DE112014001276T5

DE112014001276T5 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung und Reparatur von Wärmesperren

Info

Publication number: DE112014001276T5
Application number: DE112014001276.9T
Authority: DE
Inventors: Ahmed Kamel; Cora Schillig; Gary B. Merrill; Anand A. Kulkarni; Stefan Lampenscherf; Jonathan E. Shipper, JR.
Original assignee: Siemens Energy Inc
Current assignee: Siemens Energy Inc
Priority date: 2013-03-14
Filing date: 2014-03-13
Publication date: 2015-12-17
Also published as: US9102015B2; US20150345313A1; KR20150126054A; CN105246641A; WO2014160256A1; US20140263579A1

Abstract

Eine Wärmedämmkachel (34) mit einer Hartlotschicht (46), die mit einer keramischen Schicht (48) zusammengesintert ist, wird an ein Substrat (26) einer Komponente für die Herstellung oder Reparatur einer Wärmedämmschicht (28), beispielsweise auf einem Gasturbinen-Ringsegment (22, 24), hartgelötet. Die Kachel kann hergestellt werden, indem eine erste Schicht eines metallischen Hartlötmaterials in einem Pressformgehäuse (40) abgeschieden wird; eine zweite Schicht aus einem Keramikpulver auf dem metallischen Hartlötmaterial abgeschieden wird und die beiden Schichten mittels Spark-Plasma-Sintern zusammengesintert werden, wodurch die zusammengesinterte Keramik-/Metall-Kachel gebildet wird. Eine Materialeigenschaft einer vorhandenen, zu reparierenden Wärmedämmschicht kann bestimmt (90) werden, und das Zusammensintern kann entsprechend der Eigenschaft so gesteuert (93) werden, dass Kacheln erzeugt werden, die in Bezug auf eine Materialeigenschaft wie die Wärmeleitfähigkeit mit der vorhandenen Wärmedämmschicht verträglich sind.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft im Allgemeinen Wärmedämmschichten und in einer Ausführungsform die Herstellung und Reparatur von Wärmedämmschichten auf Komponenten von Gasturbinentriebwerken.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Der Turbinenabschnitt eines Gasturbinentriebwerks enthält um jede Stufe oder Reihe von rotierenden Schaufeln ein stationäres Turbinendeckband. Ein Turbinendeckband weist eine Dichtfläche mit einem geringen Abstand zu den Schaufelspitzen auf, um Gasleckage zwischen den Stufen an den Spitzen der Turbinenschaufeln vorbei zu reduzieren. Das Turbinendeckband besteht aus gekrümmten Segmenten, die als Ringsegmente oder äußere Schaufelluftdichtungen bezeichnet werden. Turbinenschaufeln und Ringsegmente bestehen üblicherweise aus Hochtemperatur-Superlegierungen auf der Grundlage von Nickel, Kobalt oder Nickel-Eisen, die eine mechanische Festigkeit, Kriechfestigkeit, Oberflächenfestigkeit und Korrosions-/Oxidationsbeständigkeit bei hohen Temperaturen beibehalten. Die Dichtfläche eines jeden Ringsegments ist typischerweise mit einer oxidationsbeständigen metallischen Haftschicht und einer thermisch isolierenden Wärmedämmschicht (TBC, thermal barrier coating) beschichtet. Die äußerste Schicht der TBC ist im Allgemeinen porös ausgebildet, um sie abreibbar zu machen. Wenn die metallischen Spitzen der Turbinenschaufeln an der Anstreifschicht reiben, schneiden die Schaufeln einen Streifen durch die Schicht, wodurch ein minimaler Abstand zwischen der Schaufelspitze und dem Ringsegment ermöglicht wird, um eine Arbeitsgasleckage zwischen den Turbinenstufen zu minimieren, wodurch die Ausgangsleistung und die Kraftstoffeffizienz maximiert werden.
Anstreifschichten werden typischerweise viel dicker als andere Typen von Wärmedämmschichten aufgesprüht. Eine zusätzliche Dicke ist erforderlich, damit die Schaufelspitzen sich in die Schicht einschneiden können. Mit steigender Dicke nehmen die Spannungen in der Schicht aufgrund von Wärmegradienten insbesondere bei der Inbetriebnahme und der Abschaltung des Triebwerks zu. Dadurch kann das Abplatzen der Schicht zunehmen, was einen Verlust der Abstandskontrolle bewirkt, wodurch die Triebwerksleistung und der Triebwerkswirkungsgrad reduziert werden. Außerdem reduziert sich dadurch der Wärmeschutz des Ringsegments, wodurch sich dessen Lebensdauer vermindert. Eine andere Ursache für das Abplatzen ist die erhöhte Härte der Anstreifschicht durch allmähliches Sintern während des Triebwerksbetriebs.
