluminiden zum Einsatz, die gute spezifische Festigkeits- und Steifigkeitseigenschaften aufweisen und für den in einer Niederdruckturbine üblicherweise herrschenden Temperaturbereich geeignet sind. Dabei kommt insbesondere auf Gamma-Titanaluminid (γ-TiAl) zum Einsatz, d. h. Titanaluminidlegierung mit einem überwiegenden Anteil an Gamma-Phase bzw. Titanaluminidlegierungen mit wenigstens 50 Volumenprozent Gamma-Phase bezogen auf die Gesamtzusammensetzung der Titanaluminidlegierung.
Für entsprechende Niederdruckturbinenschaufeln aus Titanaluminiden sind die aus dem Stand der Technik bekannten Reparaturverfahren nicht oder nur in begrenztem Maße geeignet. Insbesondere hat sich gezeigt, dass es bei Anwendung der bekannten Verfahren zu Rissbildungen in den Niederdruckturbinenschaufeln kommen kann, die aufgrund der erwähnten hohen Belastungen zu Schäden an der Niederdruckturbine führen kann.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zu schaffen, mit dem Niederdruckturbinenschaufeln aus Titanaluminiden zuverlässig repariert werden können.
Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren gemäß dem Hauptanspruch. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Demnach betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Reparatur einer Niederdruckturbinenschaufel aus Titanaluminiden, bei der eine die Form der Niederdruckturbinenschaufel verändernde Beschädigung ausgebessert wird, mit den Schritten:

- Auswählen eines Ersatzstücks aus demselben Material wie die Niederdruckturbinenschaufel, mit einer der originären Kontur der Niederdruckturbinenschaufel im Bereich der zu reparierenden Beschädigung nahekommenden Ersatzoberfläche und einer kantenfreien Befestigungsfläche, wobei die Ausdehnung der Ersatzoberfläche größer ist als die Ausdehnung der Beschädigung auf der Kontur der Niederdruckturbinenschaufel und der maximale Abstand zwischen Ersatzoberfläche und Befestigungsfläche größer ist als die Tiefe der Beschädigung;
- Schaffen einer Ersatzstückaufnahme in der Niederdruckturbinenschaufel im Bereich der zu reparierenden Beschädigung derart, dass nach Einsetzen des Ersatzstücks darin die Befestigungsfläche vollflächig an der Ersatzstückaufnahme anliegt und die originäre Kontur der Niederdruckturbinenschaufel durch die Ersatzoberfläche im Wesentlichen wiederhergestellt ist; und
- Verbinden des Ersatzstücks und der Niederdruckturbinenschaufel durch Diffusionsschweißen.

Die Erfindung betrifft weiterhin einen Satz von wenigstens zwei Ersatzstücken zur Verwendung im erfindungsgemäßen Verfahren, wobei die Ersatzstücke aus identischem Material sind und wobei jedes Ersatzstück eine Ersatzoberfläche auf der einen Seite und einer kantenfreien Befestigungsfläche auf der anderen Seite aufweist, wobei die Ausdehnung der Ersatzoberflächen und/oder der maximale Abstand zwischen Ersatzoberfläche und Befestigungsfläche der einzelnen Ersatzstücke unterschiedlich ist.
Die Erfindung hat erkannt, dass die aus dem Stand der Technik bekannten Reparaturverfahren für Niederdruckturbinenschaufeln sich nicht ohne Weiteres auch auf Niederdruckturbinenschaufel aus Titanaluminiden übertragen lassen. Titanaluminid, und insbesondere Gamma-Titanaluminid (γ-TiAl), ist aufgrund seiner geringen plastischen Verformbarkeit sehr rissempfindlich, wodurch es aufgrund der üblicherweise hohen Abkühlraten des Werkstoffes im Bereich des Laserauftrags- oder Elektronenstrahlschweißen bei Reparaturverfahren gemäß dem Stand der Technik zu unzulässiger Rissbildung in den Niederdruckturbinenschaufeln kommen kann.
