DE602005005102T2

DE602005005102T2 - Hohe Temperatur glatte verschleissfeste vor Ort reparierbare Beschichtung

Info

Publication number: DE602005005102T2
Application number: DE602005005102T
Authority: DE
Inventors: Andrew Jay West Chester Skoog; William Randolph Rising Sun Stowell; Jane Ann Franklin Murphy; David E. West Chester Caldwell
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2004-04-07
Filing date: 2005-03-30
Publication date: 2009-03-26
Anticipated expiration: 2025-03-31
Also published as: US7588797B2; EP1586676A1; DE602005005102D1; EP1586676B1; US20050228098A1; SG115808A1; SG136941A1

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf Wärmesperrüberzüge für Komponenten, die hohen Temperaturen ausgesetzt sind, wie der aggressiven thermischen Umgebung eines Gasturbinen-Triebwerkes. Spezieller ist diese Erfindung auf ein Verfahren zum Reparieren eines Wärmesperrüberzuges gerichtet, der eine lokalisierte Abspaltung aufgrund thermischer Ermüdung und Spannung, dürftiger Beschichtungs-Verfahren, Überzugsfehlern, lokalisierter Beschädigung, Beschädigung durch Aufprall und andere mechanische Beschädigung oder fehlerhafte Überzugsbereiche auf neuen oder benutzten Teilen erlitten hat.
Höhere Betriebstemperaturen für Gasturbinen-Triebwerke werden kontinuierlich angestrebt, um deren Effizienz zu erhöhen. Mit zunehmenden Betriebstemperaturen muss jedoch auch die Haltbarkeit der Komponenten des Triebwerkes bei hoher Temperatur entsprechend zunehmen. Signifikante Fortschritte in den Hochtemperatur-Fähigkeiten wurden durch die Formulierung von Nickel- und Kobalt-Basis-Superlegierungen erzielt. Wenn man sie zur Bildung von Komponenten des Turbinen-, Brenner- und Verstärkerabschnittes eines Gasturbinen-Triebwerkes benutzt, unterliegen solche Legierungen allein häufig der Beschädigung durch Oxidations- und Hitzekorrosions-Angriff und sie können angemessene mechanische Eigenschaften nicht beibehalten. Aus diesem Grunde werden diese Komponenten häufig durch einen Umgebungs- und/oder thermisch isolierenden Überzug geschützt, wobei der Letztere als Wärmesperrüberzugs(TBC)-System bezeichnet wird. Keramikmaterialien und insbesondere Yttriumoxid-stabilisiertes Zirkoniumdioxid (YSZ) werden in weitem Rahmen als ein Wärmesperrüberzug (TBC) oder Decküberzug von TBC-Systemen eingesetzt, die auf Gasturbinen-Triebwerkes-Komponenten benutzt werden. Diese speziellen Materialien werden in weitem Rahmen benutzt, weil sie leicht durch Plasmaspritz-, Flammspritz- und Dampfabscheidungs-Techniken abgeschieden werden können. Eine üblicherweise benutzte Art von TBC ist ein Überzug auf der Grundlage von Zirkoniumdioxid, stabilisiert mit Yttriumoxid, z. B. etwa 93 Gew.-% Zirkoniumdioxid, stabilisiert mit etwa 7 Gew.-% Yttriumoxid. Diese allgemeine Art von TBC wurde in solchen US-Patenten, wie US-PS 4,055,705 ; US-PS 4,328,285 und US-PS 5,236,745 berichtet. Solche TBC-Überzüge haben eine relativ rauhe Oberfläche und ergeben keine angemessene Wärmeenergie-Reflexion für gewisse Anwendungen. Zusätzlich erfordert das Aufbringen gewisser TBC-Überzüge den Einsatz von Apparaturen, die eine kontrollierte Atmosphäre oder Vakuum aufweisen. Demgemäß können solche Überzüge und Verfahren bei Feldreparaturen nicht wirksam benutzt werden.
