DE60103612T2

DE60103612T2 - Verfahren zum Reparieren einer keramischen Beschichtung

Info

Publication number: DE60103612T2
Application number: DE60103612T
Authority: DE
Inventors: Dr. Abdus S. Khan; Dr. John Fernihough; Dr. Maxime Konter
Original assignee: Alstom Technology AG
Current assignee: General Electric Technology GmbH
Priority date: 2001-04-21
Filing date: 2001-04-21
Publication date: 2005-06-16
Anticipated expiration: 2021-04-22
Also published as: US6890587B2; EP1251191A1; JP2002348682A; DE60103612D1; EP1251191B1; US20020164417A1

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reparatur eines Keramiküberzugs einer Komponente gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1. Derartige Verfahren sind beispielsweise aus EP-A1-0808913 bekannt.
STAND DER TECHNIK
Komponenten, die zur Anwendung im Hochtemperaturbereich entwickelt wurden, z.B. eine Schaufel oder ein Flügel einer Gasturbine, sind normalerweise mit Umwelteinflüssen gegenüber widerstandsfähigen Überzügen versehen. Der Überzug schützt das Grundmaterial vor durch Wärmewirkung der heißen Umgebung verursachter Korrosion und Oxidation und besteht aus einer Legierung, die hauptsächlich die Elemente Al und Cr enthält. Die meisten Turbinenkomponenten sind zum Schutz vor Oxidation und/oder Korrosion mit beispielsweise einem MCrAlY-Überzug (Grundüberzug) beschichtet, einige sind auch zur Wärmeisolierung mit einer Wärmesperrschicht (TBC) überzogen. MCrAlY-Schutzschichtüberzüge sind im Stand der Technik gut bekannt. Es handelt sich hierbei um eine Familie von Hochtemperaturüberzügen, wobei M ausgewählt ist aus Eisen, Nickel und Cobalt oder einer Kombination davon. Beispielsweise offenbaren US-A-3,528,861 oder US-A-4,585,481 derartige oxidationsbeständige Überzüge. US-A-4,152,223 offenbart ebenfalls ein Verfahren zum Überziehen sowie den eigentlichen Überzug.
Außerdem sind Wärmesperrschichten (Thermal-Barrier-Coatings (TBC)) im Stand der Technik aus verschiedenen Patenten bekannt. US-A-4,055,705, US-A-4,248,940, US-A-4,321,311 oder US-A-4,676,994 offenbaren einen TBC-Überzug zur Verwendung für Turbinenschaufeln oder -flügel. Als Keramikwerkstoff wird mit Yttriumoxid stabilisiertes Zirkondioxid verwendet und durch Plasmaspritzen (US-A-4,055,705, US-A-4,248,940) oder mittels eines Elektronenstrahl-Verfahrens (US-A-4,321,311, US-A-4,676,994) auf den MCrAlY-Überzug aufgetragen.
Die Betriebsanforderungen, denen die Teile einer Gasturbine ausgesetzt sind, führen häufig zu einem Qualitätsverlust des Überzugs, bevor die Unversehrtheit des Gefüges des darunter liegenden Teils selbst gefährdet ist. Deswegen müssen Grundüberzug und TBC entfernt und erneut aufgetragen werden. Derartige Verfahren sind aus EP-A2-813 930, EP-A1-298 309, US-A-6,158,957, US-A-6,132,520, US-A-6,146,692, US-5,728,227, US-A-5,614,054 und US-A-5,900,102 bekannt. Zahlreiche dieser Erfindungen, wie US-A-5,972,424, US-A-6,158,957, US-A-6,132,520 und US-A-6,146,692, betreffen das Entfernen des TBC durch Ätzbehandlung in einem Autoklav bei gemäßigten bis erhöhten Temperaturen und Drücken. Ein zweites, häufig verwendetes Verfahren ist die Behandlung mit gasförmigem Fluorid, wie gasförmigem Fluorwasserstoff, wie in US-A-5,728,227 oder US-A-5,614,054 offenbart. Bei einem weiteren Verfahren, US-5,900,102, wurde der TBC durch eine Behandlung mit einer Mischung aus Pulvern bestehend aus einem halogenhaltigen Aktivator (d.h. Ammoniumfluorid, -chlorid usw.), metallischem Aluminium und inertem Aluminiumoxid als Füllstoff entfernt, wobei das Reaktionsprodukt wiederum wie in der vorstehend genannten Literatur ein gasförmiges Fluorid ist. Es sei bemerkt, dass keine der vorstehend genannten Erfindungen, obwohl sie nur Verfahren zum Entfernen des beschädigten TBC von einer Komponenten lehren, ein neues oder verbessertes Verfahren oder einen solchen Prozess zum erneuten Überziehen der Komponenten, von der der TBC entfernt wurde, bereitstellen – im Stand der Technik wird der TBC einfach durch herkömmliche Plasmasprühverfahren erneut aufgetragen.