Wenn eine Wärmedämmschicht beschädigt worden ist, muss sie ersetzt oder repariert werden, damit der Wirkungsgrad des Triebwerks erhalten bleibt. Dies erfolgt normalerweise durch Entfernen des Ringsegments in einer Reparatureinrichtung, wo die gesamte alte Schicht entfernt und eine neue Schicht mittels bekannter thermischer Spritzverfahren aufgetragen wird. Dies ist teuer, energieintensiv und zeitaufwändig. Wenn das Substrat durch Oberflächenrisse als Folge der beschädigten Wärmedämmschicht beschädigt ist, muss das Ringsegment gegebenenfalls ersetzt werden.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Erfindung wird in der folgenden Beschreibung mit Hinblick auf die Zeichnungen erläutert, die Folgendes veranschaulichen:
1 ist eine perspektivische Teilschnittansicht zweier benachbarter Turbinendeckbandsegmente mit einem Schaufelspitzenstreifen in der Wärmedämmschicht, wie er im Stand der Technik auftritt.
2 ist eine perspektivische Teilschnittansicht zweier benachbarter Turbinendeckbandsegmente, wobei ein Teil der verschlissenen TBC entfernt ist und TBC-Kacheln montiert sind.
3 ist eine schematische Schnittansicht einer Vorrichtung zur Herstellung von TBC-Kacheln.
4 zeigt eine andere Ausführungsform einer Vorrichtung zur Herstellung von TBC-Kacheln.
5 ist eine Schnittansicht von ineinandergreifenden TBC-Kacheln, die auf ein Substrat hartgelötet sind.
6 ist eine Schnittansicht einer TBC-Kachel, die auf eine Substrathartlötreparatur hartgelötet sind.
7 ist eine Schnittansicht einer TBC-Kachel, bei der zusätzliche Tiefe in eine Vertiefung hartgelötet ist, die im Substrat zur Rissentfernung ausgearbeitet ist.
8 ist eine Schnittansicht von TBC-Kacheln mit unterschiedlichen Höhen, die eine Verschleißfläche bilden, die zur Abreibbarkeit strukturiert ist.
9 ist ein Diagramm der Porosität als Funktion der Sintertemperatur für das Spark-Plasma-Sintern eines beispielhaften Keramikpulvers.
10 ist ein Diagramm für die Bestimmung einer Ziel-Wärmeleitfähigkeit für eine Wärmedämmkachel.
11 ist ein Diagramm für die Bestimmung eines Zielelastizitätsmoduls für eine Wärmedämmkachel.
12 veranschaulicht ein Verfahren einer Ausführungsform der Erfindung.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die Erfinder erkannten, dass sich eine Beschädigung einer Ringsegment-Wärmedämmschicht oft an Partikelaufprallpunkten und am abgeplatzten Abriebstreifen der Schaufelspitze befindet und dass eine lokalisierte Reparatur die Lebensdauer des Ringsegments zu minimalen Kosten verlängern könnte. Eine Vorrichtung und ein Verfahren für das Bewerkstelligen einer solchen neuen Reparatur sind hier offenbart.
1 veranschaulicht zwei benachbarte Turbinendeckbandsegmente 22, 24. Jedes Segment schließt ein Substrat 26 und eine Wärmedämmschicht (TBC) 28 ein. Ein Turbinenschaufelspitzenstreifen 30 hat sich in die Wärmedämmschicht eingeschliffen. Im Laufe der Zeit vergrößert sich dieser Streifen und bewirkt eine Beschädigung, was einen Verlust des Wirkungsgrades der Turbine zur Folge hat, weil das heiße Gas über die Spitze der Schaufel statt über deren Schaufelprofil strömt.
2 veranschaulicht die beiden benachbarten Turbinendeckbandsegmente 22, 24, wobei ein Teil 32 der verschlissenen TBC 28, der den Streifen 30 von 1 einschließt, bis herunter zum Substrat 26 entfernt ist. Wärmedämmkacheln 34 werden gemäß der hier aufgeführten Beschreibung montiert. Die Oberfläche des Substrats kann für die Aufnahme der Kacheln 34 durch Verfahren zum Entfernen von Material und zum Reinigen wie Ausfräsen, Schleifen, Wasserstrahlen, Sandstrahlen, Ätzen usw. vorbereitet werden.
3 veranschaulicht eine Vorrichtung zur Herstellung von TBC-Kacheln gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Sie schließt ein Pressformgehäuse 40 mit Elektroden 42, 44 ein.