Die Erfindung schlägt daher vor, eine Beschädigung an einer Niederdruckturbinenschaufel durch ein materialidentisches und formgeeignetes Ersatzstück zu reparieren, welches durch Diffusion mit der Niederdruckturbinenschaufel verbunden wird. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein materialgleiches Gefüge im Bereich der reparierten Beschädigung geschaffen, welches nahezu die gleichen mechanischen Eigenschaften wie eine unbeschädigte Niederdruckturbinenschaufel aufweist. Durch das Diffusionsschweißen wird ein schmelzflüssiger Zustand, der zu Poren, Versatz und Eigenspannungen im Material führen kann, vollständig vermieden. Es hat sich gezeigt, dass beim Diffusionsschweißen das Risiko der Rissbildung im Material der Niederdruckturbinenschaufel minimal ist.
Das Ersatzstück weist dabei eine Ersatzoberfläche auf, mit welcher nach erfolgter erfindungsgemäßer Reparatur einer Beschädigung die originäre Kontur der Niederdruckturbinenschaufel im Bereich der reparierten Beschädigung wenigstens im Wesentlichen wieder hergestellt wird. Dabei wird das Ersatzstück vorzugsweise so in die Niederdruckturbinenschaufel eingefügt, dass die Ersatzoberfläche im Wesentlichen übergangsfrei zur umliegenden Oberfläche der Niederdruckturbinenschaufel ist, womit auf eine Nachbearbeitung verzichtet werden kann.
Die Ersatzoberfläche kann eben ausgestaltet sein, was insbesondere bei kleineren Ausdehnungen der Ersatzoberfläche regelmäßig ausreicht, um auch bei der Reparatur einer Beschädigung in einem gekrümmten Bereich der Niederdruckturbinenschaufel eine ausreichende Wiederherstellung der Kontur zu gewährleisten. Insbesondere wenn die Ausdehnung der Ersatzoberfläche aber größer ist oder die Niederdruckturbinenschaufel im zu reparierenden Bereich einen kleinen Krümmungsradius aufweist, kann die Ersatzoberfläche gekrümmt ausgestaltet sein, um so einer evtl. Krümmung der Niederdruckturbinenschaufel im Bereich der zu reparierenden Beschädigung nahezukommen.
Es ist aber auch möglich, dass die Ersatzoberfläche zur Wiederherstellung einer Kante, insbesondere also der Profilvorder- oder Hinterkante der Niederdruckturbinenschaufel ausgebildet ist, wobei ein Teil der Ersatzoberfläche die Stirn der Kante bildet, zu deren Seiten jeweils eine Ersatzoberfläche für die Oberseite und die Unterseite der Niederdruckturbinenschaufel anschließen. Insbesondere kann bei dem Ersatzstück die Ersatzoberfläche für die Oberseite und die Unterseite der Niederdruckturbinenschaufel deutlich größer sein, als die die Stirn bildende Ersatzoberfläche, sodass das Ersatzstück plattenförmig wirkt. Die einzelnen Teilflächen können eben sein.
Das Ersatzstück weist weiterhin eine kantenfreie Befestigungsfläche auf, über welche das Ersatzstück letztendlich per Diffusionsschweißen mit der Niederdruckturbinenschaufel verbunden ist. Durch die „Kantenfreiheit“, die ein Fehlen von Kanten an der Befestigungsfläche und somit eine mathematisch kontinuierliche Oberfläche in diesem Bereich bedeutet, kann das Risiko von Zwischenräumen, die sich ansonsten selbst bei ansonsten vollflächigen Anliegen der Befestigungsfläche ergeben können, wirksam reduziert werden.
Der maximale Abstand zwischen Befestigungsfläche und Ersatzoberfläche ist dabei größer als die Tiefe der zu reparierenden Beschädigung. Dadurch wird sichergestellt, dass das Material der Niederdruckturbinenschaufel im Bereich der Beschädigung vollständig ersetzt wird und insbesondere kein Leerraum an der Befestigungsfläche des Ersatzstücks verbleibt, sondern diese vielmehr vollflächig an der Niederdruckturbinenschaufel anliegt.
Es ist bevorzugt, wenn die Ersatzoberfläche und die Befestigungsfläche am Rand des Ersatzstücks lückenlos zusammentreffen, womit sich jeder Punkt der Oberfläche des Ersatzstücks entweder der Ersatzoberfläche oder der Befestigungsfläche zuordnen lässt. In diesem Fall weist das Ersatzstück keine weiteren Flächen auf.
