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Erfindungsgebiet
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Entfernen mindestens
einer Metallschicht eines Schichtsystems, insbesondere zum Aufarbeiten von
beschichteten Gasturbinenschaufeln oder -leitschaufeln.
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Allgemeiner
Stand der Technik
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Bei
den heute verwendeten modernen Kraftwerken spielt die hocheffiziente
Gasturbine eine immer wichtigere Rolle. Dementsprechend gibt es
ständig
Bemühungen
dahingehend, die Effizienz einer Gasturbinenanlage zu verbessern.
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Ein
Weg, dies zu erzielen, und der am meisten verwendete, besteht darin,
die Turbineneinlaßtemperaturen
der Verbrennungsgase heraufzusetzen. Die sich drehenden Schaufeln
und stationären Leitschaufeln
(die beide aus hochfesten Nickel- oder Kobaltbasis-Superlegierungen
hergestellt sind) im heißen
Abschnitt sind einer Reihe von Angriffsmechanismen ausgesetzt (z.B.
Oxidation, Sulfidation und Nitridation).
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Erhebliche
Bemühungen
wurden auf die Entwicklung von Schutzbeschichtungen verwendet. Diese
Beschichtungen sind dafür
ausgelegt, Korrosionsangriffe der darunterliegenden Superlegierung
zu verhindern. Die Oxidation und Korrosion werden auf und/oder in
der Schutzschicht lokalisiert, weshalb Beschädigungen des verwundbaren Basismaterials eingeschränkt werden.
Typische Beschichtungen dieser Art sind Platin-Aluminid-Beschichtungen, durch
thermochemische Prozesse aufgetragene Chromdiffusionsbeschichtungen
und z.B. durch Niederdruckplasmasprühen aufgetragene MCrAlY-Beschichtungen.
M ist ein Metall ausgewählt
aus der Gruppe Eisen, Kobalt, Nickel, Cr ist Chrom, Al ist Aluminium
und Y steht für
Yttrium oder ein anderes reaktives Element der Seltenerdelemente.
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Die
Zusammensetzungen dieser MCrAlY-Beschichtungen sind unterschiedlich,
doch haben sie alle die gleiche Aufgabe, nämlich das darunterliegende
Substrat vor chemischem Angriff zu schützen. Die Designlebensdauer
einer sich drehenden Schaufel oder einer stationären Leitschaufel im heißen Abschnitt
einer stromerzeugenden Gasturbine ist im allgemeinen 3- oder 4mal
länger
als die Dauerhaltbarkeit.
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Für Anwendung
bei sehr hohen Temperaturen wird oftmals zusätzlich zu der Schutzbeschichtung
eine Wärmebarrierenbeschichtung
bereitgestellt, die den Effekt hat, die metallischen Teile vor einem
heißen
Gas abzuschirmen.
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Wie
oben erwähnt, übertrifft
die Lebensdauer des teuren Superlegierungsbasiskörpers die des Schutzbeschichtungssystems.
Dementsprechend kann man sich durch Aufarbeiten des Schutzbeschichtungssystems
viele Kosten einsparen. Dieser Aufarbeitungsvorgang muß in der
Lage sein, die Komponente innerhalb eines kurzen Zeitraums wiederherzustellen.
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Wie
oben beschrieben, kann es an der Oberfläche einer Komponente im heißen Abschnitt
zu verschiedenen Arten eines chemischen Angriffs kommen. Insbesondere
werden die aktiven Elemente in der Beschichtung (d.h. Chrom und
Aluminium) zunehmend verbraucht. In einigen Fällen kann es auch, wenngleich
dies nicht erwünscht
ist, zu einem Angriff auf das Basismaterial kommen, und zwar wegen
des vollständigen
Verbrauchs des aktiven Materials in der Beschichtung oder aufgrund
einer gewissen physischen Ablösung
der Schutzbeschichtung im Betrieb (z.B. Beschädigung durch Fremdobjekt).
Wegen ihres verletzlichen Charakters kann in diesem Fall ein Substratangriff
sehr tief sein und im Fall von gleichachsigen oder gerichtet verfestigten
Materialien eine Korngrenzenpenetrierung beinhalten.