Um wirksam zu sein, müssen TBC-Systeme eine geringe Wärmeleitfähigkeit aufweisen, fest an der Komponente haften und durch viele Heiz- und Kühl-Zyklen haften bleiben. Die letztere Anforderung ist besonders herausfordernd aufgrund der unterschiedlichen Koeffizienten der Wärmeausdehnung zwischen keramischen Decküberzugs-Materialien und den Superlegierungs-Substraten, die sie schützen. Um Haftung zu fördern und die Gebrauchsdauer eines TBC-Systems zu verlängern, wird häufig ein Bindeüberzug eingesetzt. Bindeüberzüge liegen typischerweise in der Form von Decküberzügen, wie MCrAlX (worin M Eisen, Kobalt und/oder Nickel ist und X Yttrium oder ein anderes Seltenerdelement ist) oder Diffusionsaluminid-Überzügen vor. Während der Abscheidung des keramischen TBC und dem nachfolgenden Aussetzen gegenüber hohen Temperaturen, wie während des Betriebes des Triebwerkes, formen diese Bindeüberzüge fest haftende Aluminiumoxid(Al₂O₃)-Schicht oder -Oxidhaut, die den TBC an dem Bindeüberzug haften lässt.
Die Gebrauchsdauer eines TBC-Systems ist typischerweise durch ein Abspalten begrenzt, das aufgrund thermischer Ermüdung und Spannung, Überzugsfehlern, mechanischer Beschädigung, Abrieb und Ähnlichem auftritt. Demgemäß war eine signifikante Herausforderung an TBC-Systeme der Erhalt einer besser haftenden Keramikschicht, die weniger empfindlich für Abspalten ist, wenn sie thermischen Zyklen ausgesetzt ist. Obwohl signifikante Fortschritte gemacht wurden, gibt es das unvermeidliche Erforderniss, Komponenten zu reparieren, deren Wärmesperrüberzüge sich abgespalten haben. Obwohl die Abspaltung typischerweise lokal in begrenzten Regionen oder Flecken auftritt, bestand das konventionelle Reparaturverfahren in der vollständige Entfernung des Wärmesperrüberzuges, dem Wiederherstellen oder Reparieren der Bindeschichtoberfläche, wie erforderlich, und dann dem Wiederbeschichten der gesamten Komponente. Techniken nach dem Stande der Technik zum Entfernen von TBC's schließen Sandstrahlen oder chemisches Ablösen mit einer alkalischen Lösung bei hohen Temperaturen und Drucken ein. Sandstrahlen ist jedoch ein langsamer, arbeitsintensiver Prozess und erodiert die Oberfläche unterhalb des Überzuges. Bei wiederholter Anwendung zerstört das Sandstrahlen schließlich die Komponente. Der Einsatz einer alkalischen Lösung zum Entfernen eines Wärmesperrüberzuges ist auch weniger als ideal, da das Verfahren den Einsatz eines Autoklaven erfordert, der bei hohen Temperaturen und Drucken betrieben wird. Folglich sind konventionelle Reparaturverfahren arbeitsintensiv und teuer und sie können schwierig an Komponenten mit komplexen Geometrien, wie Schaufeln und Umhüllungsringen, auszuführen sein. Als eine Alternative lehrt US-PS 5,723,078 von Nagaraj et al. das selektive Reparieren einer abgespaltenen Region eines TBC durch Texturieren der exponierten Oberfläche des Bindeüberzuges und dann Abscheiden eines Keramikmaterials auf der texturierten Oberfläche durch Plasmaspritzen. Während die Notwendigkeit des Ablösens des gesamten TBC von einer Komponente vermieden wird, erfordert das Reparaturverfahren, das von Nagaraj et al. gelehrt wird, noch immer die Entfernung der Komponente aus der Triebwerksanordnung, um das Keramikmaterial abzuscheiden, und sie erfordert weiter den Gebrauch einer Plasmaspritz-Vorrichtung, um die Reparatur zu bewirken.
Darüber hinaus erfordern existierende spritzfähige TBC-Materialien eine Art von Nachtrocknen oder Glühen, um vor dem Einsatz bei hoher Temperatur stabilisiert zu sein, und sie sind daher für in situ-Feldreparaturen ineffektiv. Bandmaterialien erfordern einen Autoklaven zum Aufbringen und sie sind somit auch für in situ-Reparaturen nicht ausführbar. Während plasmagespritzte Materialien nicht alle ein Erhitzen nach dem Abscheiden erfordern, haben solche Materialien viel rauhere Oberflächen und sie können im Feld für in situ-Reparaturen nicht aufgebracht werden, ohne das Spritzen von Pulver über den Rest des Triebwerkes (was eine Hauptreinigungsstufe vor dem nachfolgenden Triebwerksbetrieb erfordert).