Für die eigentliche Reparatur wird eine Ersatzstückaufnahme entsprechend dem ausgewählten Ersatzstück in der Niederdruckturbinenschaufel im Bereich der zu reparierenden Beschädigung geschaffen. Die Ersatzstückaufnahme ist dabei so auszugestalten, dass wenn die Befestigungsfläche vollflächig daran anliegt (was insbesondere aufgrund der Kantenfreiheit der Befestigungsfläche regelmäßig einfach zu gewährleisten ist), die Ersatzoberfläche die originäre Kontur der Niederdruckturbinenschaufel im Bereich der reparierten Beschädigung wenigstens im Wesentlichen wieder herstellt.
Anschließend wird das Ersatzstück durch Diffusionsschweißen mit der Niederdruckturbinenschaufel verbunden. Beim Diffusionsschweißen wird das Ersatzstück mit Druck in die Ersatzstückaufnahme hineingepresst und gleichzeitig werden Ersatzstück und Niederdruckturbinenschaufel auf eine Temperatur unterhalb der Schmelztemperatur des Materials der beiden Komponenten erhitzt. Dabei sind die Prozesstemperatur und der Prozessdruck so zu wählen, dass plastische Verformungen des Ersatzstückes und der Niederdruckturbinenschaufel vermieden, oder zumindest auf ein hinnehmbares Maß minimiert werden. Der vollständige Prozess wird vorzugsweise unter Vakuum, oder einem protektiven Gas oder Gasgemisch durchgeführt. Dies vermindert die Oxidation und Passivierung der Fügeflächen und begünstigt gleichzeitig das Diffusionsschweißen.
Aufgrund des Diffusionsschweißens treten bei dem erfindungsgemäßen Verfahren keine oder zumindest keine relevanten Eigenspannungen in der reparierten Niederdruckturbinenschaufel auf, sodass auf eine nachträgliche Wärmebehandlung der reparierten Niederdruckturbinenschaufel verzichtet werden kann. Indem das Ersatzstück mit der Seite, die im in die Niederdruckturbinenschaufel eingesetzten Zustand die Schaufeloberseite mit ausbildet, bereits geeignet vorausgewählt ist, um die originäre Kontur der Niederdruckturbinenschaufel im Wesentlichen und möglichst übergangsfrei wiederherzustellen, ist eine intensive Nachbearbeitung, wie sie bspw. aus dem Stand der Technik basierend auf Laserauftragsschweißen bekannt ist, ebenfalls regelmäßig nicht erforderlich.
Es ist bevorzugt, wenn die Befestigungsfläche rotationssymmetrisch ausgestaltet ist. Durch die Rotationssymmetrie ist das Schaffen einer für das Ersatzstück passenden Ersatzstückaufnahme häufig einfach möglich. So ist es in der Regel ausreichend, die Ersatzstückaufnahme durch ein einzelnes, in der Form der Befestigungsfläche ausgestaltetes Fräswerkzeug zu schaffen.
Alternativ kann das Ersatzstück - wie bereits oben beschrieben - plattenförmig sein, wobei die Dicke des Ersatzstückes grundsätzlich konstant sein kann. Eine - bspw. linear in eine Richtung - variable Dicke ist aber ebenso möglich, wie auch eine insgesamt vorgesehene Krümmung des plattenförmigen Ersatzstücks.
Es ist besonders bevorzugt, wenn das Ersatzstück im Bereich der Befestigungsfläche einen im wesentlichen kreissegmentförmigen Querschnitt aufweist. Eine entsprechende Ausgestaltung hat sich für das Herstellen einer integralen Verbindung durch das Diffusionsschweißen als besonders vorteilhaft erwiesen. Eine für ein entsprechenden Ersatzstück - insbesondere ein solches mit rotationssymmetrischer Befestigungsfläche - passende Ersatzaufnahme lässt sich bspw. durch einen Kugelfräser schaffen. Bei einem plattenförmigen Ersatzstück kann sich durch einen kreissegmentförmigen Querschnitt eine apfelstückähnliche Form ergeben.
Es ist dabei bevorzugt, dass der halbe Mittelpunktswinkel des kreissegmentförmigen Querschnitts zwischen 10° und 80°, vorzugsweise zwischen 10° und 70° ist. Durch einen entsprechenden Mittelpunktswinkel ist sichergestellt, dass an jeder Stelle der Befestigungsfläche mit kreissegmentförmigen Querschnitt bei Einpressen des Ersatzstücks in die Ersatzstückaufnahme in Richtung normal zur Ersatzoberfläche eine Flächenpressung erreicht wird.