Die bekannten US-A-5,759,932 und US-A-5,985,368 offenbaren jedoch Verfahren, wobei der TBC als Aufschlämmung auf die Oberfläche aufgetragen wird. Im Wesentlichen wird das mit Yttriumoxid stabilisierte, pulverförmige Zirkondioxid mit/ohne porösen Zirkondioxidkügelchen in einem Farbenmischer mit einem Silikonharz, SR-350, und einem Schmiermittel, WCON-50MB-2000, vermischt.
Es ist ebenfalls bekannt, dass bei Turbinenschaufeln und anderen Komponenten extrem hohe Oberflächentemperaturen während des Betriebs nur in eingegrenzten Bereichen auftreten, wohingegen die restliche Komponentenoberfläche eine gemäßigte Temperatur aufweist. Das bedeutet, dass der Qualitätsverlust der vor Umwelteinflüssen schützenden Überzüge mit Abstand am meisten in diesen eingegrenzten Hochtemperaturbereichen auftritt, die ungefähr 5 bis 20 % der Gesamtoberfläche des gesamten Teils ausmachen, und nur mäßig auf der restlichen Oberfläche.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum lokal begrenzten Reparieren von Komponenten mit Wärmesperrschicht zu finden. Dieses Verfahren sollte besonders für die lokal begrenzte Reparatur von Turbinenschaufeln und -flügeln von Gasturbinenmotoren für flugtechnische und industrielle Zwecke geeignet sein. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung eines Verfahrens zum Reparieren eines TBC vor Ort.
Erfindungsgemäß wurde ein Verfahren zum Reparieren eines Gegenstands mit einem Keramiküberzug gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 gefunden, wobei

– in den Spallationsbereichen eine Mischung umfassend ein Pulver aus Zirkondioxid, das mit Yttriumoxid, Calciumoxid, Scandiumoxid, Magnesiumoxid, Ceriumoxid und anderen Oxiden der seltenen Erden oder einer Mischung davon stabilisiert ist, und hydrierten Metallhalogeniden als Bindemittel aufgetragen wird, wonach
– die aufgetragene Mischung aus Keramikpulver und Bindemittel getrocknet wird.

Die Mischung aus stabilisiertem Zirkondioxidpulver und hydrierten Metallhalogeniden als Bindemittel wird vorteilhaft als Aufschlämmung nur mit Wasser oder mit Wasser zusammen mit Alkohol unter Verwendung von hydriertenen Aluminiumchloriden vor dem Auftragen auf die genannten Bereiche hergestellt. Die Viskosität der Aufschlämmung kann durch Zugabe von destilliertem Wasser alleine oder durch Zugabe von Wasser zusammen mit Alkohol eingestellt werden, um eine passende Fließfähigkeit während des Sprühens zu erhalten. In einigen Fällen reicht die Viskosität des hydrierten Metallhydrids aus, so dass keine Zugabe von Wasser oder Alkohol zur Aufschlämmung erforderlich ist, um die gewünschten Eigenschaften zu erzielen. Zur Mischung aus stabilisiertem Zirkondioxidpulver und hydrierten Metallhydriden können hohle Zirkondioxidkügelchen gegeben werden, um vorteilhaft einen höheren wirksamen Porositätsgehalt des TBC zu erhalten.