Eine Schicht 46 eines Hartlötmaterials wird im Pressformgehäuse abgeschieden. Dieses Material kann in Form einer Folie, eines Metallpulvers oder eines Metallpulver-Vorformlings vorliegen. Eine zweite Schicht 48 eines Keramikpulvers oder eines keramischen Vorformlings wird auf dem metallischen Hartlötmaterial abgeschieden. Eine +/–-Spannung wird an die Materialien angelegt, um das keramische und das Hartlötmaterial durch Spark-Plasma-Sintern zusammen zu sintern. Die Sinterspannung und -dauer können gesteuert 50 werden, um eine durch Thermometer 52 gemessene Zieltemperatur zu erreichen. Die Schichten 46, 48 können während des Sinterns zusammengepresst 38 werden. Der Sinterdruck, die Sintertemperatur und die Sinterdauer können mit einer Steuerung 50 gesteuert werden, um eine Zieldichte und/oder andere Materialeigenschaften zu erreichen, die hier beschrieben sind.
Die Vorrichtung und das Verfahren von 3 erzeugen eine Wärmedämmkachel 34A mit einer inneren Schicht 46 aus Hartlötmaterial, einer äußeren Schicht 48 aus einem keramischen Material und einer zusammengesinterten Grenzfläche 54 dazwischen. Die Grenzfläche kann mit einem ineinandergreifenden Strukturmuster 56 für eine verbesserte Haftung der beiden Schichten gebildet sein. Das ineinandergreifende Muster 56 kann durch Formen des Hartlötmaterials zu einem strukturierten Niedertemperatur-Vorformling gebildet werden. Beispielsweise kann ein Hartlötschicht-Vorformling aus Hartlötpulver mit einem Polymerbindemittel oder durch partielles Sintern gebildet werden. Der Vorformling kann in einer flexiblen Form so geformt werden, dass die Struktur 56 eine beliebige komplexe Form einschließlich hervorstehender Unterschnitte, die zum Verankern der darüber liegenden keramischen Schicht 48 dienen, aufweisen kann. Dann kann Keramikpulver für die Schicht 48 für das endgültige gezielte Sintern auf dem strukturierten Hartlötvorformling abgeschieden werden. Beispielhafte keramische Bestandteile sind mit Aluminiumoxid und Yttriumoxid stabilisiertes Zirconiumdioxid. Andere, im Fachgebiet bekannte keramische Materialien können verwendet werden.
Hartlötmaterialien ohne Bor, die stattdessen Titan enthalten, sind vorteilhaft, weil Bor die Sprödigkeit fördert. Verbesserte Hartlötmaterialien, die zur Verwendung mit Superlegierungsmaterialien geeignet sind, wie die Hartlote auf der Grundlage von Nickel-Chrom-Titan, die in der gleichzeitig anhängigen US-Patentanmeldung mit der Nummer 13/495,223 beschrieben sind, auf die hier in vollem Umfang ausdrücklich Bezug genommen wird, sind vom Abtretungsempfänger der vorliegenden Erfindung entwickelt worden. Hinsichtlich der Festigkeit sind diese Materialien im Vergleich zu bisherigen Hartlötmaterialien vorteilhaft, und sie sind stark genug, um als strukturelle Reparatur (d. h. mit wenigstens 70% der Streckgrenze des Grundmetalls) betrachtet zu werden.
Ein ternäres Hartlot für solche Anwendungen kann Zusammensetzungen innerhalb der folgenden Bereiche aufweisen (wobei alle hier offenbarten Zusammensetzungen in Gew.-%-Einheiten vorliegen):
Cr 15–25%;
Ti 15–25%;
Rest Ni.
Spezielle Hartlote innerhalb dieser Gruppe können die folgenden Zusammensetzungen aufweisen:
Cr 16,3%, Ti 21,2%, Rest Ni; oder Cr 17,2%, Ti 20,9%, Rest Ni.
Andere Hartlote, die mit der vorliegenden Erfindung brauchbar sein können, weisen Zusammensetzungen innerhalb der folgenden Bereiche auf:
Cr 12–16%;
Ti 13–16%;
Al 0–2,5%;
Co 2–4%;
W 3–5%;
Mo 0–2%;
Ta 0–2%;
Rest Ni.
Ein bestimmtes Hartlot innerhalb dieser Gruppe kann die folgende Zusammensetzung aufweisen: Cr 14,1%; Ti 14%; Al 2,1%; Co 3,1%; W 4,1%; Mo 1%; Ta 1%; Rest Ni.