Der Radius des kreissegmentförmigen Querschnitts beträgt vorzugsweise wenigstens 5 mm. Ein entsprechender Minimalradius gewährleistet eine gute Handhabbarkeit des Ersatzstücks und eine einfache Schaffung einer passenden Ersatzstückaufnahme in einer Niederdruckturbinenschaufel.
In den Fällen, in denen eine größere Ausdehnung der Ersatzoberfläche erforderlich ist als durch alleinige Anpassung des Radius des kreissegmentförmigen Querschnitts erreichbar, kann vorgesehen sein, dass die Befestigungsfläche einen konkav geformten Auslaufbereich umfasst, der sich tangential an den konvexen Kreisbogen des kreissegmentförmigen Querschnitts der Befestigungsfläche anschließt. Auch bei einem solchen Auslaufbereich ist bei Einpressen des Ersatzstücks in Richtung normal zur Ersatzoberfläche in eine entsprechend ausgeformte Ersatzstückaufnahme die für das Diffusionsschweißen erforderliche Flächenpressung über die gesamte Befestigungsfläche gewährleistet.
Es ist bevorzugt, wenn das Diffusionsschweißen bei einem Druck von 1 bis 100 MPa, vorzugsweise 10 bis 80 MPa, weiter vorzugsweise von ca. 20 bis 50 MPa und einer Temperatur von 900 bis 1200 °C, vorzugsweise von 950 bis 1150 °C, weiter vorzugsweise von 1000 bis 1100 °C durchgeführt wird. Diese Druck- und Temperaturbereiche haben sich für verschiedene Titanaluminide als vorteilhaft erwiesen.
Die Bearbeitungszeit des Diffusionsschweißens beträgt vorzugsweise 1 bis 5 Stunden, vorzugsweise 1,5 bis 4 Stunden, weiter vorzugsweise etwa 2 Stunden. Durch entsprechende Bearbeitungszeiten kann ein gutes Gefüge zwischen dem originären Materiale der Niederdruckturbinenschaufel und dem Ersatzstück erreicht werden.
Das Diffusionsschweißen wird vorzugsweise unter Vakuum oder einem protektiven Gas oder Gasgemisch durchgeführt. Es hat sich gezeigt, dass sich ein Vakuum von vorzugsweise 1*10^-2 mbar bis 1*10^-6 mbar, weiter vorzugsweise 1*10^-3 mbar bis 1*10^-6 mbar, weiter vorzugsweise 1*10^-4 mbar bis 1*10^-6 mbar für das Diffusionsschweißen besonders gut eignet.
Als Beschädigungen an der Niederdruckturbinenschaufel lassen sich insbesondere von Fremdpartikeln verursachte Einschläge an Profilvorder- oder Hinterkante beobachten. Zur Reparatur entsprechender Einschläge ist es bevorzugt, wenn eine Mehrzahl von Ersatzstücken mit unterschiedlichen standardisierten Geometrien vorgehalten werden, aus denen ein geeignetes Ersatzstück ausgewählt wird. Es kann dann ein für die jeweilige Beschädigung geeignetes Ersatzstück aus der Mehrzahl von Ersatzstücken ausgewählt werden.
Die Niederdruckturbinenschaufel - und damit auch das Ersatzstück - kann aus einem Titanaluminid umfassend einen Anteil an Gamma-Phase von wenigstens 50%, bezogen auf die Gesamtzusammensetzung der Titanaluminidlegierung, sein. Insbesondere kann die Niederdruckturbinenschaufel aus einer der Titanlegierungen Ti-48Al-2Nb-2Cr (at.%) oder Ti-43,5Al-4Nb-1Mo-0,1B (TNM™ alloy), in den jeweils zulässigen chemischen Abweichstoleranzen sein.
Zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Satzes von Ersatzstücken wird auf die vorstehenden Ausführungen verwiesen. Dabei ist bevorzugt, wenn das wenigstens eine Ersatzstück des Satzes gemäß den vorstehend, in Bezug auf das erfindungsgemäße Verfahren beschriebenen, bevorzugten Ausführungsformen weitergebildet ist, soweit sich diese auf die Struktur eines Ersatzstücks beziehen. Dazu gehören insbesondere die Ausgestaltung der Ersatzoberfläche und der Befestigungsfläche sowie die Materialauswahl.