In einer Ausführungsform wird der Aufschlämmungsüberzug bei einer Temperatur zwischen 20 °C und 100 °C getrocknet und abschließend bei 55 bis 750 °C einer Wärmebehandlung unterzogen, um sich bildende Halogene, Halogengas oder Restwasser zu entfernen.
Mit diesem Verfahren werden sowohl Zeit als auch Investitionskosten gespart, da das Säubern und das erneute Überziehen der gesamten Oberfläche der Komponente mit herkömmlichen Mitteln wie Plasmasprühen nicht nötig sind.
Das Bindemittel aus hydriertem Metallhalogenid kann aus einem hydrierten Metallhalogenidbestandteil, wie hyd riertem Aluminiumchlorid und/oder hydrierten Halogeniden von Magnesium, Calcium, Yttrium, Zirkon, Strontium, Barium, einschließlich anderer hydrierter Halogenide der seltenen Erden, oder einer Kombination davon bestehen.
In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform liegt die Größe der einzelnen Pulverteilchen des stabilisierten Zirkonpulvers im Bereich von 5 bis 150 μm, was vorteilhaft eine höhere Festigkeit und längere Lebensdauer der Komponente während des Betriebs birgt.
Die Erfindung eignet sich insbesondere beim Auftragen auf Gegenstände wie Schaufeln, Flügel oder andere Komponenten von Gasturbinen, die bei hohen Temperaturen betrieben werden und mit einem TBC überzogen sind.
GENAUE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reparatur eines Gegenstands mit einem TBC-Überzug, der einer Hochtemperaturumgebung ausgesetzt ist oder durch den Transport nach der Herstellung beschädigt wurde. Die Beschädigung der Komponente besteht in einer Spallation des TBC, die sich auf die Bereiche beschränkt, die während des Betriebs den höchsten Temperaturen ausgesetzt sind, oder auf Bereiche, die aufgrund einer Beschädigung durch Fremdgegenstände während des Betriebs in der Gasturbine Stößen ausgesetzt sind. Im Falle einer Beschädigung während der Verschiffung oder eines anderen Transports sind die betroffenen Bereiche auf die Bereiche des TBC beschränkt, die aufgrund falscher Handhabung oder Verpackung Stößen durch harte Objekte ausgesetzt sind. Bei dem Gegenstand kann es sich möglicherweise um eine Schaufel oder einen Flügel oder einen anderen Teil eines Gasturbinenmotors, wie einen Teil einer den heißen Gasen der Gasturbine ausgesetzten Brennkammer handeln, wobei der Gegenstand zum Schutz vor Oxidation mit einem MCrAlY-Überzug be schichtet ist. Auf der MCrAlY-Schicht ist eine Wärmesperrschicht aufgebracht, die z.B. aus verschiedenen Patenten wie US-A-4,055,705, US-A-4,248,940, US-A-4,321,311 oder US-A-4,676,994 bekannt ist.
Als Grundmaterial wird häufig eine Superlegierung auf Basis von z.B. Ni oder Co verwendet. Eine Superlegierung auf Ni-Basis ist beispielsweise im Patent US-A-5,759,301 offenbart.