Im Falle von Flugzeug-Turbinentriebwerken und großen Energieerzeugungs-Turbinen führt das Herausnehmen der Turbine aus der Benutzung zu Reparaturzwecken zu signifikanten Kosten in Form von Arbeit und Stillstandszeit. Aus diesen Gründen ist das Entfernen von Komponenten mit TBCs, bei denen nur eine lokalisierte Abspaltung aufgetreten ist, wirtschaftlich nicht erwünscht. Als ein Resultat werden Komponenten, die als einen abgespaltenen TBC aufweisend identifiziert worden sind, häufig analysiert, um zu bestimmen, ob die Abspaltung in Bereichen hoher Spannung aufgetreten ist, und dann wird das Risiko der Beschädigung der Turbine aufgrund des verringerten thermischen Schutzes der Komponente beurteilt, die zu einem katastrophalen Versagen der Komponente führen könnte. Wird entschieden, den Betrieb fortzusetzen, dann muss die abgespaltene Komponente typischerweise am Ende des Betriebes wegen der thermischen Be schädigung während des Betriebes der Komponente ohne vollständige TBC-Abdeckung verschrottet werden. Außerdem benutzen einige neuere TBCs eine glättende Schicht über dem TBC zur besseren Wärmeabweisung und Luftströmung. Derzeit gibt es keinen bekannten Weg, diese glättende Schicht mit einer sehr glatten Oberfläche auf beschädigtem TBC zu ersetzen.
EP-A-1 197 585 offenbart ein Verfahren zum Reparieren eines Wärmesperrüberzuges auf einer Komponente, auf der eine lokalisierte Abspaltung des Wärmesperrüberzuges aufgetreten ist. Das Verfahren umfasst die Stufen des Aufbringens einer Keramikpaste auf einen Oberflächenbereich der Komponente, der durch die lokalisierte Abspaltung freigelegt ist, wobei die Keramikpaste ein Keramikpulver in einem Binder umfasst und dann Umsetzen des Binders, um einen Reparaturüberzug zu ergeben, der den Oberflächenbereich der Komponente abdeckt, wobei der Reparaturüberzug das Keramikpulver in einer Matrix umfasst, die ein Material aufweist, das durch Umsetzen des Binders gebildet wurde.
EP-A-1 471 043 offenbart ein in situ-Verfahren zum Reparieren eine Wärmesperrüberzuges, der auf einer Komponente abgeschieden ist, an der eine lokalisierte Abspaltung aufgetreten ist. Das Verfahren schließt das Aufbringen einer Keramikpaste auf einem Oberflächenbereich der Komponente ein, der durch die lokalisierte Abspaltung freigelegt ist, wobei die Keramikpaste ein Keramikmaterial in einem Bindermaterial einschließt, wobei das Keramikmaterial feste Zirkoniumdioxid Teilchen einschließt, das Bindermaterial eine Siliconverbindung einschließt. Das Verfahren schließt auch das Erhitzen des Bindermaterials ein, um einen Reparaturüberzug zu ergeben, der den Oberflächenbereich der Komponente abdeckt, wobei die Siliconverbindung das Verbinden der festen Zirkoniumdioxid-Teilchen fördert.
US 2003/0008764 offenbart eine Mehrkomponentenkeramik, umfassend eine keramische Hauptphase mit Keramikoxid-Verbundmaterial, einem Keramikoxidzusatz, der sich von der keramischen Hauptphase unterscheidet, und mit einem keramischen Seltenerdmetalloxid-Zusatz.
Es wäre somit erwünscht, wenn ein Reparaturverfahren verfügbar wäre, das auf lokalisiert abgespaltenen Bereichen von TBC auf Turbinenteilen im Feld und in situ ausgeführt werden könnte, ohne zu erfordern, dass die Komponente aus der Turbine herausgenommen wird, sodass Stillstandszeit und Verschrotten minimiert sind.
Es wäre auch erwünscht, eine glättende Schicht auf einem beschädigten TBC in einer Weise zu reparieren, der die sehr glatte Oberfläche der glättenden Schicht wiederherstellt, sowie die Wärmeabweisungs- und Luftströmungs-Eigenschaften der glättenden Schicht wiederherstellt.