Die Erfindung wird nun anhand vorteilhafter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beispielhaft beschrieben. Es zeigen:

1a-g: schematische Darstellungen eines erfindungsgemäßen Satzes von Ersatzstücken;
2a-e: schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens unter Verwendung eines Ersatzstücks gemäß Figur la-f;
3a-c: schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens unter Verwendung eines Ersatzstücks gemäß Figur Ig.

In 1a-g sind die verschiedenen Ersatzstücke 10 eines Satzes von Ersatzstücken dargestellt. Dabei ist jeweils im linken Bereich eine dreidimensionale Ansicht und im rechten Bereich eine Schnittansicht dargestellt. Im Folgenden werden zunächst die Ersatzstücke gemäß Figuren la-f erläutert.
Die Ersatzstücke 10 weisen jeweils eine Ersatzoberfläche 11 auf, die im späteren Verwendungszustand einen Teil der Oberfläche 51 einer reparierten Niederdruckturbinenschaufel 50 bildet und dabei die originäre Kontur der Niederdruckturbinenschaufel 50 im Wesentlichen wiederherstellt.
Bei den Ersatzstücken 10 gemäß 1a-e sind die Ersatzoberfläche 11 kreisförmig und eben ausgestaltet und somit rotationssymmetrisch um die zentrale Achse 90 der Ersatzstücke 10.
Bei dem Ersatzstück 10 gemäß 1f ist die Ersatzoberfläche 11 mit einer Krümmung in eine Richtung versehen, um im späteren Verwendungszustand die originäre Kontur der Niederdruckturbinenschaufel 50 noch genauer nachbilden zu können. Das Ersatzstück 10 muss dabei entsprechend der umgebenden Oberfläche 51 der Niederdruckturbinenschaufel 50 ausgerichtet werden, sodass sich möglichst kein Übergang zwischen Ersatzstück 10 und Oberfläche 51 ergibt.
Am Rand 12 der Ersatzoberfläche 11 der einzelnen Ersatzstücke 10 schließt sich jeweils unmittelbar eine Befestigungsfläche 13 an, sodass die Oberfläche der Ersatzstücke 10 ausschließlich durch die Ersatzoberfläche 11 und die Befestigungsfläche 13 gebildet ist. Die Befestigungsfläche 13 ist bei sämtlichen Ersatzstücken 10 gemäß 1 - also auch bei dem Ersatzstück 10 aus 1f - rotationssymmetrisch um die zentrale Achse 90 des Ersatzstücks 10.
Bei den Ersatzstücken 10 gemäß 1a-d weist die Befestigungsfläche 13 einen ausschließlich kreissegmentförmigen Querschnitt 14 auf. Dabei beträgt der halbe Mittelpunktswinkel bei den Ersatzstücken 10 gemäß 1a und 1c jeweils ca. 78°, während der Mittelpunktswinkel der Ersatzstücke 10 gemäß 1b und 1d ca. 53°. In der Folge wird bei dem Einpressen der Ersatzstücke gemäß 1a-d in Richtung der zentralen Achse 90 bei einer entsprechend der Befestigungsfläche 13 ausgeformten Ersatzstückaufnahme über die gesamte Befestigungsfläche 13 eine Flächenpressung erreicht.
Die Ersatzstücke 10 gemäß 1a und 1b einerseits, sowie 1c und 1d andererseits unterschieden sich weiterhin im Radius des kreissegmentförmigen Querschnitts 14 der Befestigungsfläche 13. Bei den Ersatzstücken 10 gemäß 1c und 1d beträgt der Radius 5 mm, während der Radius bei den Ersatzstücken 10 gemäß 1a und 1b 10 mm beträgt.
Die Befestigungsflächen 13 der Ersatzstücke 10 gemäß 1e und 1f umfassen ebenfalls jeweils einen kreissegmentförmigen Querschnitt 14 mit Mittelpunktswinkel von ca. 78° bei einem Radius von 10 mm. Bei beiden Ersatzstücken 10 ist darüber hinaus ein konkav geformter Auslaufbereich 15 vorgesehen, der sich tangential an den konvexen Kreisbogen des kreissegmentförmigen Querschnitts 14 der Befestigungsfläche 13 anschließt.
