DE2640755A1 - Verfahren zur erneuernden oberflaechenbehandlung von aerodynamischen turbinen-komponenten, wie laufschaufeln und leitschaufeln - Google Patents
Verfahren zur erneuernden oberflaechenbehandlung von aerodynamischen turbinen-komponenten, wie laufschaufeln und leitschaufelnInfo
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Description
26407G5
PATENTANWALT DIPL.-PHYS. HEINRICH SEIDS
Wiesbaden· Bierstadtör Höhe 15 · Postfadi 12068 -Telefon (06121) 565382
Postscheck Frankfurt/Main 1810 08 - 602 · Bank Deutsche Bank 395 63 72 · Nass. Sparkasse 108 00 30 65
Wiesbaden, den 07. September 1976 G 144 S/rd
Salvatore J. CRETELLA
North Haven, CT, V.St.V.A.
North Haven, CT, V.St.V.A.
Matthew BERNARDO
West Haven, CT, V.St.V.A.
Ralph T. DeMUSIS '' ' ,
North Branford, CT, V.St.V.A.
Verfahren zu erneuernden Oberflächenbehandlung von aerodynamischen Turbinen-Komponenten, wie
Laufschaufeln und Leitschaufeln
Prioritätr USA-Patentanmeldung Nr. 613 479
vom 15ο September 1975
Die Erfindung bezieht sich auf die Erneuerung von verschlissenen
aerodynamischen Turbinen-Komponenten, wie Laufschaufeln und Leitschaufeln, und zwar insbesondere das erneuernde Aufbauen
und Oberflächenbehandeln solcher verschlissenen Teile, um dadurch insgesamt ihre Lebensdauer zu verlängern.
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Bisher wurde für aerodynamische Turbinen-Komponenten, beispielsweise
Laufschaufeln und Leitschaufeln, wie sie u.a. in Flugzeug-Turbinen-Strahltriebwerken und Kraftwerksturbinen
benutzt werden, eine spezifische Benutzungs-Lebensdauer festgelegt, nach der solche Komponenten entfernt und als nicht
mehr benutzbar aus dem Gebrauch gezogen warden. Da die Kosten
für solche aerodynamische Komponenten hoch sind, hatte
diese Praxis eine beträchtliche Kosten erhöhung für die Wartung
der Turbinen zur Folge. Zusätzlich zu dem Yerlust an Betriebszeit
der jeweiligen Turbinen und den Montagekosten für das Einsetzen neuer Schaufeln ergaben sich zusätzliche Ausgaben
für die neuen einzusetzenden Teile bzw. Schaufeln.
Solche Wartung, die selbstverständlich für die Aufrechterhaltung
der Betriebssicherheit der Einrichtung unerlässlich ist, verursachte daher hohe Betriebskosten.
Aufgabe der Erfindung ist es, die obigen EFachteile der
früheren Wartungspraxis für Turbinen zu beseitigen und dazu ein verbessertes Verfahren zur erneuernden Oberflächenbehandlung
von aerodynamischen Turbinen-Komponenten, insbesondere Lauf schaufeln und Leit schaufeln zu schaffen, durch das die
mit Verschleiss und Abnutzung dieser Teile zusammenhängenden
Wartungskosten vermindert werden* Dabei sollen die dem er-
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findungsgemässen Verfahren unterworfenen Turbinen-Komponenten
strengen Anforderungen hinsichtlich Festigkeit und Arbeitsweise standhalten und für die in Betracht gezogenen Wartungsgebiete leicht erhältlich sein. Das erfindungsgemasse Verfahren
soll ausserdem billig ausführbar sein, also erneuerte
aerodynamische Turbinen-Komponenten zu geringen Kosten verfügbar
machen.