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Wie
bei einem vorausgegangen Schritt eines Aufarbeitungsvorgangs wird
alles Material der alten Beschichtung sowie korrodierte Schichten
innerhalb des Basismaterials entfernt. Alles Material dieser Art, das
während
einer Aufarbeitung nicht vollständig
entfernt wird, kann dazu führen,
daß eine
etwaige danach aufgetragene neue Beschichtung schlecht haftet. Dies
könnte
auf die zukünftige
Leistung einer derartigen Beschichtung einen ausgeprägten Effekt
haben. Außerdem
könnten
Korrosionsprodukte, die während
der Aufarbeitung nicht entfernt werden, bei Betrieb tiefer in das
Basismaterial diffundieren, wo sie die mechanischen Eigenschaften
des Basismaterials möglicherweise
beeinflussen.
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Mechanische
Ablöseverfahren
finden breite Verwendung, um abgenutzte Beschichtungen von Turbinenschaufeln
oder -leitschaufeln zu entfernen. Zu diesen Verfahren gehören das
Strahlen mit Schleifteilchen, wie etwa Aluminiumoxid oder Siliziumoxid,
und das Verschleifen mit Drehbändern,
die in die Aluminiumoxidteilchen eingebettet sind. Das Strahlen
mit körnigem
Strahlmittel kann jedoch zu Beschädigungen der Basiskörperoberfläche führen. Das
effektive Strahlen mit hoher Rate könnte dementsprechend zu einem
erheblichen Verschleiß des Basiskörpers führen.
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Aus
US-PS 4,627,197 ist
ein Verfahren zum Entfernen organischer Oberflächenschichten bekannt. Der
Teil mit der organischen Oberflächenschicht
wird gekühlt, wodurch
die Brüchigkeit
der organischen Schicht erhöht
wird, gefolgt von einem Entfernen mit Strahlverfahren.
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Die
JP 07275795 A zeigt
ein ähnliches
Verfahren zum Entfernen einer Kautschukschicht zunächst durch
Kühlen
und dann durch Beschießen
der Schicht mit Trockeneispellets.
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In
der
US-PS 4,527,844 wird
eine wärmeisolierte
Kammer für
die Chargenbehandlung von Materialien darin bei niedriger Temperatur
beschrieben.
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Aus
dem Dokument
EP 0813930 ist
ein Verfahren bekannt zum Entfernen einer Metallbeschichtung eines
Gegenstands, bei dem der Gegenstand bestrahlt und einem reduzierenden
Gemisch von Gasen ausgesetzt wird.
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Kurze Darstellung
der Erfindung
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Gemäß dem Obengesagten
besteht eine Aufgabe der Erfindung in der Beschreibung eines Verfahrens
zum effektiven Entfernen insbesondere einer verschlechterten Metallschicht,
wodurch das darunterliegende Substrat oder andere Schichten nicht
beeinflußt
werden.
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Gemäß der Erfindung
offenbart die metallische verschlechterte Schicht bei einer tieferen
Temperatur als Raumtemperatur eine höhere Tieftemperaturversprödung als
das darunterliegende Substrat oder die darunterliegenden Schichten,
da sich ein brüchiges
Material durch einen Strahlprozeß leichter entfernen läßt. Dieser
Effekt ist der sogenannte Versprödungseffekt.
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Indem
die Metallschicht bzw. Schichten gekühlt werden, wobei das Material
dieser Schichten im Vergleich zum Substrat eine höhere Versprödung aufweist,
kann bzw. können
sie leichter durch einen abreibenden Strahlprozeß wie Sandstrahlen, Strahlen
von Keramikteilchen oder sogar nicht abreibende Strahlprozesse wie
Wasserstrahl-Bestrahlen oder Bestrahlen mit Trockeneispellets entfernt
werden.
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Das
Schichtsystem mit der Metallschicht kann wegen der guten Wärmeübertragung
in einer Flüssigkeit
auf einem Schichtsystem im festen Zustand effektiv in flüssigen Gasen
wie Stickstoff, Sauerstoff oder Kohlendioxid gekühlt werden.
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Das
Schichtsystem kann gekühlt
werden, indem teilweise die Metallschicht oder das ganze Schichtsystem
gekühlt
wird.