Bei dem Ersatzstück 10 gemäß 1e kann so eine Ersatzoberfläche 11 mit größerem Radius als dem Radius des kreissegmentförmigen Querschnitts 14 der Befestigungsfläche 13 erreicht werden, wobei weiterhin eine Flächenpressung über die gesamte Befestigungsfläche 13 umfassend den Auslaufbereich 15 erreicht wird, wenn das Ersatzstück 10 in Richtung der zentralen Achse 90 in eine entsprechend ausgeformte Ersatzstückaufnahme gedrückt wird. Gleiches gilt auch für das Ersatzstück 10 gemäß 1f, wobei der Auslaufbereich aufgrund der gekrümmten Ersatzoberfläche 11 anders als bei dem Ersatzstück 10 gemäß 1e nicht rotationssymmetrisch ist.
In 1g ist ein Ersatzstück 10 zur Reparatur der Profilvorder- oder Hinterkante 54 einer Niederdruckturbinenschaufel 50 gezeigt.
Das Ersatzstück 10 ist plattenförmig ausgestaltet und weist eine dreigeteilte Ersatzoberfläche 11, nämlich eine zentrale ebene Stirnfläche, zu deren Seiten jeweils kreissegmentförmige ebene Ersatzoberflächen mit einem Radius von 5 mm anschließen. Lückenlos abschlossen ist das Ersatzstück durch die Befestigungsfläche 13, womit sich im Bereich der Befestigungsfläche 13 ein kreissegmentförmiger Querschnitt 14 ergibt mit einem Mittelpunktswinkel von - in diesem Beispiel - ca. 66°. Es ergibt sich so ein apfelstückförmiges Ersatzstück 10, wobei die Dicke des Ersatzstücks 10 konstant 1 mm beträgt.
Die Ersatzstücke 10 gemäß 1a-g bilden einen Satz aus Ersatzstücken 10, aus denen ein für die Reparatur einer Beschädigung einer Niederdruckturbinenschaufel 50 geeignetes Ersatzstück 10 ausgewählt werden kann. Dabei sind die Ersatzstücke 10 aus demselben Material wie die Niederdruckturbinenschaufel(n) 50, für welche der Satz aus Ersatzstücken 10 vorgesehen ist, in diesem Fall aus der Titanlegierung Ti4882.
Anhand der 2a-e wird nun das erfindungsgemäße Verfahren unter Verwendung eines Ersatzstücks 10 gemäß Figuren la-f erläutert.
In 2a-e ist jeweils ein Teil einer Niederdruckturbinenschaufel 50 in einer Schnittansicht dargestellt. Die Niederdruckturbinenschaufel 50 ist aus der Titanlegierung Ti4882 gefertigt.
Im in 2a dargestellten Ausgangszustand weist die Oberfläche 51 der Niederdruckturbinenschaufel 50 eine durch den Einschlag eines Partikels verursachte Beschädigung 52 auf. Die Beschädigung 52 wird zur Vorbereitung der eigentlichen Reparatur hinsichtlich ihrer Ausdehnung und Tiefe vermessen, sodass von den zur Verfügung stehenden Ersatzstücken 10 des Satzes gemäß Figuren la-f das geeignete Ersatzstück 10 - in diesem Fall gemäß 1c - ausgewählt wird. Es wird dabei nämlich dasjenige Ersatzstück ausgewählt, dessen entsprechende, noch zu schaffende Ersatzstückaufnahme 53 (vgl. 2c) die Beschädigung 52 vollständig umfasst.
Nach Auswahl des geeigneten Ersatzstücks 10 wird anschließend mit einem Kugelfräser 60 mit einem Durchmesser entsprechend dem zweifachen Radius des kreissegmentförmigen Querschnitts 14 der Befestigungsfläche 13 des ausgewählten Ersatzstücks 10 geschaffen, wobei der Kugelfräser 60 entlang einer Achse 91 normal zur originären Oberfläche 51 der Niederdruckturbinenschaufel 50 im Bereich der Beschädigung 52 geführt wird (vgl. 2b). Weist die Befestigungsfläche 13 eine abweichende Form auf (vgl. bspw. 1e, f), ist entweder ein anderes Fräswerkzeug zu verwenden oder die Ersatzstückaufnahme 53 wird in mehreren Schritten, ggf. mit unterschiedlichen Fräswerkzeugen geschaffen.