Diese Aufgabe wird gemäss der Erfindung durch ein Verfahren
gelöst, das sich durch die folgenden Verfahrensschritte kennzeichnet:
a) dass auf der Hinterkante der Turbinen-Komponente zu deren Aufbau eine Schweissraupe' angebracht wird;
b) dass ein länglicher, in Abstand von der Hinterkante liegender, sich im wesentlichen entlang dieser Hinterkante erstreckender
Flächenbereich zur Verstärkung der Turbinenkomponente mit einem aufgeschweissten Belag versehen wird;
c) dass erodierten Oberflächen durch Plasma-Spritzen von geschmolzenem Metall über die Originaloberfläche hinaus
wieder aufgebaut wird und
d) dass die Turbinen-Komponente auf ihre Originaloberflächen
und ihre Original-Hinterkante abgeschliffen und oberflächen- %
bearbeitet wird.
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Im Verfahren gemäss der Erfindung werden somit zunächst einmal alle Risse und Vertiefungen und dergleichen durch Aufschweissen
von Metall geschlossen. Das aufgeschweisste Metall bildet ausserdem eine vorteilhafte Verstärkung, so dass die
verschlissenen abgetragenen Schaufeloberflächen durch Plasma-Spritzen
mit Metall wieder aufgebaut werden können. Für das Plasma-Spritzen kann pulverisiertes Metall mit Kieselsäurezusatz
benutzt werden, welch letzterer während des Spritzvorganges vollständig wegbrennt bzw. weggeblasen wird.
Im Rahmen der Erfindung können Teile der Turbinen-Komponente an den beiden Enden der Hinterkante zum Freisetzen von Spannungen
in der Turbinen-Komponente vor dem Aufbauen der Hinterkante geschlitzt und danach vor dem Plasma-Spritzen der
Oberflächen diese Schlitze durch Schweissen wieder geschlossen werden. Dieses Schlitzen verhindert ein Verziehen
der behandelten aerodynamischen Turbinen-Komponenten während des erneuten Aufbaues der Oberflächen. Vor dem Plasma-Spritzen
des geschmolzenen, die Oberflächen wieder aufbauendenMetalls
werden diese Schlitze wieder durch Schweissen verschlossen. Vorzugsweise kann man Kühldurchlässe bzw. Luftdurchlässe in
: den Schaufeln bzw. dgl. vor dem Plasma-Spritzen durch Schweissen ; ver s chiles sen. Wenn die Oberflächen der Turbinen-Komponenten
■\ dann wieder durch Schleifen und Oberflächenbehandlung in ihre
j Original-Konturen gebracht sind, werden solche Kühldurchlässe
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und Luftdurchlässe wieder eingeschnitten.
Das Schlitzen zum Freilassen von Spannungen und das seitliche
Verstärken durch Aufbringen von Schweissraupen ergeben in Verbindung mit dem Zuschweissen aller Risse und dem erneuten
Aufbauen der Metallfläche durch Plasma-Spritzen ein erneuertes Produkt hoher Qualität, das gleiche Betriebserfordernisse erfüllt,
wie entsprechende neue Originalersatzteile. Die zum erneuten Aufbau der abgenutzten Oberflächen aufgetragene
Metall-Legierung entspricht der Original-Metallurgie des Werkstücks, wenngleich ein Zusatz von Kieselsäure im Metallpulver
benutzt wird, da solche Kieselsäure im Plasmastrom völlig wegbrennt
bzw, weggeblasen wird.