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Das
Verfahren bewirkt bevorzugt einen anderen Effekt, durch den sich
die Metallschicht noch leichter entfernen läßt, der sogenannte Temperatur-Spannungs-Effekt.
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Die
Metallschicht weist bei niedriger Temperatur unter Raumtemperatur
eine höhere
thermische Zusammenziehung als das Substrat oder darunterliegende
Schichten auf, und zwar wegen eines höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten
zumindest teilweise von Raumtemperatur auf Tieftemperatur und/oder wegen
einer Temperaturdifferenz zwischen dem Substrat oder darunterliegenden
Schichten und der Metallschicht. Diese unterschiedliche thermische
Zusammenziehung führt
zu einer mechanischen Spannung zwischen der verschlechterten Schicht
und den darunterliegenden Schichten oder dem darunterliegenden Substrat.
Indem nur eine geringe Energiemenge eingegeben wird, die durch einen
mechanischen Aufschlag verursacht wird, wird die Spannung über einen
Abplatzschwellwert hinaus erhöht,
was zum Abplatzen der Metallschicht führt. Es wird kein Schleifprozeß zum Entfernen
der Schicht benötigt.
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Das
Verfahren gemäß der Erfindung
kann sowohl den Temperatur-Spannungs-Effekt als auch den Versprödungseffekt
nutzen.
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Dieses
Verfahren wird bevorzugt für
das Aufarbeiten von Leitschaufeln oder Schaufeln einer Gasturbine
verwendet, die einen Superlegierungsbasiskörper aufweisen. Die Metallschicht
ist eine sogenannte MCrAlY-Schicht, die insbesondere durch Korrosionsprodukte
verschlechtert ist.
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Das
Verfahren kann durch die folgenden Schritte oder Eigenschaften weiter
verbessert werden:
- (a) Der Strahlprozeß ist ein
Abriebprozeß,
- (b) der Strahlprozeß ist
ein Nicht-Abriebprozeß,
- (c) der Strahlprozeß ist
ein Sandstrahlprozeß,
- (d) Trockeneisteilchen werden für den nicht abreibenden Strahlprozeß verwendet,
- (e) das Schichtsystem wird in flüssigem Stickstoff gekühlt,
- (f) die Metallschicht wird stärker gekühlt als das Substrat,
- (g) die Metallschicht weist bei einer Temperatur (LT) unter
Raumtemperatur eine höhere
Tieftemperaturversprödung
als das Substrat oder eine zusätzliche
Schicht zwischen dem Substrat und der Metallschicht auf,
- (h) die Metallschicht weist bei einer niedrigen Temperatur (LT)
unter Raumtemperatur im Vergleich zu dem Substrat oder einer zusätzlichen Schicht
zwischen dem Substrat und der Metallschicht einen höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten
auf, was zu einer mechanischen Spannung zwischen der Metallschicht
und der zusätzlichen
Schicht oder dem Substrat führt,
wenn die Kühlung
durchgeführt
wird,
- (i) das Entfernen zumindest der Metallschicht wird gesteuert,
- (j) das Ablösen
von Restteilen zumindest der Metallschicht mit einem mechanischen
oder chemischen Prozeß,
- (k) zumindest die Metallschicht umfaßt ein brüchiges Material,
- (l) das Substrat besteht aus einer Superlegierung,
- (m) die Metallschicht umfaßt
eine Legierung der Gruppe MCrAlY,
- (n) der gekühlte
Teil des Schichtsystems wird zumindest teilweise wieder erhitzt.
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Außerdem führen alle
Kombinationen von a) bis n) zu einer Verbesserung des erfindungsgemäßen Verfahrens
nach Anspruch 1.
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Kurze Beschreibung der
Zeichnungen:
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1a zeigt
ein Schichtsystem mit einer Metallschicht bei Raumtemperatur mit
bekannten Materialpara metern, 1b zeigt
eine verschlechterte Oberfläche
im Detail,
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2 zeigt
ein gekühltes
Schichtsystem mit Materialparametern bei niedriger Temperatur und
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3 zeigt
ein gekühltes
Schichtsystem mit zwei Schichten und
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4a bis f zeigt
mehrere Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Ausführliche
Beschreibung der Erfindung
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Die
Erfindung kann in vielen verschiedenen Formen verkörpert werden
und sollte nicht so ausgelegt werden, als wenn sie auf die hier
dargelegten veranschaulichten Ausführungsformen beschränkt sei.
