DE112006002001B4

DE112006002001B4 - Verfahren zur Reinigung und Reparatur einer Oberfläche eines inneren Hohlraums einer Gasturbinenkomponente mit schwefelenthaltenden Ablagerungen

Info

Publication number: DE112006002001B4
Application number: DE112006002001.3T
Authority: DE
Inventors: Ky D. Ngo; David C. Fairbourn; Xuan Nguyen-Dinh
Original assignee: Chromalloy Gas Turbine Corp
Current assignee: Chromalloy Gas Turbine Corp
Priority date: 2005-07-26
Filing date: 2006-06-13
Publication date: 2020-12-31
Anticipated expiration: 2026-06-14
Also published as: MY137633A; GB0801415D0; US7146990B1; GB2442407B; GB2442407A; WO2007018732A1; DE112006002001T5

Abstract

Verfahren zur Reinigung einer Oberfläche eines inneren Hohlraums einer Gasturbinenkomponente mit schwefelenthaltenden Ablagerungen, aufweisend:Einbringen eines Fluoridsalzes in fester Form in den inneren Hohlraum undErwärmen des Fluoridsalzes und der Komponente in einer inerten Atmosphäre für ¼ bis 4 Stunden auf eine Temperatur von 593°C bis 816°C, um die schwefelenthaltenden Ablagerungen zu reinigen.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Diese Erfindung betrifft die Reinigung von schwefelenthaltenden Ablagerungen auf Innenflächen von Turbinenmaschinenbauteilen und die Reparatur von solchen Bauteilen durch Reinigung und Beschichtung der Innenflächen.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Turbinenbestandteile werden während des Betriebs extremen Bedingungen von Gastemperatur und Druck sowie Spannung unterzogen. Viele Turbinenbauteile, insbesondere solche, die Niederdruckturbinenkomponenten (LPT) genannt werden, sind zwei möglichen Systemen von erhöhtem Temperaturangriff ausgesetzt. Eines ist eine Hochtemperaturoxidation, gekennzeichnet durch ein beschleunigtes Wachstum eines Metalloxids aus einer Verbindung des Metalls mit Sauerstoff. Die andere Art resultiert aus einem Niedrigtemperaturangriff, verursacht hauptsächlich durch Verbindung von Schwefel mit dem Metall. Dieser Tieftemperaturangriff wird Sulfidierung genannt und ist typisch für Teile mit Betriebstemperaturen unterhalb etwa 1550°F (843°C).
LPT-Bauteile sind typischerweise aus auf Nickel basierenden Superlegierungen hergestellt. Sie können beschichtet oder unbeschichtet sein. Sie können luftgekühlt, hohl und nicht luftgekühlt oder fest und nicht luftgekühlt sein. Der Sulfidierungsangriff verursacht ein Dünnerwerden der Wandabschnitte, was zu möglichem Komponentenversagen durch inadäquates oder zu dünnes Material führt. Die Sulfidierung ermöglicht Sauerstoff, die Bauteile weiter anzugreifen, was zu einem weiteren schnellen Niedergang führt, wenn die Sulfidierung einmal beginnt.
Die ursprünglichen Maschinenhersteller haben Vorschriften herausgegeben, um ihre Bauteile auf Sulfidierung zu untersuchen. Falls gefunden, werden die Bauteile als Schrott angesehen und die Komponenten müssen dann durch neue Komponenten ersetzt werden. Ein Maschinenhersteller schreibt magnetische Flusspermeabilitätsmessungen mit einem Magnetoskop vor, wie z.B. einem Magnetoskop 1069 (verkauft von Institut Dr. Förster, Reutlingen, Deutschland), als ein Mittel um sicher zu stellen, dass Bestandteile mit schwerem Sulfidierungsangriff aus dem Betrieb entfernt werden. Allgemein wird, wenn solche Komponenten magnetische Flusspermeabilitätsmessungen zeigen, die einen Grenzwert von z.B. 1060 überschreiten, die Komponente aus dem Betrieb entfernt. Diese Bauteile sind teuer und um Sicherheit sicher zu stellen ist es notwendig, dass die Bauteile periodisch gereinigt und untersucht werden. Die Untersuchung muss die Möglichkeit beinhalten, die Netto-Wanddicke der Zerstörung durch den Sulfidierungsangriff zu messen.