Dem Fachmann ist bekannt, dass diese Art vorstehend beschriebener lokal begrenzter Schäden die Lebensdauer des TBC auf der restlichen Komponente wenn überhaupt nur geringfügig beeinflussen. Der TBC in unmittelbarer Nähe der Spallationsbereiche wird jedoch häufig geschwächt und muss entfernt werden und außerdem befinden sich häufig geringe Restmengen TBC im Spallationsbereich. Aus diesem Grund muss erfindungsgemäß das gesamte angegriffene TBC-Material neben dem Spallationsbereich entfernt werden, um eine qualitativ hochwertige Reparatur zu gewährleisten, und jegliche TBC-Reste im Spallationsbereich müssen entfernt werden, um eine ordnungsgemäße Bindung des TBC-Reparaturmaterials sicherzustellen. Der keramische TBC-Überzug kann lokal mittels beliebiger herkömmlicher Schleifverfahren, wie Sandstrahlen oder Schleifen, und/oder mittels chemischem Ablösen, wie chemischem Beizen mit einer Säure und/oder einer Säuremischung, erfolgen. Es sollte auch alles restliche oxidierte MCrAlY-Material des Überzugs mit Hilfe der vorstehend genannten Verfahren entfernt werden, um eine qualitativ hochwertige Oberfläche für das aufzutragende Reparaturmaterial bereitzustellen.
In den Bereichen, in denen der Keramiküberzug lokal begrenzt entfernt wurde, wird eine Mischung umfassend ein Pulver aus Zirkondioxid, das mit Yttriumoxid, Calciumoxid, Scandiumoxid, Magnesiumoxid, Ceriumoxid und Oxiden der seltenen Erden oder einer Mischung davon stabilisiert ist, und hydrierte Metallhalogeniden als Bindemittel aufgetragen und die aufgetragene Mischung bei gemäßigten Temperaturen getrocknet, wodurch die Bestandteile eine zähe Bindung eingehen. In einer Ausführungsform wird der Aufschlämmungsüberzug bei einer Temperatur zwischen 20 °C und 100 °C getrocknet und abschließend bei 55 bis 750 °C einer Wärmebehandlung unterzogen, um sich bildende Halogenverbindungen, Halogengase oder Restwasser und/oder -alkohol zu entfernen.
Die Mischung aus stabilisiertem Zirkondioxidpulver und hydrierten Metallhalogeniden kann die gewünschte Konsistenz und Viskosität sowie die gewünschten Bindungseigenschaften und Trockeneigenschaften ohne weitere Zusätze bieten. In einigen Fällen ist es jedoch vorteilhaft, der Mischung destilliertes Wasser und/oder Alkohol zuzusetzen, um die Viskosität der Aufschlämmung weiter zu kontrollieren und eine zum Auftragen geeignete Fließfähigkeit zu erreichen.
Das Bindemittel aus hydriertem Metallhalogenid kann aus einem hydrierten Metallhalogenidbestandteil, wie hydriertem Aluminiumchlorid und/oder hydrierten Halogeniden von Magnesium, Calcium, Yttrium, Zirkon, Strontium, Barium, einschließlich anderer hydrierter Halogenide der seltenen Erden, oder einer Kombination davon bestehen. Als Bindemittel werden bei dieser Anwendung besonders vorteilhaft hydrierte Metallhydride verwendet. Dem Fachmann ist bekannt, dass beispielsweise hydriertes Aluminiumchlorid, wenn es höheren Temperaturen ausgesetzt ist, zu Chlorwasserstoff und Wasser, die abdampfen, und Aluminiumoxid zerfällt, das das mit Yttriumoxid stabilisierte Zirkondioxid an sich und das Substrat bindet und im TBC alpha-Aluminiumoxid bildet, das bekanntermaßen Oxidationsbeständigkeit verleiht.
In einer vorteilhaften Ausführungsform liegt die Größe der einzelnen Pulverteilchen des stabilisierten Zirkonpulvers im Bereich von 5 bis 150 μm, was vorteilhaft eine höhere Festigkeit und längere Lebensdauer der Komponente während des Betriebs birgt.
