DE10357657B4 - Verfahren zur lokalen Reparatur von Wärmedämmschichten mit lokalen Beschädigungen - Google Patents

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Abstract

Verfahren zur lokalen Reparatur von Wärmedämmschichten in Gasturbinen mit auf der Oberfläche der Wärmedämmschicht vorhandenen lokalen Beschädigungen, wobei aus der zu reparierenden Beschädigungsstelle Material mittels eines Hochleistungslasers abgetragen wird, welches anhand spezieller Emissionslinien spektroskopisch identifiziert wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Abtragvorgang solange vorgebbar konturiert durchgeführt wird, wie Emissionslinien des Wärmedämmschichtmaterials detektiert werden und anschließend ein vorbereitetes Inlay aus Wärmedämmschichtmaterial eingepasst wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur lokalen Reparatur von Wärmedämmschichten gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
  • Ein bekanntes Verfahren zum Reparieren von Wärmedämmschichten mit auf der Oberfläche der Wärmedämmschicht vorhandenen lokalen Beschädigungen wird in EP 1 197 585 A2 beschrieben. Zur Vorbereitung wird die zu reparierenden Stelle mit Lösungsmittel von Ölen, Fetten und Schmutz befreit. Anschließend wird in zu reparierende Stelle eine keramische Paste eingebracht. Eine weiterführende Prozesskontrolle bei der Vorbereitung der zu reparierenden Stelle wird nicht beschrieben. Eine derartige Prozesskontrolle wird jedoch gefordert, da es aufgrund von Ablagerungen in der zu reparierenden Stelle dazu kommen kann, dass sich die keramische Paste nicht hinreichend gut mit dem ursprünglichen Wärmedämmschichtmaterial verbindet.
  • Die DE 102 10 518 A1 betrifft ein Verfahren zum Entschichten von Triebwerksbauteilen, bei dem eine gesamte Schicht mittels eines Hochleistungslasers abgetragen und spektroskopisch überwacht wird. Der Abtragvorgang wird abgebrochen, sobald das materialspezifische Spektrum des Grundwerkstoffs detektiert wird. Eine punktuelle Reparatur ist hiermit nicht möglich.
  • Die US 6 008 896 schützt ein Verfahren samt Vorrichtung zur spektroskopischen Analyse eines mittels eines Lasers verdampften, heterogenen Werkstoffs.
  • Es ist somit Aufgabe der Erfindung ein neuartiges Verfahren anzugeben, mit dem es möglich ist, lokale Beschädigungen von Wärmedämmschichten punktuell zu reparieren.
  • Diese Aufgabe wird durch das Verfahren gemäß den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungen sind Gegenstand von Unteransprüchen.
  • Erfindungsgemäß wird der Abtragvorgang solange vorgebbar konturiert durchgeführt, wie Emissionslinien des Wärmedämmschichtmaterials detektiert werden und anschließend ein vorbereitetes Inlay aus Wärmedämmschichtmaterial eingepasst.
  • Durch den Energieeintrag des Lasers in die zu reparierende Beschädigungsstelle wird am Aufpunkt des Lasers ein Oberflächenplasma erzeugt. In diesem Oberflächenplasma wird das abgetragene Material fragmentiert, wodurch für das Material spezifische Atome, Ionen, Moleküle in verschiedenen Anregungszuständen entstehen. Die Fragmente werden infolge der Plasmaanregung zur Emission angeregt.
  • Es ist somit möglich, die Emissionslinien der damit verbundenen Fluoreszenzstrahlung einem bestimmten Übergang eines bestimmten Fragments zuzuordnen. Anhand der detektierten Emissionslinien kann somit vorteilhaft die jeweilige Schicht, deren Material – gewollt oder ungewollt – abgetragen wird, umfassend Wärmedämmschichtmaterial, Bond-Coat und Basismaterial identifiziert werden.
  • Die Erfindung sowie weitere Vorteile der Erfindung werden im folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
  • 1 eine schematische Darstellung des Aufbaus einer Wärmedämmschicht,
  • 2 ein beispielhaftes Emissionsspektrum eine Wärmedämmschutzschicht,
  • 1 zeigt eine schematische Darstellung des Aufbaus einer Wärmedämmschicht. Auf einem Ni-Basismaterial ist eine NiCrAlY-Metallschicht als Legierung mit einer Dicke von 50–100 μm aufgebracht. Auf dieser NiCrAlY-Metallschicht ist eine Deckschicht Al2O3-Schicht mit einer Dicke von 10–50 μm aufgebracht. Die NiCrAlY- und die Al2O3-Schicht wird auch als Bond-Coat bezeichnet. Auf den Bond-Coat ist die Wärmedämmschicht, welche üblicherweise mit Yttrium teilstabilisiertes Zirkonoxid (YSZ) ist mit einer Dicke von bis zu 300 μm aufgebracht. Als Wärmedämmschicht können selbstverständlich auch andere wärmedämmende Materialien verwendet werden.
  • Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich, die beschädigte Stelle in der Oberfläche der Wärmedämmschicht optimal auf eine anschließende Reparatur vorzubereiten. So ist es z. B. möglich, die beschädigte Stelle derart vorzubehandeln, dass das Wärmedämmschichtmaterial bis zum Bond-Coat abgetragen wird (1). Neu eingebrachtes Füllmaterial, z. B. Wärmedämmschichtmaterial kann somit direkt auf den Bond-Coat aufgebracht werden. Ein Vorteil die Wärmedämmschicht an der beschädigten Stelle bis zum Bond-Coat abzutragen ist, dass aufgrund der Beschädigungen feine Risse oder Spannungen entstehen können. Diese Spannungen oder Risse könnten sich in der reparierten Schicht ausbreiten und im Betrieb eine erneute Beschädigung zur Folge haben. Dadurch, dass das Wärmedämmschichtmaterial lokal bis zum Bond-Coat abgetragen wird, werden derartige Ausbreitungen von Rissen oder Spannungen verhindert.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren läuft in diesem Fall wie folgt ab. Mittels des Lasers, welcher auch als Ablations-Laser bezeichnet wird, wird die obere Schicht der beschädigten Stelle ab getragen. Reicht die Beschädigungen nur bis in mittlere Tiefe der beschädigten Stelle, werden mittels eines Spektrometers Emissionslinien detektiert, welche von Bestandteilen (Atome, Ionen, angeregte Zustände von Molekülen, Ionen, Atomen) stammen. Ist an der lokalen Stelle die Wärmedämmschicht vollständig abgetragen, wird aufgrund des Energieeintrags durch den Laser der Bond-Coat abgetragen. In diesem Fall werden dann keine Emissionslinien mehr identifiziert, die dem Wärmedämmschichtmaterial, sondern Emissionslinien, die dem Bond-Coat zuzuordnen sind. Die Vorbereitung der lokal beschädigten Stelle werden somit in dieser Tiefe, bezogen auf die Oberfläche der Wärmedämmschicht, abgeschlossen. Weitere Verfahrensschritte sind dann die für die Reparatur vorzubereitende Stelle vorgebbar zu konturieren, damit z. B. ein vorbereitetes Inlay aus Wärmedämmschichtmaterial exakt eingepasst werden kann.
  • In analoger Weise ist es mit dem erfindungsgemäßen Verfahren möglich, festzustellen, ob bei der lokalen Beschädigung neben der Wärmedämmschicht auch der Bond-Coat beschädigt wurde. In diesem Fall kann der die Bond-Coat-Deckschicht (Al2O3-Schicht) abgetragen werden, bis mittels des Spektrometers Emissionslinien, welche für die Metallschicht NiCrAlY spezifisch sind, detektiert werden. Es ist weiterhin in diesem Fall möglich, den Bond-Coat entsprechend neu aufzubauen und anschließend die zu reparierende Stelle mit Wärmedämmschutzmaterial aufzufüllen.
  • Ein weiterer Vorteil des Verfahren ist, dass eine zu reparierende Stelle nicht nur hinsichtlich einer Auffüllung mit Wärmedämmschutzmaterial, sondern auch hinsichtlich einer Erneuerung des Bond-Coats vorbereitet werden kann.
  • In 2 ist ein beispielhaftes Emissionsspektrum einer Wärmedämmschicht dargestellt. In der Fig. sind beispielhaft einige Emissionslinien von Al2O3 und YSZ bezeichnet. Anhand dieser Linien ist somit möglich, festzustellen welche Schicht gerade mit dem Laser abgetragen wird.

Claims (4)

  1. Verfahren zur lokalen Reparatur von Wärmedämmschichten in Gasturbinen mit auf der Oberfläche der Wärmedämmschicht vorhandenen lokalen Beschädigungen, wobei aus der zu reparierenden Beschädigungsstelle Material mittels eines Hochleistungslasers abgetragen wird, welches anhand spezieller Emissionslinien spektroskopisch identifiziert wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Abtragvorgang solange vorgebbar konturiert durchgeführt wird, wie Emissionslinien des Wärmedämmschichtmaterials detektiert werden und anschließend ein vorbereitetes Inlay aus Wärmedämmschichtmaterial eingepasst wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Hochleistungslaser ein Pulslaser im nano-, pico- oder femtosekunden-Bereich ist.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Pulslaser ein Nd:YAG-Laser ist.
  4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Emissionslicht mittels Faseroptik detektiert und einem Spektrometer zugeführt wird.
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