Andere Hartlote können Zusammensetzungen innerhalb der folgenden Bereiche aufweisen:
Cr 15–18%;
Ti 10–15%;
Al 0–2,5%;
Co 2–4%;
W 3–5%
Mo 0–2%;
Ta 0–2%;
Rest Ni.
Ein bestimmtes Hartlot innerhalb dieser Gruppe kann die folgende Zusammensetzung aufweisen: Cr 17,57%; Ti 13,54%; Al 2,39%; Co 3,24%; W 3,47%; Mo 1,15%; Ta 0,83%; Rest Ni.
Andere Hartlote können Zusammensetzungen innerhalb der folgenden Bereiche aufweisen:
Cr 15–19%;
Ti 8–10%;
Al 0–2,5%;
Co 14–18%;
Mo 12–16%;
Rest Ni.
Ein bestimmtes Hartlot innerhalb dieser Gruppe kann die folgende Zusammensetzung aufweisen: Cr 15,12%; Ti 10%; Al 2,12%; Co 15,8%; Mo 12,97%; Rest Ni.
Andere Hartlote können Zusammensetzungen innerhalb der folgenden Bereiche aufweisen:
0–2,5% Al;
14–18% Co;
15–19% Cr;
12–16% Mo;
8–10% Ti;
Rest Ni.
Eine Porosität kann in der keramischen Schicht 48 durch Einschluss von keramischen Hohlkugeln 58 oder Teilchen aus einem flüchtigen Material gebildet werden, um die Abreibbarkeit und die Isolierung zu verbessern. Die Porosität kann entlang der Dicke der Kachel so abgestuft sein, dass die Kachel nahe ihrer Oberseite eine höhere Porosität und nahe der Grenzfläche 54 mit der Hartlotschicht 46 eine geringere Porosität aufweist. Durch eine erhöhte Porosität in Richtung der Oberseite 62 der Kachel wird der Verschleiß der Schaufelspitzen minimiert. Eine abnehmende Porosität in Richtung Kachelunterseite maximiert die Schlagzähigkeit und die Abplatzbeständigkeit. Eine Porosität mit einem Gradienten kann durch geschichtete Abscheidung variierender Anteile eines Keramikpulvers und von Einschlüssen erreicht werden. Jede Unterschicht kann mit einem Bindemittel oder durch partielles Sintern verfestigt werden, damit der Gradient beim endgültigen Sintern erhalten bleibt. Wenn Kugeln 58 verwendet werden, dient das Material der keramischen Schicht 48 als Matrix 60.
4 veranschaulicht eine Ausführungsform, bei der eine Struktur 64 auf der Oberseite 62 einer Wärmedämmkachel 34B für eine erhöhte Abreibbarkeit und einen verminderten Schaufelverschleiß gebildet ist. Die Struktur kann die Form von Rippen und Vertiefungen annehmen. Die Vertiefungen können nicht durchgängig sein, und die Rippen können durchgängig sein, um eine Gasleckage um die Schaufelspitze herum entlang der Vertiefungen zu minimieren. Eine solche Struktur kann anstelle oder zusätzlich zur oben beschriebenen Porosität durch Einschlüsse bereitgestellt werden.
5 veranschaulicht eine Ausführungsform von Wärmedämmkacheln 34C, die auf einem Substrat 66 montiert sind. Gegenüberliegende Ränder 70, 72 der Kacheln können so konturiert sein, dass ein Gas- und Wärmefluss in die Spalte 68 zwischen Kacheln reduziert wird. Beispielsweise kann jede Kachel eine erste nichtplanare Seitenfläche 70 auf einer ersten Seite der keramischen Schicht 48 und eine zweite nichtplanare Seitenfläche 72 auf einer zweiten, der ersten Seite gegenüberliegenden keramischen Schicht aufweisen, wobei die Formen der ersten und der zweiten nicht planaren Seitenflächen 70, 72 komplementäre Spiegelbilder sind, sodass, wenn ein Paar solcher Wärmedämmkacheln nebeneinander angeordnet ist, die Kacheln entlang einer Achse senkrecht zur Oberfläche des Substrats 66 ineinander eingreifen. Kachelränder können im Allgemeinen so geformt und gewinkelt sein, dass sie eine Krümmung des Substrats ausgleichen, sodass die Spalte 68 über die gesamte Tiefe der keramischen Schicht 48 gleichmäßig sind.