Vielmehr werden diese dargestellten Ausführungsformen bereitgestellt,
damit die vorliegende Offenbarung eingehend und vollständig ist
und der Schutzbereich der Erfindung dem Fachmann in vollem Umfang
vermittelt wird.
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1a zeigt
ein Schichtsystem 1, das z.B. aus einem Metallsubstrat 7 und
einer Metalloberflächenschicht 4 besteht,
die verschlechtert sein kann (1b).
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Das
Schichtsystem 1 kann andere, unter der Oberflächenschicht 4 liegende
Schichten offenbaren (3).
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Das
Schichtsystem 1 ist beispielsweise für eine Turbinenschaufel ausgelegt,
bei der das Substrat 7 z.B. ein Superlegierungsbasismaterial
(z.B. Ni-Cr mit Ni3Al) und die Metalloberflächenschicht 4 eine
sogenannte MCrAlY-Beschichtung ist, wobei M für ein Metall von Fe, Co, Ni
steht, Cr Chrom ist, Al Aluminium ist und Y Yttrium oder ein beliebiges
Seltenerdelement oder eine Mischung von Seltenerdelementen ist.
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1b zeigt
eine verschlechterte Metallschicht 4 mit Korrosionsprodukten 5 an
einer Oberfläche 3 oder
in einer bestimmten Tiefe von der Oberfläche 3.
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Um
den teueren Basiskörper
der Turbinenschaufel, d.h. des Substrats 7, zu erhalten,
muß die verschlechterte
Schicht 4 zumindest teilweise abgelöst werden. Die verschlechterte
Schicht 4 besteht aus duktilen und brüchigen Materialien. Dieses
Entfernen muß so
erfolgen, daß im
wesentlichen keine Korrosionsprodukte 5 vorliegen. Die
Korrosionsprodukte 5 bilden nur einen Teil der Oberflächenschicht 4,
und ihre Tiefe in der Schicht 4 kann entlang der Oberfläche 3 variieren.
Die Korrosionsprodukte 5 sind oftmals Oxide und können durch
einen Strahlprozeß sogar
bei Raumtemperatur entfernt werden. Nach einem derartigen herkömmlichen
Strahlprozeß bleiben
jedoch immer noch an der Oberfläche
metallische Bereiche 6 zurück, die duktil sind und sich durch
herkömmliche
Prozesse schwer entfernen lassen. Indem die Metallschicht nun gekühlt wird,
führt die
Tieftemperatursprödigkeit
zu einer überraschend verbesserten
Effizienz des Strahlprozesses für
durch das Verfahren brüchig
gewordene Metalle.
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Für ein gleichförmiges Ablösen einer
Schicht 4 ist es erforderlich, eine gleichförmige Dicke
der Metallschicht 4 oder diese ganz zu entfernen.
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Als
zusätzlicher
Vorteil ermöglicht
die Erfindung einen Ablöseprozeß mit vergleichsweise
geringer Aufprallenergie der Strahlteilchen. Herkömmliches
Strahlen benötigt
hohe Energien für
das Entfernen von duktilem Material, was zu einer erheblichen Gefahr
der Beschädi gung
des Substrats führt.
Durch die Versprödung
des Kühlungsschritts
wird diese erheblich reduziert.
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Für das Material
des Substrats 7 sind einige Materialparameter wie die Festigkeit
(σ) und
ein Parameter, der die Brüchigkeit
des Materials anzeigt, beispielsweise die Bruchzähigkeit (K), gezeigt (1a)
sowie für
die Metalloberflächenschicht 4. Ein
hoher K-Wert entspricht einem duktilen Material.
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Zwischen
den Materialparametern des Substrats 7 und der Oberflächenschicht 4 braucht
bei Raumtemperatur (RT) keine essentielle Beziehung vorzuliegen.