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung finden sich in
der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispieles anhand
der Zeichnung. Es zeigen:
Fig. T eine Seitenansicht der konvexen Seite einer
im Verfahren gemäss der Erfindung erneuerten
Turbinenschaufel;
Fig. 2 eine Seitenansicht der konkaven Seite der Turbinenschaufel;
Fig. 5 einen Schnitt nach der Linie 3 - 3 der Figur 1;
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Fig. 4 einen Schnitt nach der Linie 4-4 der Figur 2;
Fig. 5 eine -wesentlich vergrösserte Darstellung des
Ausschnittes X-X der Figur 3»
Fig. 6 eine Ansicht der konvexen Seite einer verschlissenen Turbinenschaufel, wobei gewisse
Verfahrensschritte für die Behandlung dieser Turbinen-Komponente illustriert werden;
Fig. 7 eine Ansicht der konkaven Seite der Turbinenschaufel gemäss Figur 6, wobei die auf
der Turbinenschaufel vor dem Plasma-Spritzen angebrachten Schweissraupen gezeigt sind;
Fig. 8 einen Schnitt nach der Linie 8-8 der Figur 6;
Fig. 9 eine Seitenansicht einer Plasma-Spritzvorrichtung zum Auftragen eines Belages von
geschmolzenem Metall auf eine Oberfläche einer Turbinenschaufel und
Fig. 10 eine perspektivische IDeildarstellung einer
Schleifvorrichtung zum Abschleifen gesteuertet* Mengen von aufgebautem Oberflächenmaterial
an der Turbinenschaufelo
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Die Figuren 1 Ms 4 zeigen eine fertig bearbeitete oder erneuerte Turbinenschaufel 10 mit konvexen und konkaven aerodynamischen
Flächenteilen 12, 14 einer Vorderkante 16 und
einer Hinterkante 18. Die Schaufel 10 hat einen aerodynamisch-: geformten Innenraum 20 und Kühldurchlässe 22, die mit diesem
in Verbindung stehen. Die Turbinenschaufel 10 gemäss Figuren 1 bis 4 ist im Verfahren gemäss der Erfindung erneuert worden,
und die Figuren 3 und 4 zeigen im Querschnitt Bereiche 24 von Auflagemetall, das in einem Plasma-Spritzvorgang auf die
Schaufeloberflächen aufgetragen worden isto Das Auflagemetall
dieser Flächenbereiche 24 kann eine Dicke von etwa 0,75 bis 1.02 mm erreichen und kann, wie dargestellt, nach der Hinterkante
18 zu auslaufend an Dicke abnehmen.
Die Auswahl des Auflagemetalls ist so, dass die sich ergebende
Legierung weitgehend mit der Legierung des Grundmetalls, aus dem die Turbinenschaufel ursprünglich gegossen
worden ist, entspricht. Dies wird durch die Benutzung von zusätzlicher Kieselsäure in dem beim Plasma-Spritzen benutzten
Metallpulver erreicht. Mit der Zugabe von 10% Kieselsäure
zum Metallpulver ist das Abbrennen der Kieselsäure während des Plasma-Spritzens derart, dass die sich ergebende
Legierung der Auflage im wesentlichen auf die gleiche Le- ' | gierung wie das Grundmaterial eingestellt werden kann. Das Grund-
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metall kann beispielsweise ein solches sein, wie es als Haynes Alloy Nr. 25 oder Nr. 31 auf dem Markt bekannt ist,
und etwa folgende Zusammensetzung hat:
Wesentliche chemische Analyse von Haynes Alloy Nr. in Gewichtsteilen
1) Kohlenstoff 0,09
2) Silizium 0,22
3) Mangan 1,55
4) Phosphor 0,018
5) Schwefel 0,007
6) Chrom 20,23
7) Nickel 10,56
8) Wolfram 14,30
9) Eisen 2,25 10) Kobalt 50,685
Die obige Legierung wird auch in verschiedenen oben beschriebenen Schweissvorgängen an den Turbinenschaufeln benutzt in
Form von Schweiss-Stäben, wie sie unter der Typenbezeichnung
L-605 auf dem Markt sind.
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Die Bindung zwischen dem Grundmetall 12, 14 und der Auflage-.
24 ist demzufolge besonders fest und haltbar und zeigt keinerlei Neigung, sich während der Benutzung der Turbinenschaufel
zu verschlechtern.