Das Hartlöten kann durch Erhitzen 76 in einem Ofen oder lokal, beispielsweise auf der Rückseite 67 des Substrats 66, erfolgen, wie in 5 veranschaulicht ist. Dadurch schmilzt die Hartlotschicht 46, welche die Kacheln mit dem Substrat verbindet und die Hartlotschichten benachbarter Kacheln verschmelzen. Ein Vorteil einer aus Kacheln bestehenden Wärmesperre gegenüber einer monolithischen Wärmesperre besteht darin, dass die Spalte 68 zwischen den Kacheln während der thermischen Zyklen eine Spannungsentlastung gewährleisten, wodurch eine Verschlechterung der Wärmesperre und des Substrats verzögert werden.
Eine optionale Haftschicht 74 kann zwischen der Hartlotschicht 46 und der keramischen Schicht 48 hinzugefügt werden, um die Bindung zu verbessern, insbesondere, wenn die keramische Schicht 48 und das Substrat 66 deutlich verschiedene Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen. Ein beispielhaftes Bindemittel ist eine MCrAlY-Legierung, wobei M aus Ni, Co, Fe und deren Mischungen ausgewählt ist und Y Yttrium Y sowie La und Hf einschließen kann. Im oben beschriebenen Spark-Plasma-Sinterverfahren kann die Haftschicht 74 im Pressformgehäuse 40 abgeschieden und zur Kachel geformt werden.
Das Spark-Plasma-Sintern (SPS) kann mit Metallpulvern und sowohl mit elektrisch leitfähigen als auch mit nichtleitenden Keramikpulvern durchgeführt werden. Die Hitze wird intern erzeugt, sodass ihre Migration von den Flächen des Presslings oder der Form nach innen keine Zeit erfordert. Somit ist das Sintern sehr schnell, gleichmäßig und wirksam. Heizraten bis zu etwa 1000 K/min sind möglich. Aufgrund seiner Gleichmäßigkeit und Schnelligkeit kann SPS Pulver mit Nanogröße und Pulver mit unterschiedlicher Größe ohne die Vergröberung verdichten, die bei anderen Sinterverfahren auftritt. Im Vergleich zu anderen Verfahren spart SPS Energie und Material. Beim thermischen Spritzen wird oft eine Auftragsrate von lediglich 10–15% erhalten, wodurch das teure Einsatzmaterial größtenteils vergeudet wird. Bei SPS entfallen auch die meisten Dämpfe in Verbindung mit dem thermischen Spritzen, wodurch Umweltbelastungen und Gesundheitsgefahren für das Bedienungspersonal minimiert werden. Daher ersparen die hier beschriebene Herstellung und/oder Reparatur von Wärmedämmschichten Geld, Zeit und Umweltbelastungen. Außerdem machen sie die Reparatur vor Ort praktischer, weil die vorgefertigten Kacheln einfach auf eine vorbereitete Fläche hartgelötet zu werden brauchen, wodurch Sprühvorrichtungen, Spritzkabinen, Pulvervorräte oder Luftfiltrationssysteme vor Ort nicht erforderlich sind.
6 veranschaulicht eine Kachel 34D, die auf einer Substratreparatur montiert ist, wobei ein Riss im Substrat entfernt wurde, indem eine Nut 78 ausgefräst wurde, die dem Riss folgt und diesen entfernt. Der hier verwendete Begriff „Ausfräsen” schließt das Entfernen von Material mit einem rotierenden Bohrer oder anderen Mitteln wie Wasserstrahlen oder Sandstrahlen ein. Die Nut wird dann mit einem Hartlotfüllmaterial 80 gefüllt, das mit dem für die Hartlotschicht 46 verwendeten Material identisch oder diesem ähnlich sein kann und bei dem es sich um ein oben beschriebenes strukturelles Hartlötmaterial handeln kann. Durch Erhitzen schmelzen das Hartlotfüllmaterial 80 und die Hartlotschicht 46, wodurch der Riss gefüllt und die Kachel verbunden wird und somit sowohl der Reparaturvorgang als auch der Neubeschichtungsvorgang im selben Schritt bewerkstelligt werden.
7 veranschaulicht eine Kachel 34E, die auf einer Substratreparatur montiert ist, wobei ein Riss oder eine andere Verschlechterung des Substrats entfernt wurde, indem eine Vertiefung 82 ausgefräst wurde, die den Riss entfernt. Die Kachel 34E ist mit einer Dicke H + D geformt, welche die Tiefe der Vertiefung D in Bezug auf eine gewünschte Höhe H der Wärmedämmschicht ausgleicht. Kacheln mit standardisierten Abmessungen können im Voraus hergestellt werden, und das Substrat kann vorbereitet werden, indem Material entfernt wird, wodurch eine Vertiefung 82 gebildet wird, die den standardisierten Abmessungen entspricht.