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σs RT gibt die Stärke des Substrats (s) bei Raumtemperatur
an, σs LT gibt die Festigkeit
des Substrats (s) bei einer niedrigen Temperatur an, σL RT gibt die Festigkeit der Schicht (L) bei
Raumtemperatur an, σL LT gibt die Festigkeit
der Schicht (L) bei einer niedrigen Temperatur an, Ks RT gibt die Bruchzähigkeit des Substrats (s) bei
Raumtemperatur (RT) an, Ks LT gibt die
Bruchzähigkeit
des Substrats (s) bei einer niedrigen Temperatur (LT) an, KL RT gibt die Bruchzähigkeit der
Schicht (L) bei Raumtemperatur an, KL LT gibt die Bruchzähigkeit der Schicht (L) bei
einer niedrigen Temperatur an.
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2 zeigt
die Beziehung der Materialparameter zwischen dem Substrat 7 und
der Metalloberflächenschicht 4 bei
einer niedrigen Temperatur (LT), z.B. etwa 77K (flüssiger Stickstoff),
verglichen mit Raumtemperatur (RT).
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Bei
der niedrigen Temperatur (LT) weist das Material der Oberflächenschicht 4 eine
Tieftemperaturversprödung
auf, was bedeutet, daß die
Festigkeit der Oberflächenschicht 4 schließlich erhöht wird, aber
der K-Wert verringert wird, was zu einem brüchigeren Material führt.
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Der
K-Wert des Substrats 7 ist gleich oder größer als
der K-Wert der Oberflächenschicht 4.
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Bei
einer brüchigeren
Oberflächenschicht 4 kann
diese durch einen Strahlprozeß leichter
entfernt werden, z.B. durch abreibende Strahlprozesse oder nicht-abreibende
Strahlprozesse.
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Das
Verfahren könnte
nicht nur auf das Kühlen
des ganzen Schichtsystems 1 angewendet werden, sondern
auch auf das ausschließliche
oder hauptsächliche
Kühlen
der Metalloberflächenschicht 4,
beispielsweise durch Tauchen der Oberflächenschicht 4 in flüssigen Stickstoff,
wobei das Substrat 7 den flüssigen Stickstoff nicht berührt.
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Wenn
nur die Metalloberflächenschicht 4 gekühlt wurde,
und die Oberflächenschicht 4 entfernt wird,
kann das Substrat 7 sofort weiter verarbeitet werden. Wenn
das ganze Schichtsystem 1 gekühlt wurde und die Oberflächenschicht 4 entfernt
wird, wird das Substrat 7 vor der weiteren Verarbeitung wieder
auf Raumtemperatur erwärmt.
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Gemäß der reduzierten
Strahlenergie bleiben das Design und die Geometrie des Substrats
im wesentlichen unbeeinflußt.
Dies ist für
Schaufeln oder Leitschaufeln von besonderer Wichtigkeit, da die
aerodynamischen Eigenschaften kritisch sind und durch die Geometrie
und Form leicht beeinflußt
werden.
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Damit
ist eine sogenannte Anlaßfarbe
möglich,
um das vollständige
Entfernen der Metalloberflächenschicht 4 oder
der Korrosionsprodukte 5 sicherzustellen. Kleine Bereiche
der Metalloberflächenschicht 4 oder
der Korrosionsprodukte 5 können immer noch durch andere
chemische oder mechanische Mittel entfernt werden.
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Ein
weiterer Effekt, der das Entfernen der Metallschicht 4 des
Schichtsystems 1 unterstützt, besteht darin, daß beim Kühlen eine
Spannung zwischen der Metalloberflächenschicht 4 und
dem Substrat 7 auftreten kann. Verursacht wird dies durch
verschiedene Wärmeausdehnungskoeffizienten
des Substrats 7 und der Oberflächenschicht 4.
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In
diesem Fall wird keine Tieftemperaturversprödung der Metalloberflächenschicht 4 benötigt.
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Das
Verfahren kann überraschenderweise sogar
für Schichtsysteme
angewendet werden, die dafür
ausgelegt sind (Hochtemperatur-) Wärmeschocks und mechanischen
Schlägen
bei Betrieb standzuhalten, beispielsweise Turbinenschaufeln von
Gasturbinen, die aus Superlegierungen hergestellt und mit einer
MCrAlY-Schicht und einer Wärmebarrierenbeschichtung
beschichtet sind. Das Verfahren kann sogar für Metallbeschichtungen 4 mit
Materialien unterschiedlicher Duktilität auf Metallsubstraten 7 angewendet
werden. Die Metalloberflächenschicht 4 kann
Metallmaterial und ein Keramikmaterial wie Korrosionsprodukte 5 umfassen.
