DE2640755C2

DE2640755C2 -

Info

Publication number: DE2640755C2
Application number: DE2640755A
Authority: DE
Inventors: Salvatore J. North Haven Conn. Us Cretella; Matthew West Haven Conn. Us Bernardo; Ralph Thomas North Branford Conn. Us Demusis
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1975-09-15
Filing date: 1976-09-10
Publication date: 1989-06-29
Also published as: DE2640755A1; CH605012A5; US4141127A; US4028787A; GB1508556A; US4121894A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur erneuernden Oberflächenbehandlung von aerodynamischen Turbinenkomponenten, wie Laufschaufeln und Leitschaufeln, bei dem die zu behandelnde Turbinenkomponente nach Reinigen ihrer Oberfläche und Inspektion einer Auftragsschweiß-Behandlung mit gleichzeitigem Verschweißen von Rissen, sodann einer Wärmebehandlung und schließlich einer materialabtragenden Oberflächenbearbeitung zum Wiederherstellen der ursprünglichen Oberflächengestalt sowie Oberflächenbehandlungen zum Wiederherstellen der Oberflächenbeschaffenheit unterworfen wird.

Bisher wurde für aerodynamische Turbinenkomponenten, 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 wurden. Da die Kosten für solche aerodynamischen Komponenten hoch sind, hatte diese Praxis eine beträchtliche Kostenerhöhung für die Wartung der Turbinen zur Folge. Zusätzlich zu dem Verlust 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.

Aus der US-Zeitschrift "Metal Progress", Juli 68, Seite 7 ist es bekannt, beschädigte oder abgenutzte Turbinenschaufeln wieder instand zu setzen. Hierzu wird die beschädigte Oberfläche der Schaufel zunächst mechanisch bearbeitet und anschließend gereinigt. Danach wird ein Auftragsschweißstreifen an der Hinterkante der Turbinenschaufel und von da ausgehend sich in die Schaufelfläche erstreckend angebracht. Anschließend wird die Schaufel mit einem Fluoreszenz- oder einem Röntgenverfahren untersucht und der Schweißstreifen materialabtragend bearbeitet. Vor der nachfolgenden Kugelstrahlbehandlung wird die Turbinenschaufel einer Wärmebehandlung unterworfen. Dieses beschriebene Verfahren hat jedoch mehrere Nachteile. Zum einen wird der Auftragsschweißstreifen nicht gezielt an allen auszubessernden Stellen aufgebracht, sondern nur an einer bestimmten Stelle zum Zwecke der Verstärkung. Zum anderen werden keine Vorkehrungen getroffen, um Spannungen abzubauen, die durch ungleichmäßiges Erhitzen während der Bearbeitung verursacht werden.

In der US-PS 35 28 200 wird eine Schleifmaschine zur Oberflächenbearbeitung von Turbinenschaufeln beschrieben. Aus dieser Patentschrift ist es bekannt, die Hinterkante der Turbinenschaufel mit einer Auftragsschweißung zu versehen, die anschließend mit der in dieser Patentschrift beschriebenen Vorrichtung abgeschliffen wird. Angaben darüber, aus welchem Material die Auftragsschweißung besteht, und wie die übrige Oberfläche der beschädigten Turbinenschaufel ausgebessert wird, sind dieser Druckschrift nicht zu entnehmen.

Da bei diesen bekannten Verfahren die nicht mit Schweißmaterial versehenen Flächen lediglich abgeschliffen werden, weisen die Turbinenkomponenten durch den damit verbundenen Materialverlust nicht die gleiche Qualität auf wie neue Ersatzteile.

Aufgabe der Erfindung ist daher ein Verfahren, mit dem die gesamte beschädigte Oberfläche der Turbinenkomponente ausgebessert werden kann, so daß diese erneuerte Turbinenkomponente die gleiche Qualität besitzt wie entsprechende neue Ersatzteile.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das im Hauptanspruch angegebene Verfahren gelöst, das durch folgende Merkmale gekennzeichnet ist:

a) Die Turbinenkomponente (10) wird vor dem Auftragsschweißen einer ersten Wärmebehandlung unterzogen und nach Abkühlen in ihren seitlichen Endbereichen, ausgehend von der Hinterkante (18), annähernd 25 mm tief geschlitzt;
b) zusätzlich zum Verschweißen der Risse werden die konvexe und/oder die konkave Oberfläche (12 bzw. 14) der Turbinenkomponente (10) in Flächenbereichen nahe der, aber in Abstand von der Hinterkante (18) mit bis zu 0,75 bis 1,02 mm dicken, sich im wesentlichen parallel zur Hinterkante (18) erstreckenden Schweißraupen (34 bzw. 36) aus einer weitgehend dem Grundmetall entsprechenden Metallegierung belegt und danach die vorher angebrachten Schlitze (26) durch Schweißen wieder verschlossen;
c) nach Aufrauhen und erneutem Reinigen werden die konvexe und konkave Oberfläche (12, 14) der Turbinenkomponente (10) durch Plasma-Metallspritzen eines weitgehend entsprechend der Grundmetallegierung zusammengesetzten Metallpulvers zusätzlich zu den Schweißraupen (34, 36) mit einer Auftragschicht (24) versehen, deren Dicke an der Vorderkante (16) der Turbinenkomponente (10) bis zu 0,75 bis 1,02 mm beträgt und nach deren Hinterkante (18) zu abnimmt;
d) die danach erfolgende zweite Wärmebehandlung wird in Form eines Sintervorganges durchgeführt, bevor durch die materialabtragende Oberflächenbearbeitung die ursprüngliche Oberflächengestalt wieder hergestellt wird.

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 Siliziumzusatz benutzt werden, welch letzterer während des Spritzvorganges vollständig wegbrennt bzw. weggeblasen wird.

Auch die Kombination von Auftragsschweißen und Plasma-Spritzen kann die gesamte konvexe und konkave Oberfläche der Turbinenkomponenten in einen neuwertigen Zustand versetzen.

Im Rahmen der Erfindung werden die Turbinenkomponenten in ihrem seitlichen Endbereichen von der Hinterkante ausgehend zum Freisetzen von Spannungen in der Turbinenkomponente vor dem Aufbauen der Hinterkante geschlitzt. Danach, aber vor dem Plasma-Spritzen des geschmolzenen, die Oberflächen wieder aufbauenden Metalls, werden diese Schlitze durch Schweißen wieder geschlossen. Dieses Schlitzen verhindert ein Verziehen der behandelten aerodynamischen Turbinenkomponenten während des erneuten Aufbaues der Oberflächen.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird bei Turbinenkomponenten mit stark abgewetzten Hinterkantenbereichen vor dem Aufbringen der Schweißraupen auf der konvexen und der konkaven Oberfläche zunächst die Hinterkante auf ihre Länge zwischen den Schlitzen mit einer Schweißraupe belegt.

Vorzugsweise kann man Kühldurchlässe bzw. Luftdurchlässe in den Schaufeln bzw. dgl. vor dem Plasma-Spritzen ebenfalls durch Schweißen verschließen. Wenn die Oberflächen der Turbinenkomponenten dann wieder durch Schleifen und Oberflächenbehandlung in ihre Original-Konturen gebracht sind, werden solche Kühldurchlässe 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 erneutes Produkt hoher Qualität, das gleiche Betriebserfordernisse erfüllt, wie entsprechende neue Originalersatzteile. Die zum erneuten Aufbau der abgenutzten Oberflächen aufgetragene Metallegierung entspricht der Original-Metallurgie des Werkstücks, wenngleich ein Zusatz von Silizium im Metallpulver benutzt wird, da solches Silizium im Plasmastrom völlig wegbrennt bzw. weggeblasen wird.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung finden sich in der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung. Es zeigt

Fig. 1 eine Seitenansicht der konvexen Seite einer im Verfahren gemäß der Erfindung erneuerten Turbinenschaufel,

Fig. 2 eine Seitenansicht der konkaven Seite der Turbinenschaufel,

Fig. 3 einen Schnitt nach der Linie 3-3 der Fig. 1,

Fig. 4 einen Schnitt nach der Linie 4-4 der Fig. 2,

Fig. 5 eine wesentlich vergrößerte Darstellung des Ausschnittes X-X der Fig. 3,

Fig. 6 eine Ansicht der konvexen Seite einer verschlissenen Turbinenschaufel, wobei gewisse Verfahrensschritte für die Behandlung dieser Turbinenkomponente illustriert werden,

Fig. 7 eine Ansicht der konkaven Seite der Turbinenschaufel gemäß Fig. 6, wobei die auf der Turbinenschaufel vor dem Plasma-Spritzen angebrachten Schweißraupen gezeigt sind,

Fig. 8 einen Schnitt nach der Linie 8-8 der Fig. 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 Teildarstellung einer Schleifvorrichtung zum Abschleifen gesteuerter Mengen von aufgebautem Oberflächenmaterial an der Turbinenschaufel.