8 veranschaulicht eine Wärmesperre, die aus einer Mehrzahl von Wärmedämmkacheln 34F, 34G mit verschiedenen jeweiligen Höhen geformt ist, die so angeordnet sind, dass sie eine Oberflächenstruktur für eine erhöhte Abreibbarkeit bilden. Die Kacheln können beispielsweise in einem Schachbrettmuster oder in anderen Strukturen wie Rippen und Vertiefungen angeordnet sein.
9 veranschaulicht ein Diagramm der Porosität als Funktion der Sintertemperatur für das Spark-Plasma-Sintern (SPS) eines mit Yttriumoxid stabilisierten Zirconiumdioxid-Pulvers mit einer Partikelgröße von 20–95 μm. Die Optionen für die Pulververdichtung sind für den letzten Datenpunkt veranschaulicht. Dieses Diagramm veranschaulicht einen Funktionstyp, der zur Herstellung einer Zielporosität in einer Kachel verwendet werden kann.
Die Gesamtporosität ist eine Kombination aus der keramischen Dichte und der Hohlraumfraktion aus Einschlüssen, sofern vorhanden. Das Keramikpulver kann mit Partikeln eines flüchtigen Materials wie einem Polymer vermischt werden, um nach dem Sintern bei einer gegebenen Temperatur eine vorbestimmte Porosität zu erreichen. Alternativ können keramische Hohlkugeln (58, 3) mit dem Keramikpulver vermischt werden. Wenn die Kugeln vor dem Mischen vollständig gesintert sind, wird die Hohlraumfraktion hauptsächlich durch die Kugelgeometrie und den Anteil der Kugeln in der Mischung gebildet. Die Dichte der Keramikmatrix (60, 3) kann bestimmt werden, indem die Sintertemperatur einen Zielwert der Keramikdichte, der Gesamtdichte der keramischen Schicht und/oder einer anderen Materialeigenschaft wie die Wärmeleitfähigkeit erreicht.
10 ist ein Diagramm für die Bestimmung einer Ziel-Wärmeleitfähigkeit 84 für eine Wärmedämmkachel. Eine Wärmedämmschicht auf einer Turbinenkomponente verdichtet 82 sich im Laufe der Zeit als Funktion der Temperatur. Bei Wartungsintervallen kann die Wärmeleitfähigkeit der vorhandenen TBC durch eine solche Funktion geschätzt werden. Alternativ können Komponenten mit beschädigten TBCs entfernt und auf solche Materialeigenschaften getestet werden. Die hier beschriebenen Wärmedämmkacheln 34, 34A–F können dann so hergestellt werden, dass sie Materialeigenschaften der vorhandenen TBC entsprechen, sodass die Eigenschaften der für eine Reparatur verwendeten Kacheln mit der verbliebenen vorhandenen TBC verträglich ist. „Verträglich” bedeutet, dass die Kachel mit einer oder mehreren Materialeigenschaften der vorhandenen TBC innerhalb einer gegebenen Toleranz wie 10 gegenüber einem erwarteten Bereich von Betriebstemperaturen und der Zeit übereinstimmt. Ein solches Übereinstimmen von Reparaturkacheln mit den Merkmalen der verbliebenen TBC minimiert die Belastungen, die in der reparierten Komponente induziert werden, nachdem sie wieder in Betrieb genommen wird. Diagramme von Ergebnissen eines Spark-Plasma-Sinterns wie in 9 können verwendet werden, um die Sintertemperatur, -zeit und -kompression so zu steuern (50, 3), dass solche Materialverträglichkeitsziele erreicht werden. Mit einem Diagramm wie 10 kann eine Materialeigenschaft einer TBC einer gegebenen Komponente in einer Gasturbine beispielsweise nach 2000 oder 3000 Betriebsstunden auf der Grundlage der bekannten Betriebstemperatur(en) dieser Komponente geschätzt werden.
11 ist ein Diagramm für die Bestimmung eines thermischen Zielelastizitätsmoduls 90 für eine Wärmedämmkachel. Eine Wärmedämmschicht auf einer Turbinenkomponente verdichtet 88 sich im Laufe der Zeit als Funktion der Temperatur, wodurch sie steifer und spröde wird. Der Elastizitätsmodul der vorhandenen TBC 28 kann auf der Grundlage der Temperatur und der Betriebsdauer bestimmt oder geschätzt werden, wodurch ein Ziel-Elastizitätsmodul für die Reparaturkachel 34 erhalten wird.