Bei anderen Bauteilen, z.B. Hochdruckturbinenschaufeln, kann in den inneren Hohlräumen eine Schwefel enthaltende Ablagerung abgelagert sein, wie z.B. ein Aggregat aus Aluminium-Silikat (alumina silicate) und Kalziumsulfat, das als Laufbahnabrieb oder Arizona Straßenstaub bezeichnet wird. Reinigung dieser Ablagerungen war ebenfalls ein Problem.
Ein Verfahren zur Reinigung der inneren Hohlräume dieser Bauteile war, eine Fluoridionenreinigung (FIC) durch Einspritzen von Fluoridgas in einen geeigneten Reaktor auszuführen. Die Gase ersetzen die Schwefelatome durch Fluoridatome. In einem anschließenden Arbeitsgang werden die Fluoride aus den Komponenten unter Verwendung von hoher Temperatur und Hochvakuum (z.B. 10^-4 Torr) entfernt. Unglücklicherweise ist FIC-Reinigung nicht immer wirksam. Der Gaspfad kann möglicherweise nicht durch das Teil hindurchführen, was die Möglichkeit einschränkt, dass das Gas in Blindtaschen einfließt. Inadäquat in die vielen kleinen Hohlräume des Teils geflossenes HF-Gas arbeitet nicht immer gut. HF-Reinigung kann auch die Verwendung von Rohren erfordern, um die Gase zu leiten, was die Kosten des Systems erhöht. Zusätzlich ist HF ein toxisches Gas und es muss Vorsicht ausgeübt werden, um Angestellte zu schützen.
Ein anderes Verfahren der Reinigung von Innenflächen ist die Verwendung von mechanischen Verfahren, wie z.B. Sandstrahlen, um den Sulfidierungsangriff zu entfernen. Oftmals sind diese blinden oder unzugänglichen Hohlräume nicht leicht zugänglich, um die Verwendung dieser Verfahren zu ermöglichen.
Es ist auch schwierig, Säuren im Inneren des Teils zu verwenden, um Sulfidierung zu entfernen. Auf das Teil angewendete Säure resultiert in der Bildung eines Schmutzes auf der Oberfläche. Der Schmutz ist ein schwarzer Rückstand, bestehend meist aus maschinenbedingten Oxiden und Sulfiden der Zwischenverbindungschemie.
Weitere Reparatur der Oberfläche kann die Anwendung einer Diffusionsbeschichtung bei hoher Temperatur erfordern. Der Schmutz wird eine solche Ablagerung verhindern, indem eine schwarze Schmutzlinie unter der Oberfläche der Beschichtung erzeugt wird. Es ist die Absicht dieser Erfindung Bauteile zu reinigen, die unter Sulfidierungszerstörung oder schwefelenthaltenden Ablagerungen leiden und diese Oberflächen zu beschichten, um eine reparierte Komponente zur Verfügung zu stellen, die für die Verwendung in der Turbinenmaschine betriebsbereit ist. Das Reparaturverfahren stellt auch die Permeabilitätsablesungen wieder auf einen Wert her, der als für den Originalausrüstungshersteller akzeptabel angesehen werden kann.
US 2004 / 0 247 789 A1 offenbart ein Verfahren zur Gesamtreparatur eines beschichteten Teils in einer Wärmedämmschicht, zusammengesetzt aus einer keramischen Außenschicht und einer Metallunterschicht aus Aluminiumoxid bildender Legierung.
DE 196 07 625 C1 offenbart eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung und/oder Beschichtung der Oberflächen von hohlen Konstruktionselementen, welche wenigstens zwei Öffnungen ausweisen, die deren Innenseite und Außenoberfläche verbinden.
US 6 367 686 B1 offenbart eine selbstreinigende Messingpaste, welche bei der Reparatur von Gasturbinenkomponenten eingesetzt wird.