Die Fig. 1 bis 4 zeigen eine fertig bearbeitete oder erneuerte Turbinenschaufel 10 mit konvexen und konkaven Oberflächen 12, 14 einer Vorderkante 16 und einer Hinterkante 18. Die Schaufel 10 hat einen aerodynamisch geformten Innenraum 20 und Kühl- oder Luftdurchlässe 22, die mit diesem in Verbindung stehen. Die Turbinenschaufel 10 gemäß Fig. 1 bis 4 ist im Verfahren gemäß der Erfindung erneuert worden, und die Fig. 3 und 4 zeigen im Querschnitt eine Auftragsschicht 24, die in einem Plasma-Spritzvorgang auf die Schaufeloberfläche aufgetragen worden ist. Das Auflagemetall dieser Auftragsschicht 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 zusätzlichem Silizium in dem beim Plasma-Spritzen benutzten Metallpulver erreicht. Mit der Zugabe von 10% Silizium zum Metallpulver ist das Abbrennen des Siliziums während des Plasma-Spritzens derart, daß die sich ergebende Legierung der Auflage im wesentlichen auf die gleiche Legierung wie das Grundmaterial eingestellt werden kann. Das Grundmetall kann beispielsweise etwa folgende Zusammensetzung aufweisen:

Chemische Analyse des Grundmetalls in Gewichtsteilen

1) Kohlenstoff
0,09
2) Silizium	0,22
3) Mangan	1,55
4) Posphor	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.

Die Bindung zwischen dem Grundmetall der Flächen 12, 14 und den Bereichen 24 des Auflagemetalls 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 Fig. 6 zeigt, wird eine im Verfahren gemäß der Erfindung zu erneuernde Turbinenschaufel 10 benachbart zu den Endflanschen 28 mit Schlitzen 26 versehen, die parallel zu diesen Endflanschen und in Abstand verlaufen. 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. Solche Schweißraupen liegen im Abstand von der Hinterkante 18 und erstrecken sich im wesentlichen gleichgerichtet mit dieser.

Wie Fig. 7 zeigt, werden die Luftdurchlässe 22 durch Schweißraupen 40 verschlossen. Sodann werden die Schlitze 26 wieder mittels Schweißraupen 42 zugeschweißt. Danach wird auf die aerodynamischen Oberflächen eine Auftragsschicht 24 aus Metallegierung, wie in Fig. 8 gestrichelt dargestellt, durch Plasma-Spritzen aufgebracht. Dies wird mit einem Gerät nach Fig. 9 ausgeführt, die eine Plasma-Spritzvorrichtung 48 mit Düse 50 wiedergibt. Von dieser Düse tritt ein feiner Strahl 52 von geschmolzenen Metallteilchen aus. Die Spritzvorrictung 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. Vor dem Plasma-Metallspritzen kann eine Oberflächenbehandlung an dem zu behandelnden Turbinenschaufeln ausgeführt werden, beispielsweise in Form von Sandstrahlen oder Schrotstrahlen.

Die Darstellungen der Fig. 6 bis 8 illustrieren Schritte in der Vorbereitung einer verschlissenen Turbinenschaufel vor dem Aufbauen der Oberflächen durch Plasma-Metallspritzen.

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 fluoreszierenden 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.
6) Die Luftdurchlässe werden durch Schweißen verschlossen.
7) Alle Risse auf der aerodynamischen Fläche im Bereich der Vorderkante und der Hinterkante werden verschweißt.
8) Wenn die Hinterkantenbereiche der Turbinenschaufeln durch Verschleiß dünn geworden sind, werden sie durch Schweißen aufgebaut, vorzugsweise unter Benutzung eines Wolfram- Inertgas-Schweißprozesses mit Schweißstäben aus einer im wesentlichen gleichen Legierung wie das Grundmetall.
9) Die konvexe und die konkave Oberfläche des Schaufelkörpers werden in der Nähe, aber 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.
11) Die verschlissenen aerodynamischen Oberflächen werden dann durch Plasma-Metallspritzen mit einem Metall-Legierungspulver mit gleicher Zusammensetzung wie das Grundmetall einem 10%igen Zusatz von Silizium behandelt.
12) Die Turbinenschaufeln werden in einem Vakuum- oder Wasserstoffofen (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 Fig. 10 gezeigten Maschine 54 mit einem Schleifband 56, das über eine Trommel oder Walze 58 läuft, um die Original-Oberflächen-Abmessungen wieder herzustellen.
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 einer Endkontrolle bezüglich Genauigkeit ihrer Abmessungen unterworfen.