12 veranschaulicht die Schritte 90–95 in einem Verfahren einer Ausführungsform der Erfindung. Ersatzkacheln können mit denselben keramischen Materialien und Porositäten wie die vorhandene TBC hergestellt werden. Dies ist jedoch nicht unbedingt erforderlich, solange wenigstens eine Materialeigenschaft der Kacheln mit der vorhandenen TBC verträglich ist und die Abreibbarkeit der Kacheln brauchbar ist. Bei einer Materialeigenschaft kann es sich beispielsweise um die Wärmeleitfähigkeit, den Elastizitätsmodul oder den Wärmeausdehnungskoeffizienten handeln. Für Ersatzkacheln können in einigen Fällen Materialien verwendet werden, die sich von denjenigen der vorhandenen TBC unterscheiden, um Fortschritte der Werkstoffkunde zu nutzen. Die Abreibbarkeit kann teilweise durch den Sintergrad und teilweise durch die Struktur der keramischen Schicht eingestellt werden, was Oberflächenstrukturen und durch Einschlüsse gebildete Hohlräume einschließt.
Hier beschriebene Hitzekacheln können auch verwendet werden, um bei der Herstellung von Komponenten oder für einen kompletten Ersatz einer vorhandenen TBC neue Wärmesperren zu erzeugen. In solchen Fällen ist ein Abgleich von Materialeigenschaften mit einer vorhandenen TBC möglicherweise nicht notwendig. Ein keramisches Vergussmaterial kann zwischen Kacheln verwendet werden, ist in den meisten Anwendungen aber nicht erforderlich oder empfohlen, weil eine Segmentierung hinsichtlich einer Verminderung von Belastungen in der Wärmesperre vorteilhaft ist.
Vorteile der hier beschriebenen Wärmedämmkacheln gegenüber dem herkömmlichen thermischen Spritzen einer Wärmedämmschicht umfassen:

– Eine Segmentierung der Wärmesperre entlastet die Belastung darin.
– Das Material und die Energieverschwendung des thermischen Spritzens entfallen.
– Die Dämpfe des thermischen Spritzens entfallen.
– Die Kontrolle der Materialeigenschaften der Wärmesperre ist besser.
– Eine lokalisierte Reparatur einer TBC und eines Substrats werden möglich.
– Eine Vor-Ort-Reparatur wird praktischer, weil die Wärmesperre vorgefertigt ist und nur eine Vorbereitung der Oberfläche und ein Hartlöten erforderlich sind.
– Die Kacheltiefe ist an das Entfernen von Rissen im Substrat angepasst.
– Der Einsatz des Spark-Plasma-Sinterns wird möglich, wodurch ein gleichmäßiges, schnelles Sintern für spezifische Ziel-Materialeigenschaften erhalten wird.

Obwohl verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung hier veranschaulicht und beschrieben worden sind, ist offensichtlich, dass solche Ausführungsformen nur beispielhaft angegeben sind. Zahlreiche Variationen, Änderungen und Substitutionen können vorgenommen werden, ohne von der hier aufgeführten Erfindung abzuweichen. Demgemäß ist beabsichtigt, dass die Erfindung nur durch Wesen und Umfang der anliegenden Ansprüche beschränkt ist.

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Wärmesperre, umfassend: das Abscheiden einer ersten Schicht eines metallischen Hartlötmaterials in einem Pressformgehäuse; das Abscheiden einer zweiten Schicht aus einem Keramikpulver auf dem metallischen Hartlötmaterial und das Zusammensintern der ersten und der zweiten Schicht im Pressformgehäuse mittels Spark-Plasma-Sintern unter Bildung einer zusammengesinterten Keramik-/Metall-Kachel mit einer Metallhartlotschicht und einer keramischen Wärmedämmschicht.
Verfahren nach Anspruch 1, weiterhin umfassend: das Bestimmen einer Materialeigenschaft einer vorhandenen Wärmedämmschicht auf einer Komponente und das Steuern der Temperatur und Zeit des Zusammensinterschritts zur Herstellung der Keramik-/Metall-Kachel mit einer Materialeigenschaft, die der Materialeigenschaft der vorhandenen Wärmedämmschicht entspricht.
Verfahren nach Anspruch 1, weiterhin umfassend: das Bestimmen eines Ziel-Elastizitätsmoduls und einer Ziel-Wärmeleitfähigkeit und das Steuern des Zusammensinterns so, dass die Keramik-/Metall-Kachel mit dem Ziel-Elastizitätsmoduls und der Ziel-Wärmeleitfähigkeit verträglich wird.
Verfahren nach Anspruch 1, weiterhin umfassend: das Herstellen eines Teils eines Substrats; das Platzieren der Metallhartlotschicht auf der Keramik-/Metall-Kachel auf dem Teil des Substrats und das Einwirkenlassen von Wärme, um die Keramik-/Metall-Kachel an den Teil des Substrats hartzulöten.