Die Mischung aus stabilisiertem Zirkondioxidpulver und hydrierten Metallhydriden kann durch Streichen, Sprühen der Aufschlämmung oder als Paste aufgetragen werden. In einigen Fällen ist es außerdem vorteilhaft, eine erste Schicht einer hoch fluiden Aufschlämmung aufzutragen, um den zu reparierenden, lokal begrenzten Bereich maximal zu benetzen und so eine gute Bindung der nächsten Schicht des Reparaturmaterials mit der Oberfläche bereitzustellen, wonach eine mehr viskose Form der Aufschlämmung aufgetragen wird, die eine optimale Struktur während des Trocknens sicherstellt.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren werden sowohl Zeit als auch Investitionskosten gespart, da das Entfernen und das erneute Überziehen des gesamten mit TBC beschichteten Abschnitts der Komponente mit herkömmlichen Mitteln wie Plasmasprühen nicht nötig ist. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass das Reparaturverfahren schnell ist und bei Wahl der passenden Ausrüstung vor Ort ohne Ausbau der Komponente aus der Motoranordnung und ohne Versenden der Komponente an eine Werkstatt durchgeführt werden kann.
Die Erfindung ist besonders vorteilhaft, wenn auf eine Schaufel oder einen Flügel oder eine andere Komponente einer Gasturbine aufgetragen, die aus einer Legierung mit Nickel oder Cobalt als Grundmaterial besteht, die einem Hochtemperaturbereich ausgesetzt und mit TBC beschichtet ist.

Claims

Verfahren zum Reparieren eines Keramiküberzugs eines Gegenstands nach der Beschädigung aufgrund des Transports nach der Herstellung oder der Verwendung des Gegenstands in einem Hochtemperaturbereich, wobei a. Reste des Keramiküberzugs neben und in den Spallationsbereichen entfernt werden, b. die Spallationsbereichen durch herkömmliche Verfahren wie chemische Behandlung, Sandstrahlen oder Schleifen für ein lokal begrenztes Beschichten vorbereitet werden, dadurch gekennzeichnet, dass c. in den Spallationsbereichen eine Mischung umfassend ein Pulver aus Zirkondioxid, das mit Yttriumoxid, Calciumoxid, Scandiumoxid, Magnesiumoxid, Ceriumoxid und anderen Oxiden der seltenen Erden oder einer Mischung davon stabilisiert ist, und hydrierten Metallhalogeniden als Bindemittel aufgetragen wird, wonach d. die aufgetragene Mischung aus Keramikpulver und Bindemittel getrocknet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Mischung aus stabilisiertem Zirkondioxidpulver und hydrierten Metallhalogeniden als Bindemittel als Aufschlämmung nur mit Wasser oder mit Wasser zusammen mit Alkohol unter Verwendung von hydrierten Aluminiumchloriden vor dem Auftragen auf die genannten Bereiche hergestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Aufschlämmung bei einer Temperatur zwischen 20 °C und 100 °C ge trocknet und abschließend bei 55 bis 750 °C einer Wärmebehandlung unterzogen wird.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei zur Mischung aus stabilisiertem Zirkondioxidpulver und hydrierten Metallhydriden hohle Zirkondioxidkügelchen gegeben werden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Bindemittel aus hydriertem Metallhalogenid aus einem hydrierten Metallhalogenidbestandteil, wie hydriertem Aluminiumchlorid und/oder hydrierten Halogeniden von Magnesium, Calcium, Yttrium, Zirkon, Strontium, Barium, einschließlich anderer hydrierter Halogenide der seltenen Erden, oder einer Kombination davon besteht.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Größe der einzelnen Pulverteilchen des stabilisierten Zirkonpulvers im Bereich von 5 bis 150 μm liegt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Mischung aus stabilisiertem Zirkondioxidpulver und hydrierten Metallhydriden durch Streichen, Sprühen der Aufschlämmung oder als Paste aufgetragen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei es sich bei dem Gegenstand um eine Schaufel oder einen Flügel oder eine andere Komponente eines Gasturbinenmotors handelt, die aus einer Legierung mit Nickel oder Cobalt als Grundmaterial besteht, die einem Hochtemperaturbereich ausgesetzt und mit TBC beschichtet ist.