In 2c ist die durch den Kugelfräser 60 geschaffene Ersatzstückaufnahme 53 gezeigt. Die Ersatzstückaufnahme 53 ist in ihrer Formgebung derart an die Befestigungsfläche 13 des ausgewählten Ersatzstücks 10 angepasst, dass sich das ausgewählte Ersatzstück 10 mit ihrer Ersatzoberfläche 11 praktisch übergangsfrei in die Oberfläche 51 der Niederdruckturbinenschaufel 50 einfügt (vgl. 2d).
Das Ersatzstück 10 wird zum abschließenden Diffusionsschweißen dann in Richtung der Achse 91, die mit der zentralen Achse des Ersatzstücks 10 zusammenfällt, in die Ersatzstückaufnahme 53 gedrückt, sodass sich über die gesamte Befestigungsfläche 13 des Ersatzstücks 10 eine Flächenpressung ergibt. Bei der allein aus Gründen der Übersichtlichkeit durch den Pfeil 92 als punktuell angedeutete Kraft handelt es sich um einen auf die Oberfläche 11 des Ersatzstücks 10 aufgebrachten Druck von ca. 30 bar. Gleichzeitig werden Ersatzstück 10 und Niederdruckturbinenschaufel 50 auf eine Temperatur von etwas über 1000°C erhitzt und der Druck- und Temperaturzustand für etwas 2 Stunden aufrechterhalten. Dieser Prozess findet unter Vakuum im Bereich von 1*10^-4 mbar statt. Es ist auch möglich, anstelle eines Vakuums ein protektiven Gas oder Gasgemisch zu verwenden. Durch das so erreichte Diffusionsschweißen verbindet sich das Ersatzstück 10 praktisch übergangslos mit dem Material der Niederdruckturbinenschaufel 50, wie in 2e angedeutet.
Nach Abschluss des Diffusionsschweißens ist auch die Reparatur der Beschädigung 52 abgeschlossen.
3a-c zeigt schematische die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens an der Hinterkante 54 der Niederdruckturbinenschaufel 50 aus 2 unter Verwendung eines Ersatzstücks gemäß 1g.
Die Hinterkante 54 weist eine Beschädigung 52 auf, die hinsichtlich ihrer Ausdehnung und Tiefe vermessen wird, um zu überprüfen, ob sie durch das Ersatzstück 10 gemäß 1g ausgebessert werden kann (3a). Falls nicht, ist - sofern verfügbar - auf ein anderes, nicht dargestelltes Ersatzstück 10 zurückzugreifen, was dann im Wesentlichen dem Ersatzstück 10 aus 1g entspricht, jedoch andere Dimensionen aufweist.
Anschließend wird durch Fräsen in der Hinterkante 54 eine für das ausgewählte Ersatzstück 10 geeignete Ersatzstückaufnahme 53 geschaffen, an welche die Befestigungsfläche 13 im eingesetzten Zustand des Ersatzstücks 10 vollflächig anliegt, wenn die Ersatzoberflächen 11 die Oberfläche der Niederdruckturbine 50 im Bereich der Hinterkante nachbilden.
Anschließend wird das Ersatzstück 10 in die Ersatzstückaufnahme 53 eingepasst (3c) und unter Druck in durch den Pfeil 92 angedeuteten Richtung bei ausreichend hohen Temperaturen mit der Niederdruckturbinenschaufel 50 diffusionsverschweißt. Es können hier die in Zusammenhang mit 2e erwähnten Prozessparameter gewählt sein.
Nach Abschluss des Diffusionsschweißens ist die Reparatur der Beschädigung 52 aus 3a abgeschlossen.