Fig. 5 zeigt eine Mikrofotografie eines Schnittes durch eine erneuerte Turbinenschaufel im Bereich X-X der Fig. 3. Fig. 5 stellt eine hundertfache Vergrößerung dar. Der Schnitt durch die Auftragsschicht 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 Auftragsschicht 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.

Gemäß der Erfindung erneuerte Turbinenschaufeln 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 ist hervorragend ohne jeglichen Hinweis auf ein Abtrennen oder Lösen an irgendwelchen Punkten um den Umfang des aerodynamischen Profils. Eine spektro-chemische Analyse des Auflagematerials wies eine Legierung wie das Grundmetall aus. Darüber hinaus 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 Turbinenschaufeln bestehen. Dementsprechend stellt die Erfindung eine beträchtliche Verbesserung und einen wesentlichen Fortschritt der Technik dar.

Wenn die Erfindung im obigen Beispiel an Turbinenschaufeln erläutert wird, so ist ersichtlich, daß auch andere aerodynamische Turbinenkomponenten in gleichem Verfahren behandelt werden können.

Claims

1. Verfahren zur erneuernden Oberflächenbehandlung von aerodynamischen Turbinenkomponenten, wie Laufschaufeln und Leitschaufeln, bei dem die zu behandelnde Turbinenkomponente nach Reinigen ihrer Oberfläche und Inspektion einer Auftragsschweiß-Behandlung mit gleichzeitigem Verschweißen von Rissen, sodann einer Wärmebehandlung und schließlich einer materialabtragenden Oberflächenbearbeitung zum Wiederherstellen der ursprünglichen Oberflächengestalt sowie Oberflächenbehandlungen zum Wiederherstellen der Oberflächenbeschaffenheit unterworfen wird, gekennzeichnet durch die Merkmale

a) Die Turbinenkomponente (10) wird vor dem Auftragschweißen einer ersten Wärmebehandlung unterzogen und nach Abkühlen in ihren seitlichen Endbereichen, ausgehend von der Hinterkante (18), annähernd 25 mm tief geschlitzt;
b) zusätzlich zum Verschweißen der Risse werden die konvexe und/oder die konkave Oberfläche (12 bzw. 14) der Turbinenkomponente (10) in Flächenbereichen nahe der, aber in Abstand von der Hinterkante (18) mit bis zu 0,75 bis 1,02 mm dicken, sich im wesentlichen parallel zur Hinterkante (18) erstreckenden Schweißraupen (34 bzw. 36) aus einer weitgehend dem Grundmetall entsprechenden Metallegierung belegt und danach die vorher angebrachten Schlitze (26) durch Schweißen wieder verschlossen;
c) nach Aufrauhen und erneutem Reinigen werden die konvexe und konkave Oberfläche (12, 14) der Turbinenkomponente (10) durch Plasma-Metallspritzen eines weitgehend entsprechend der Grundmetallegierung zusammengesetzten Metallpulvers zusätzlich zu den Schweißraupen (34, 36) mit einer Auftragschicht (24) versehen, deren Dicke an der Vorderkante (16) der Turbinenkomponente (10) bis zu 0,75 bis 1,02 mm beträgt und nach deren Hinterkante (18) zu abnimmt;
d) die danach erfolgende zweite Wärmebehandlung wird in Form eines Sintervorganges durchgeführt, bevor durch die materialabtragende Oberflächenbearbeitung die ursprüngliche Oberflächengestalt wieder hergestellt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Turbinenkomponenten (10) mit stark abgenutzten Hinterkantenbereichen vor dem Aufbringen der Schweißraupen (34, 36) auf die Oberflächen (12, 14) zunächst die Hinterkante (18) auf ihre Länge zwischen den Schlitzen (26) mit einer Schweißraupe (30) belegt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Hinterkante (18) der Turbinenkomponente (10) benachbarte Luftdurchlässe (22) vor dem Plasma-Metallspritzen mit Schweißraupen (40) verschlossen und nach der materialabtragenden Oberflächenbearbeitung wieder eingeschnitten werden.