US 5 728 227 A offenbart die Entfernung eines Diffusionsüberzugs von einem Oberflächenabschnitt von Legierungen, und insbesondere die Entfernung von Nickel basierten Superlegierungen aus einem Diffusionsüberzug, welcher Aluminium einschließt.
US 5 898 994 A offenbart die Reparatur von Nickel basierten Superlegierungsgegenständen, beispielsweise von dem Typus, wie er in den Heissabschnitten von Gasturbinenmotoren eingesetzt wird.
EP 0 237 153 B1 offenbart ein Verfahren zur Entfernung von Schutzüberzügen.
EP 0 034 041 B1 offenbart ein Verfahren zur Reinigung von der Oberfläche eines unlötbaren Metallteils, um es dadurch lötbar zu machen.
EP 0 003 660 B1 offenbart ein weiteres Verfahren zur Reinigung einer Oberfläche eines nicht-lötbaren Metallteils, um es lötbar zu machen.
DE 28 10 598 C3 offenbart ein Verfahren zur Reparatur einer engen Spalte in der Oberfläche eines Nickel basierten Superlegierungsgegenstands.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Kurz gesagt wird ein Verfahren für die Reinigung einer Oberfläche eines inneren Hohlraums einer Gasturbinenkomponente mit schwefelenthaltenden Ablagerungen zur Verfügung gestellt, aufweisend: Einbringen eines Fluoridsalzes in fester Form in den inneren Hohlraum und Erwärmen des Fluoridsalzes und der Komponente in einer inerten Atmosphäre Für ¼ bis 4 Stunden auf eine Temperatur von 593° C bis 816° C, um die schwefelenthaltenden Ablagerungen zu reinigen. In einer weiteren Ausführungsform wird die gereinigte innere Oberfläche anschließend mit einer metallischen Beschichtung beschichtet.
EINGEHENDE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Das erfindungsgemäße Verfahren reinigt die Oberfläche eines inneren Hohlraums einer Turbinenkomponente durch Verwendung eines Fluoridsalzes. Allgemein liegt dieses Salz in einer festen Form vor, die zum Einbringen in den Hohlraum zu einem Pulver gemahlen werden kann. Geeignete Fluoridsalze beinhalten Ammoniumfluorid, Ammoniumbifluorid, Natriumfluorid, Kaliumfluorid, Aluminiumfluorid sowie andere Alkalifluoridsalze, Erdalkalifluoridsalze und Metallfluoridsalze. Ammoniumbifluorid ist ein bevorzugtes Salz, da die funktionelle Aminogruppe eine Reinigungsfunktion verleiht, ohne möglicherweise eine Alkalimetallablagerung zurückzulassen, es ist stabil in einer festen Form und es kann zu einem Pulver gemahlen werden und es ist verbraucherfreundlich. In einem Beispiel wird Ammoniumbifluorid zu einem Pulver gemahlen und in den inneren Hohlraum der LPT-Schaufel gefüllt.
In einem Wärmeprozess wird die Schaufel so ausgerichtet, dass sie das Fluoridsalz zurückhält, wenn sie erwärmt wird. Das Fluoridsalz verändert sich zunächst zu einer Flüssigkeit und wandelt sich dann in ein Gas um. In der gasförmigen Form dissoziiert das Fluoridion von dem verbleibenden Teil des Moleküls und kann leicht reagieren, um die schwefelenthaltende Ablagerung, die entfernt werden soll, zu ersetzen oder ihr eine chemische Reaktivität zu verleihen. Allgemein werden das Fluoridsalz und die Komponente für eine Zeit und eine Temperatur erwärmt, die wirksam ist, um die schwefelenthaltenden Ablagerungen zu reinigen, allgemein auf Temperaturen von etwa 1100 bis 1500°F (593 bis 815°C), vorzugsweise etwa 1400°F (760°C), für ¼ bis 4 Stunden, vorzugsweise etwa eine ½ Stunde, um die schwefelenthaltenden Ablagerungen zu reinigen. Der Reinigungsprozess wird unter einer inerten Atmosphäre, z.B. Argon, ausgeführt, was Sauerstoff ausschließt, um Zerstörung der Komponenten zu vermeiden.