Claims

Verfahren zur Reparatur einer Niederdruckturbinenschaufel (50) aus Titanaluminid, bei der eine die Form der Niederdruckturbinenschaufel (50) verändernde Beschädigung (52) ausgebessert wird, mit den Schritten: - Auswählen eines Ersatzstücks (10) aus demselben Material wie die Niederdruckturbinenschaufel (50), mit einer der originären Kontur der Niederdruckturbinenschaufel (50) im Bereich der zu reparierenden Beschädigung (52) nahekommenden Ersatzoberfläche (11) und einer davon beabstandeten Befestigungsfläche (13), wobei die Ausdehnung der Ersatzoberfläche (11) größer ist als die Ausdehnung der Beschädigung (52) auf der Kontur der Niederdruckturbinenschaufel (50) und der maximale Abstand zwischen Ersatzoberfläche (11) und Befestigungsfläche (13) größer ist als die Tiefe der Beschädigung (52) ; - Schaffen einer Ersatzstückaufnahme (53) in der Niederdruckturbinenschaufeln (50) im Bereich der zu reparierenden Beschädigung (52) derart, dass nach Einsetzen des Ersatzstücks (10) darin die Befestigungsfläche (13) vollflächig an der Ersatzstückaufnahme (53) anliegt und die originäre Kontur der Niederdruckturbinenschaufel (50) durch die Ersatzoberfläche (11) im Wesentlichen wieder hergestellt ist; und - Verbinden des Ersatzstücks (10) und der Niederdruckturbinenschaufel (50) durch Diffusionsschweißen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ersatzoberfläche (11) und die Befestigungsfläche (13) am Rand (12) des Ersatzstücks (10) lückenlos zusammentreffen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Befestigungsfläche (13) rotationssymmetrisch ist oder das Ersatzstück (10) plattenförmig ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ersatzstück (10) im Bereich der Befestigungsfläche (13) einen im wesentlichen kreissegmentförmigen Querschnitt (14) aufweist.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der halbe Mittelpunktswinkel des kreissegmentförmigen Querschnitts (14) zwischen 10° und 80°, vorzugsweise zwischen 10° und 70° ist.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Radius des kreissegmentförmigen Querschnitts (14) wenigstens 5 mm beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Befestigungsfläche (13) einen konkav geformten Auslaufbereich (15) umfasst, der sich tangential an den konvexen Kreisbogen des kreissegmentförmigen Querschnitts (14) der Befestigungsfläche (13) anschließt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ersatzstück (10) im Bereich der Ersatzoberfläche (11) eben ist oder eine an die Kontur der Niederdruckturbinenschaufel (50) im Bereich der zu reparierenden Beschädigung (52) nahekommende Formgebung aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Diffusionsschweißen bei einem Druck von 1 bis 100 MPa, vorzugsweise 10 bis 80 MPa, weiter vorzugsweise von 20 bis 50 MPa und einer Temperatur von 900 bis 1200 °C, vorzugsweise von950 bis 1150 °C, weiter vorzugsweise von 1000 bis 1100°Cdurchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bearbeitungszeit des Diffusionsschweißens 1 bis 5 Std., vorzugsweise 1,5 bis 4 Std., weiter vorzugsweise etwa 2 Std. beträgt und/oder das Diffusionsschweißen unter Vakuum von vorzugsweise 1*10^-2 mbar bis 1*10^-6 mbar, weiter vorzugsweise 1*10^-3 mbar bis 1*10^-6 mbar, weiter vorzugsweise 1*10^-4 mbar bis 1*10^-6 mbar durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl von Ersatzstücken (10) mit unterschiedlichen standardisierten Geometrien vorgehalten wird, aus denen ein geeignetes Ersatzstück (10) ausgewählt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Niederdruckturbinenschaufel (50) aus einem Titanaluminid umfassend einen Anteil an Gamma-Phase von wenigstens 50%, bezogen auf die Gesamtzusammensetzung der Titanaluminidlegierung.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Niederdruckturbinenschaufel (50) aus einer der Titanlegierungen Ti-48Al-2Nb-2Cr (at.%) oder Ti-43,5Al-4Nb-1Mo-0,1B (TNM™ alloy), in den jeweils zulässigen chemischen Abweichstoleranzen ist.
Satz von wenigstens zwei Ersatzstücken (10) zur Verwendung in einem Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ersatzstücke (10) aus identischem Material sind und jedes Ersatzstück (10) eine Ersatzoberfläche (11) auf der einen Seite und einer kantenfreien Befestigungsfläche (13) auf der anderen Seite aufweist, wobei die Ausdehnung der Ersatzoberfläche (11) und/oder der maximale Abstand zwischen Ersatzoberfläche (11) und Befestigungsfläche (13) der einzelnen Ersatzstücke (10) unterschiedlich ist.
Satz nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Ersatzstück (10) des Satzes gemäß den Merkmalen eines oder mehrerer der Ansprüche 2 bis 7 und 11 bis 12 weitergebildet ist.