Das Verfahren zum Erneuern der Turbinenschaufel ist im wesentlichen
wie folgt:
Wie in "Figur 6 gezeigt, wird eine im Verfahren gemäss der
Erfindung zu erneuernde Turbinenschaufel eingeschnitten, um benachbart zu den Endflanschen 28 Schlitze 26 parallel zu
diesen Endflanschen und in Abstand von diesen zu bilden, wie
dies etwa in der Figur ersichtlich ist. Die Schlitze 26 setzen
Spannungen frei, die durch ungleichmässiges Erhitzen der
Turbinenschaufel während der Behandlung verursacht werden. Nach Bildung der Schlitze 26 wird eine Schweissraupe 30 auf
die Hinterkante gelegt, und es werden Ausbesserungen, die als
kurze Schweissraupen 32 dargestellt sind, im Bereich der Vorderkante
und der Hinterkante vorgenommen, um das Material über
Haarrissen zu verschmelzen. Es werden dann Schweissraupen 36,
38 auf die verschlissenen Bereiche der konvexen und der konkaven Oberfläche aufgelegt, um die aerodynamische Struktur
der Turbinenschaufel zu verstärken. Soüie Schwe issraupen
liegen im Abstand von der Hinterkante 18 und erstrecken sidah
im wesentlichen gleichgerichtet mit dieser.
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- 10 - ,
Wie Figur 7 zeigt, werden die Kühldurchlässe 22 durch Schweissraupen
40 verschlossen. Sodann werden die Schlitze 26 wieder mittels Schweissraupen 42 zugeschweisst. Danach wird auf die
aerodynamischen Oberflächen eine Lage aus Metall-Legierung 24, wie in Figur 8 gestrichelt dargestellt, durch Plasma-Spritzen
aufgebracht. Dies wird mit einem Gerät nach Figur 9 ausgeführt, die eine Plasma-Spritzvorrichtung 48 mit Düse 50 wiedergibt.
Von dieser Düse tritt ein feiner Strahl 52 von geschmolzenen Metallteilchen aus, die generell die gleiche Zusammensetzung
wie das Material der Turbinenschaufel haben, mit der Ausnahme, dass, wie oben ausgeführt, Kieselsäure beigemischt
ist. Die Spritzvorrichtung verflüssigt das Metallpulver, das in eine Atmosphäre von Wasserstoffargon oder
Helium bei einer Temperatur von etwa 3870° C eingeführt wird. Es werden so ausgezeichnete Ergebnisse hinsichtlich Oberflächendichte
und Bindung an das Grundmetall erreicht. Die auf diese Weise durch Plasma-Metallspritzen aufgebaute Lage
kann bei 0,75 bis 1,02 mm Dicke aufweisen und, wie dargestellt, mit in der Dicke abnehmenden auslaufenden Kanten ausgebildet
sein. Vor dem Plasma-Metallspritzen kann eine Oberflächenbehandlung
an dem zu behandelnden Turbinenschaufeln ausgeführt werden, beispielsweise in Form von Sandstrahlen oder Schrotstrahlen.
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Die Darstellungen der Figuren 6 bis 8 illustrieren Schritte in der Vorbereitung einer verschlissenen Turbinenschaufel
vor dem Aufbauen der Oberflächen durch Plasma-Hetallspritzen.
Ein vollständiger Arbeitsgang zum Behandeln von Turbinenschaufeln ist wie folgt:
1) Benutzte Turbinenschaufeln werden in einem Salzsäurebad über drei bis vier Stunden bei etwa
82° C von Staub, Öl usw. befreit.
2) Die Turbinenschaufeln werden in Wasser abgewaschen und in Vakuum über zwei Stunden bei etwa 1190° C
geglüht bzw. angelassen .
3) Die so geglühten bzw. angelassenen Turbinenschaufeln werden dann visuell inspiziert.
4) Nach Verlassen der visuellen Inspektion werden die Schaufeln mittels eines durchdringenden
fluorrisierenden Mittels mit Fluoreszenz untersucht.
5) Die Turbinenschaufeln werden dann annähernd 25 mm tief geschlitzt, ausgehend von den Hinterkanten,
wobei die Schlitze 26 etwa 6,5 mm von den Schaufelenden entfernt liegen.
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« 12 -
6) Die Luftkühlungslöcher werden durch Schweissen verschlossen.
7) Alle Risse auf der aerodynamischen Fläche im Bereich der Vorderkante und der Hinterkante werden
verschwel sst.