Verfahren nach Anspruch 1, weiterhin umfassend: das Entfernen einer Wärmedämmschicht von einem Teil einer Gasturbinenkomponente und das Hartlöten der Keramik-/Metall-Kachel auf den Teil der Komponente durch Erhitzen des Hartlötmaterials.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei das Erhitzen durchgeführt wird, indem Energie lokal auf eine Rückseite eines Substrats der Komponente gegenüber dem Teil der Komponente einwirken gelassen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, weiterhin umfassend: das Herstellen einer Mehrzahl von Kacheln nach Anspruch 1, wobei verschiedene Kacheln der Mehrzahl wenigstens zwei jeweils verschiedene Dicken aufweisen, und das Hartlöten der Kacheln auf ein Substrat in einer Anordnung, durch die eine strukturierte Oberfläche auf der Grundlage der verschiedenen Kacheldicken gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, weiterhin umfassend das Bilden einer vorbestimmten Porosität in der keramischen Schicht durch das Herstellen eines Niedertemperatur-Vorformlings des Keramikpulvers, der Einschlüsse umfasst, die nach dem Zusammensintern die Porosität erzeugen.
Verfahren nach Anspruch 1, weiterhin umfassend das Abscheiden einer dritten Schicht eines Haftschichtmaterials zwischen der Hartlot- und der keramischen Schicht und das Zusammensintern der drei Schichten im Zusammensinterschritt.
Verfahren nach Anspruch 9, weiterhin umfassend das Bilden einer Grenzfläche zwischen dem Haftschichtmaterial und der keramischen Schicht so, dass sie nichtplanar ist.
Wärmedämmkachel, umfassend: eine Schicht eines Hartlötmaterials; eine Schicht eines Wärmedämmmaterials und eine zusammengesinterte Grenzfläche zwischen dem Hartlötmaterial und dem keramischen Material.
Wärmedämmkachel nach Anspruch 11, weiterhin umfassend: eine erste nichtplanare Seitenfläche auf einer ersten Seite; eine zweite nichtplanare Seitenfläche auf einer zweiten, der ersten Seite gegenüberliegenden Seite, wobei die Formen der ersten und der zweiten nichtplanaren Seitenflächen komplementäre Spiegelbilder sind, sodass, wenn ein Paar solcher Wärmedämmkacheln nebeneinander angeordnet ist, die Kacheln ineinandergreifen.
Wärmedämmkachel nach Anspruch 11, wobei eine Oberseite der keramischen Schicht eine vorbestimmte Struktur mit verschiedenen Oberflächenhöhen umfasst.
Wärmedämmkachel nach Anspruch 11, wobei die Grenzfläche eine nichtplanare Struktur umfasst.
Wärmedämmkachel nach Anspruch 11, wobei die keramische Schicht eine Gradientenporosität umfasst, die in Richtung ihrer Oberseite zunimmt.
Verfahren zur Reparatur einer Komponente mit einer Wärmedämmschicht, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: das Bestimmen einer Materialeigenschaft einer vorhandenen Wärmedämmschicht einer Komponente; das Herstellen einer Wärmedämmkachel, umfassend eine Schicht aus keramischem Wärmedämmmaterial, das mit einer Schicht Hartlötmaterial zusammengesintert wird, wobei das Wärmedämmmaterial so verarbeitet wird, dass es der Materialeigenschaft der vorhandenen Wärmedämmschicht entspricht; das Entfernen eines beschädigten Teils der vorhandenen Wärmedämmschicht von der Komponente und das Hartlöten der Kachel anstelle des entfernten Teils der Wärmedämmschicht durch Erhitzen des Hartlötmaterials.
Verfahren nach Anspruch 16, weiterhin umfassend: das Bilden einer Vertiefung in der Komponente, um einen Riss in der Komponente zu entfernen; das Formen der Kachel mit einer Dicke, welche die Tiefe der Vertiefung in Bezug auf die gewünschte Höhe der Wärmedämmschicht ausgleicht; und das Hartlöten der Kachel auf das Substrat so, dass die Hartlötung die Vertiefung füllt.
Verfahren nach Anspruch 16, weiterhin umfassend: das Bilden einer Nut in einem Substrat der Komponente, wobei die Nut einem Riss im Substrat folgt und diesen entfernt; das Füllen der Nut mit einem Hartlotfüllmaterial; das Anordnen der Kachel auf dem Substrat auf der gefüllten Nut und das Hartlöten der Kachel auf das Substrat.