In einem Fall ist eine schwefelenthaltende Ablagerung ein Aggregat, enthaltend Alumium-Silikat und Kalziumsulfat, das Laufbahnabrieb oder Arizona Straßenstaub genannt wird. In der HPT (Hochdruckturbinen)-T1-Schaufel des JT8D-219-Pratt and Whitney-Flugzeugmotors ist diese Ablagerung extrem schwierig zu entfernen. Belassen desselben an Ort und Stelle während des Maschinenbetriebs unterzieht die Schaufel potentiell beginnendem Schmelzen, das verursacht wird, wenn der Rückstand den kühlenden Luftfluss blockiert, oder Kriechbruch, verursacht durch eine Kombination aus hoher Temperatur und Spannung. Ammoniumbifluorid wird in den inneren Hohlraum zugegeben und dann in einem Ofen auf eine Minimumtemperatur auf 1100°F (593°C) in einer Argon- oder Stickstoffatmosphäre erwärmt, was ein Sieden der Chemikalie gegen die Ablagerung verursacht. Das Fluoridion reagiert mit der Ablagerung, wobei es flüssig oder gasförmig wird. Letzten Endes wird die Ablagerung im Wesentlichen reduziert oder vollständig auf diese Art und Weise entfernt. Ein schwarzer Rückstand wird nach diesem Prozess zurückgelassen, der durch Hindurchleiten einer verdünnten Säure durch das Teil und dann Waschen mit Wasser, um die Säure zu entfernen, entfernt werden kann. Eine solche verdünnte Säure könnte eine Lösung aus Salpeter- und Salzsäure in verdünnten Konzentrationen sein (z.B. weniger als ½ molar).
Um die gereinigte Oberfläche zu schützen, stellt ein Beschichtungsprozess eine dünne Schutzschicht zur Verfügung. Verschiedene Beschichtungsverfahren sind für die Beschichtung von Bauteilen bekannt. Verschiedene metallische Beschichtungen können verwendet werden, um die Oberfläche zu schützen und wieder herzustellen, einschließlich solchen, die auf Nickel, Aluminium, Kobalt, Chrom, Silizium und Kombinationen davon basieren. Um Schutz für die Komponente bei Innentemperaturen unterhalb von 1500°F (816°C) zur Verfügung zu stellen, ist eine bevorzugte Beschichtung eine Chrombeschichtung. Ein Beschichtungsverfahren beinhaltet das Einsetzen einer Beschichtungsmischung, aufweisend etwa 10 bis 30 Gew.-% eines Metallpulvers, etwa 70 bis 90 Gew.-% eines inerten Füllers, wie z.B. Aluminiumoxid, und etwa 1 bis 2 Gew.-% eines Halogenidaktivators, in einen inneren Hohlraum. Bevorzugte Aktivatoren sind Ammoniumchlorid oder Ammoniumbifluorid. Das Bauteil und die Beschichtungsmischung werden für eine gewisse Zeit und auf eine Temperatur erwärmt, die wirksam ist, um die Innenflächen mit der Metallbeschichtung zu beschichten, typischerweise für etwa 2 bis 15 Stunden auf Temperaturen von etwa 1850 bis 2000°F (1010 bis 1093°C).
In einer Ausführungsform beinhaltet das Beschichtungsverfahren das Vermischen von Chrompulver mit einem Aluminiumoxid und einem Halogenidaktivator, Füllen des inneren Hohlraums mit dieser Mischung, dann für zwei Stunden oder mehr Erwärmen in einem Ofen auf 1975°F (1079°C), um eine diffundierte Chrombeschichtung zu erhalten. Unter Verwendung dieses Verfahrens kann leichte Zerstörung, die zuvor durch die Sulfidierung verursacht wurde, repariert werden. Die resultierende Beschichtung ist als eine Chrombeschichtung akzeptabel, wobei die Oberflächenverunreinigung im Wesentlichen oder vollständig entfernt wurde.