8) Wenn die Hinterkantenbereiche der Turbinenschaufeln durch Verschleiss dünn geworden sind, werden sie
durch Schweissen aufgebaut, vorzugsweise unter Benutzung eines WolframTlnertgas-Schweissprozesses
mit Haynes Nr. 25 Schweiss-Stab.
9) Die konvexe und die konkave Oberfläche des Schaufelkörpers werden in der Nähe, a-ber in Abstand von
der Hinterkante und im wesentlichen gleichgerichtet dazu verstärkt, dadurch ,dass auf Stellen dieser
Flächen Schweissraupen 34, 36 vorzugsweise unter
Benutzung eines Wolfram-Inertgas-Schweissverfahrens
aufgebaut werden. Diese Schweissraupen können 0,75 bis 1,02 mm hoch sein.
10) Die Schlitze 26 werden durch Schweissen verschlossen, und die Oberfläche wird durch Aufrauhen
und Reinigen mit Sandstrahlen oder Schrotstrahlen vorbereitet.
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ti) Die verschlissenen aerodynamischen Oberflächen werden dann durch Plasma-Metallspritzen mit einem
Metall-Legierungspulver mit Zusatz von Kieselsäure (Silikan) behandelt, bis zu einer Auflagedicke
von 0,75 bis 1,02 mm an der Vorderkante und verjüngend und auslaufenden Kanten nach der
Hinterkante der aerodynamischen Flächen zu. In solchen Fällen, wo die Turbinenschaufeln ursprünglich
aus einer Legierung gegossen sind, beispielsweise Haynes itfr» 25?Legierung, besteht das beim
Plasma-Metallspritzen benutzte pulverisierte Metall aus der gleichen Legierungszusammensetzung
und hat 10% Kieselsäure-Zusatz.
12) Die Turbinenschaufeln werden in einem Vakuum- oder Wasserstoff-Ofen (5 Mikron) bei etwa 1200° C über
eine Stunde gesintert und dann gekühlt.
13) Die aufgebauten aerodynamischen Oberflächen werden
dann in einem Material abtragenden Verfahren geschliffen unter Benutzung einer in Figur 10 gezeigten Maschine 54 mit einem Schleifband 56, das
über eine Trommel oder Walze 58 läuft, um die Original-Oberflächen-Abmessungen wieder herzustellen,
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14) Die Schaufeln werden in einem Fluoreszenzverfahren
inspiziert.
15) Die Kühllöcher werden mit einem Laserstrahl wieder eingeschnitten..
16) Die Turbinenschaufeln werden von Hand poliert.
17) Die Schaufeln werden Endkontrolle bezüglich Genauigkeit ihrer Abmessungen unterworfen.
Figur 5 zeigt eine Mikrofotographie eines Schnittes durch eine
erneuerte Turbinenschaufel im Bereich X-X der Figur 3.
Figur 5 stellt eine hundertfache Vergrösserung dar. Der Schnitt durch das Auflagemetall 24 zeigt eine dichte körnige
Struktur, die an einer Zwischenfläche 46 an die aufgerauhte Oberfläche des aerodynamischen Schaufelteiles 14 gebunden ist.
Diese aufgerauhte Oberfläche ist ein Ergebnis von Sandstrahlen oder Kugelstrahlen oder Schrotstrahlen als Vorbereitung für
das Plasma-Metallspritzen. Die körnige Struktur der Auflage 24 kennzeichnet sich durch eine erwünschte Gleichförmigkeit, um
so für Gleichförmigkeit im Verschleiss bzw. Abrieb während der Benutzung der Schaufel zu sorgen, wobei poröse oder
weiche Einschlüsse fehlen, die schnell niederbrechen könnten.
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Gemäss der Erfindung erneuerte Turbinenschaufein wurden u.a.
auch auf die Bindungsfestigkeit des durch Plasma-Metallspritzen aufgebrachten Belages auf den aerodynamischen Oberflächen geprüft.