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3 zeigt
eine Turbinenschaufel 1, die zuerst mit einer Metallbeschichtung 11 beschichtet
wurde, beispielsweise einer MCrAlY-Schicht 11, und danach
mit einer Außenschicht 10 beschichtet
wurde, beispielsweise einer keramischen Wärmebarrierenbeschichtung 10 oder
durch Korrosionsprodukte der Schicht 11 gebildet wurde.
Die Keramikbeschichtung 10 ist ein brüchiges Material.
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Während der
Anwendung des Verfahrens zum Ablösen
der Metallschicht 11 bleibt das keramische Material der
Außenschicht 10 auf
der Schicht 11 und wird zuerst oder zusammen abgelöst.
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Die
folgenden Schritte werden ausgeführt:
Die
Schicht 11 und die Außenschicht 10 werden
gekühlt,
was zu einer Versprödung
der Schicht 11 führt.
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Danach
können
die brüchigen
Materialien durch einen Strahlprozeß leicht entfernt werden, indem
zunächst
Teilchen auf die Oberfläche
der Außenschicht 10 gestrahlt
und danach die Außenschicht 10 auf
der Schicht 11 entfernt wird.
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Die
keramische Außenschicht 10 kann
auch durch eine Strahltechnik in einem ersten Schritt bei Raumtemperatur
ohne Kühlung
entfernt werden.
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Das
Schichtsystem 1 kann auch andere Schichten unter der Schicht 11 umfassen.
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4a zeigt
als ein Schichtsystem 1 eine Turbinenschaufel oder eine
Turbinenleitschaufel 13. Außerdem ist ein Behälter 15 vorgesehen,
der mit einer Kühlflüssigkeit 17 gefüllt ist,
z.B. flüssigem
Stickstoff. Die Turbinenschaufel oder -leitschaufel 13 wird in
dieser Flüssigkeit 17 gekühlt.
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Die
Turbinenschaufel oder -leitschaufel 13 kann auch in einer
Kühlvorrichtung 19 gekühlt werden,
ohne Kontakt mit einer Flüssigkeit
zu haben (4b).
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4c zeigt,
wie die Turbinenschaufel oder -leitschaufel 13 in der Flüssigkeit 17 gekühlt wird.
Zur Vereinfachung ist nachfolgend nur ein Teil der Schaufel oder
Leitschaufel 13 gezeigt (in 4a von
einer gestrichelten Linie umgeben).
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Das
Schichtsystem 1, 13 ist in einer Querschnittsansicht
gezeigt, die sein Substrat 7 und die Schichten 11, 10 zeigt.
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Eine
Möglichkeit
zur Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens
besteht darin, die Schicht 11 zu kühlen, indem das Schichtsystem 1 so
in Flüssigkeit 17 getaucht
wird, daß die
Schicht 11 die Kühlflüssigkeit 17 kontak tiert.
Die Schicht 11 wird gekühlt und
bewirkt die mechanischen Eigenschaften wie in 2 beschrieben.
Auch die Außenschicht 10 wird gekühlt.
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Es
kann auch das ganze Schichtsystem 1 gekühlt werden, indem das Schichtsystem 1 ganz
in die Flüssigkeit 17 eingetaucht
wird, so daß das
Substrat und die Schichten 10, 11 die Kühlflüssigkeit 17 kontaktieren
(4d).
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Wenn
die gewünschte Änderung
bei den mechanischen Eigenschaften erreicht ist, wird das Schichtsystem 1 Teilchen 24 ausgesetzt,
die auf die Oberfläche 3 der
Außenschicht 10 gestrahlt
werden (4e). Die Teilchen 24 werden
durch eine Strahlvorrichtung 21 zugeführt. Die Teilchen 24 können Teilchen
aus Trockeneis oder Keramik sein. Die Außenschicht 10 und
die Schicht 11 werden den Strahlteilchen 24 solange
ausgesetzt, bis die Schicht 11 fast oder ganz entfernt
ist.
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4f zeigt
ein Schichtsystem 1, 13, das keine Schichten 10, 11 mehr
aufweist.