Andere Beschichtungsverfahren, wie sie im Stand der Technik bekannt sind, können ebenfalls verwendet werden, um die gereinigte Innenfläche zu beschichten, abhängig von der Zugänglichkeit der Innenfläche für die Beschichtung durch ein solches Verfahren.
Wo Permeabilitätsmessungen leicht oberhalb dieses Grenzwertes (um z.B. 1068 zu nennen) sind, kann das erfindungsgemäße Reinigungs- und Beschichtungsverfahren das Teil für weiteren Maschinenbetrieb retten. Allgemein wird das Reinigungsverfahren die meisten und vorzugsweise im Wesentlichen alle der Sulfidierungsablagerungen chemisch entfernen. Das in dem Beschichtungsschritt abgelagerte Chrom kann durch jede restliche Ablagerungsschicht, die von dem Fluoridreinigungsprozess übrig geblieben ist, hindurch diffundieren. Es wird theoretisch angenommen, dass die Fluoridreinigung als ein Aktivierungsprozess wirkt, wobei die Restschicht stärker porös wird, wodurch es dem Chrom ermöglicht wird, leicht während des Beschichtungsprozesses durch sie hindurch zu diffundieren. Als ein Ergebnis wird eine Chrombeschichtung zwischen dem Basismetall und jeglicher Restschicht abgelagert. Permeabilitätsmessung an der gleichen Stelle des Bauteils (wo die Permeabilität marginal größer ist als der Grenzwert) wird aufgrund des Vorhandenseins der Chrombeschichtung geringer sein. Vorteilhafterweise stellt dieser Reinigungs- und Beschichtungsprozess erhöhte Sulfidierungsbeständigkeit für Gasturbinenkomponenten zur Verfügung.
BEISPIEL
Das folgende Verfahren wird verwendet, um Sulfidierungsangriff-Nebenprodukte in den inneren Hohlräumen von LPT-Komponenten zu entfernen. Das Reinigungs- und Beschichtungsverfahren wird wie folgt zusammengefasst:

a) Mahlen von Ammoniumbifluorid (ABF)-Kristallen zu Pulver,
b) Füllen des inneren Hohlraums einer JT8D LPT-Komponente mit dem ABF-Pulver,
c) Platzieren der Komponente in einem Ofen, mit dem geschlossenen Ende des Hohlraums nach unten,
d) Einstellen der Ofentemperatur auf 1400°F (760°C) und Behandeln der Komponente bei dieser Temperatur für 30 Minuten in einer inerten ArgonAtmosphäre,
e) Entfernen der Komponente aus dem Ofen am Ende des ABF-Reinigungszyklusses,
f) Eintauchen der Komponente in 10% verdünntes Königswasser (1 Teil HNO₃, und 3 Teile HCl) bei 50°C (122°F) für 30 Minuten, um den schwarzen Rückstand von dem Teil abzuwaschen,
g) sorgfältiges Spülen der Komponente mit Wasser, dann trocknen,
h) Füllen des inneren Hohlraums mit der folgenden Pulvermischung (in Gewicht): 20% Chrompulver (100 Mesh), 79% Aluminiumoxidpulver (+325 Mesh), 1% Ammoniumchlorid oder gemahlenes ABF,
i) Platzieren der Komponente in einem mit Argon gespülten Ofen, dann Einstellen der Ofentemperatur auf 1925°F (1052°C),
j) Belassen der Komponente im Ofen für 11 Stunden bei 1925°F (1052°C), dann entfernen, wenn die Ofentemperatur unterhalb von 400°F (204°C) ist, und
k) Verwenden von verschiedenen mechanischen Mitteln (wie z.B. Draht), um Pulver aus dem inneren Hohlraum zu entfernen.

Der resultierende innere Hohlraum der Komponente ist von Schwefelablagerungen gereinigt und zeigt eine Chrombeschichtung, die äquivalent zur Originalbeschichtung ist. Die Reparaturprozedur stellt auch die magnetischen Flusspermeabilitätsablesungen wieder auf die des original hergestellten Teiles her.