Der durch Plasma-Metallspritzen erzeugte Belag ist gleichförmig und weist hohe Dichte auf, und die Bindung
zwischen dem Auflagematerial und dem Grundmaterial 1st hervorragend
ohne jeglichen Hinweis auf ein Abtrennender Lösen an irgendwelchen Punkten um den Umfang des aerodynamischen
Profils. Eine spektro-chemische Analyse des Auflagematerials wies eine Legierung auf Kobaltbasis vom Typ Haynes
Alloy Nr. 25 aus. Darüberhinaus war das Auflagematerial geeignet,
erfolgreich mit gegen Oxydation und Sulfidation widerstandsfähigen Legierungen bedeckt zu werden. Die durch den Erneuerungsprozess
hervorgerufenen Kosten stellen nur einen kleinen Bruchteil der anfänglichen Kosten zum Herstellen von Turbinenschaufeln
dieses Typs dar. Das sich aus dem Verfahren ergebende erneuerte Produkt entspricht im wesentlichen den hohen
Qualitätsanforderungen, wie sie für neue Turbinen schaufeln
bestehen. Dementsprechend stellt die Erfindung eine beträchtliche Verbesserung und einen wesentlichen Fortschritt der
Technik dar.
709811/0839
DipL-Phys. Heinrich Seids · Patentanwalt ■ 62 Wiesbaden · Bierstadter Höhe 15 · Postfach 120 68 · @ (06121) 565382
- 16 -
¥erxn die Erfindung im obigen Beispiel an Turbinen schaufeln
erläutert wird, so ist ersichtlich, dass auch andere aerodynamische Turbinen-Komponenten in gleichem Verfahren behandelt
werden können.
Alle in der Beschreibung, den Patentansprüchen und der Zeichnung wiedergegebenen Merkmale können daher erfindungswesentlich
sein.
-PatentansprUche-
709811/0839
Claims (5)
1)!Verfahren zur erneuernden Oberflächenbehandlung von
aerodynamischen Turbinen-Komponenten, wie Laufschaufeln
und Leitschaufeln, gekennzeichnet durch die Verfahrensschritte:
a) Dass auf die Hinterkante der Turbinen-Komponente zu
ihrem Aufbau eine Schweissraupe angebracht wird;
b) dass ein länglicher, in Abstand von der Hinterkante
liegender, sich im wesentlichen entlang der Hinterkante erstreckender Flächenbereich zur Verstärkung der Turbinen-Komponente
mit einem auf geschweissten Belag versehen wird;
G-)- dass die erosierten Oberflächen durch Plasma-Metallspritzen
mit geschmolzenem Metall über die Originaloberfläche hinaus wieder aufgebaut wird, und
d) dass die Turbinenkomponente auf ihre Original-Oberflächen
und ihre Original-Hinterkante abgeschliffen und ofoerflächenbearbeitet wird.
7098 1 1/083 9
DipL-Phys. Heinrich Seids · Patentanwalt - 62 Wiesbaden - Biersfadter Höhe 15 · Postfach 120 68 · ®" (06121) 56 5382
- 18 -
2) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
Teile der Turbinenkomponente an den beiden Enden der
Hinterkante zum Freisetzen von Spannungen in der Turbinen-Komponente
vor dem Aufbauen der Hinterkante geschlitzt und danach vor dem Plasma-Metallspritzen der Oberflächen
diese Schlitze durch Schweissen wieder geschlossen werden.
3) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
die der Hinterkante benachbarten Luftdurchlässe vor dem Plasma-Metallspritzen der Oberflächen durch Schweissen
verschlossen werden.
4) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Auf schweissen an Flächenteilen in Abstand von und im
wesentlichen gleicherstreckend zur Hinterkante vor dem Plasma-Metallspritzen an der konkaven aerodynamischen
Oberfläche der Turbinen-Komponente vorgenommen wird.
5) Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass
auch an der konvexen aerodynamischen Oberfläche der Turbinen-Komponente das Aufschweissen an Flächenteilen in
Abstand von und im wesentlichen gleicherstreckend zur Hinterkante vor dem Plasma-Metallspritzen vorgenommen wird.
70981 1/0839
Leerseite
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