Claims

Verfahren zur Reinigung einer Oberfläche eines inneren Hohlraums einer Gasturbinenkomponente mit schwefelenthaltenden Ablagerungen, aufweisend: Einbringen eines Fluoridsalzes in fester Form in den inneren Hohlraum und Erwärmen des Fluoridsalzes und der Komponente in einer inerten Atmosphäre für ¼ bis 4 Stunden auf eine Temperatur von 593°C bis 816°C, um die schwefelenthaltenden Ablagerungen zu reinigen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Fluoridsalz ausgewählt wird aus der Gruppe bestehend aus Metallfluoride, insbesondere Alkalimetallfluoride wie Kaliumfluorid und Natriumfluorid, Erdalkalifluoride und Aluminiumfluorid sowie Ammoniumbifluorid und Ammoniumfluorid.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Fluoridsalz ein Metallfluoridsalz ist, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Alkalimetallfluoridsalzen und Erdalkalimetallfluoridsalzen; oder es ist Aluminiumfluorid.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Fluoridsalz ausgewählt wird aus der Gruppe bestehend aus Ammoniumbifluorid, Kaliumfluorid, Natriumfluorid und Ammoniumfluorid.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei das Fluoridsalz Ammoniumbifluorid ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Fluoridsalz in der Form eines Pulvers vorliegt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die inerte Atmosphäre eine Argonatmosphäre ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die schwefelenthaltenden Ablagerungen ein Aluminiumsilikat enthalten.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei als Gasturbinenkomponente eine Niedrigdruck-Turbinenkomponente verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei als Gasturbinenkomponente eine Hochdruck-Turbinenschaufel verwendet wird.
Verfahren zur Reparatur einer Oberfläche eines inneren Hohlraums einer Gasturbinenkomponente mit schwefelenthaltenden Ablagerungen, aufweisend: Einbringen eines Fluoridsalzes in fester Form in den inneren Hohlraum, Erwärmen des Fluoridsalzes und der Komponente in einer inerten Atmosphäre für ¼ bis 4 Stunden auf eine Temperatur von 593°C bis 816°C, um die schwefelenthaltenden Ablagerungen zu reinigen und Beschichten der gereinigten Oberfläche mit einer metallischen Beschichtung.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei die Metallbeschichtung auf die Oberfläche aufgebracht wird, indem ein Metallbeschichtungspulver, enthaltend 20 Gew.-% Chrompulver, 79 Gew.-% Aluminiumoxidpulver und 1 Gew.-% Ammoniumchlorid oder gemahlenes Ammoiumbifluorid, in einen gereinigten inneren Hohlraum eingebracht wird, und das Beschichtungspulver und die Komponente für 2 bis 15 Stunden auf eine Temperatur von 1010°C bis 1093°C erwärmt werden, um die Innenfläche zu beschichten und Entfernen des restlichen Pulvers aus dem inneren Hohlraum.
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, wobei das Fluoridsalz ausgewählt wird aus der Gruppe bestehend aus Metallfluoride, insbesondere Alkalimetallfluoride wie Kaliumfluorid und Natriumfluorid, Erdalkalifluoride und Aluminiumfluorid sowie Ammoniumbifluorid und Ammoniumfluorid.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei das Fluoridsalz ein Metallfluoridsalz ist, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Alkalimetallfluoridsalzen und Erdalkalimetallfluoridsalzen; oder es ist Aluminiumfluorid.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei das Fluoridsalz ausgewählt wird aus der Gruppe bestehend aus Ammoniumbifluorid, Kaliumfluorid, Natriumfluorid und Ammoniumfluorid.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei das Fluoridsalz Ammoniumbifluorid ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 16, wobei das Fluoridsalz in der Form eines Pulvers vorliegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 17, wobei als Metallbeschichtung eine Chrombeschichtung verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 12, wobei als Gasturbinenkomponente eine Niedrigdruck-Turbinenkomponente verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 12, wobei als Gasturbinenkomponente eine Hochdruck-Turbinenkomponente verwendet wird.