Es wäre weiter erwünscht, einen verbesserten glättenden Überzug zur Reparatur beschädigten TBC bereitzustellen, der mittels Kitt, Paste oder Bürsten in situ leicht aufzubringen ist.
Aspekte der vorliegenden Erfindung sind in den beigefügten Ansprüchen definiert.
Die vorliegende Erfindung schafft ein Verfahren zum Reparieren eines Wärmesperrüberzuges auf einer Komponente, die aufgrund von Abspaltung, Ermüdung, Spannung, Beschädigung, dürftiger Überzugsverfahren, mechanischer Beschädigung oder Abrieb des Wärmesperrüberzuges eine Beschädigung erlitten hat. Der Gebrauch der Verfahren der vorliegenden Erfindung ist be sonders anwendbar für die Reparatur von TBC-Überzügen mit Abspaltungsbeschädigung mit einer Abspaltungsbeschädigungs-Tiefe von etwa 0,0254 mm bis etwa 1,27 mm (etwa 1 bis etwa 50 mils) (0,001 inch bis 0,050 inch) im Feld. Für Abspaltungen mit einer Tiefe von mehr als 0,508 mm (20 mils) und erreichend 1,27 mm (50 mils) kann die Zusammensetzung der vorliegenden Erfindung unter Einsatz eines geringeren Prozentsatzes an Lösungsmittel bereitgestellt werden, die kittartige Eigenschaften ergibt, um das Aufbringen der Zusammensetzung unter Benutzung einer Schaufel oder eines Kittmessers und das Bearbeiten und Glätten vor dem Trocknen zu gestatten.
Die Zusammensetzung zeigt thixotrope Eigenschaften als ein Resultat ihrer ausgewählten Komponenten und insbesondere des Einschlusses von mindestens einem Keramikmaterial von Nanogröße, wie feinem oder abgerauchtem Keramikmaterial. Die Menge des Keramikmaterials mit Nanogröße, wie Aluminiumoxid (Al₂O₃), Titandioxid (TiO₂), Calciumoxid (CaO), Magnesiumoxid (MgO) oder Siliciumdioxid (SiO₂) ist ausgewählt, um der Überzugs-Zusammensetzung thixotrope Eigenschaften zu verleihen. Die thixotropen Eigenschaften sind sehr wichtig, um zu erlauben, dass der Überzug in einer nicht kontrollierten Umgebung aufgebracht wird, wie einer am Flügel befindlichen Turbinentriebwerks-Baueinheit. Obwohl der Überzug in Abhängigkeit von der Auswahl des Lösungsmittels und des Lösungsmittelgehaltes relativ rasch trocknet, kann die Zeit zur Polymerisation und für andere stabilisierende chemische und physikalische Wechselwirkungen 8 Stunden oder mehr betragen. Die thixotrope Natur der Überzugs-Zusammensetzung gestattet, dass sie auf eine Oberfläche ungeachtet deren Orientierung aufgebracht wird, durch eine Vielfalt von Verfahren ohne Laufen, Klumpen oder Sacken, während sie trocknet, und gestattet weiter, dass der Überzug, wie erforderlich, bearbeitet wird. Der Begriff thixotrop, wie er hierin benutzt wird, bezieht sich auf eine Eigenschaft einer Material-Zusammensetzung, die es ihr gestattet zu fließen, wenn sie einer mechanischen Kraft unterworfen wird, wie einer Scherspannung, oder wenn sie gerührt wird und zu einer gelartigen Form zurückkehrt, wenn die mechanische Kraft entfernt ist. Diese Definition stimmt mit der Definition von Thixotropie überein, wie sie in Hawley's Condensed Chemical Dictionary (13. Auflage) und der Encyclopedia Britannica enthalten ist. Diese Eigenschaft gestattet es dem Überzug, in einer Produktions- oder Feldreparatur-Umgebung auf beschädigte Oberflächen mit komplexen Geometrien aufgebracht zu werden, einschließlich abgespaltener Bereiche von TBC-überzogenen Komponenten, wie Turbinenschaufeln und -umhüllungsringen, darauf jedoch nicht beschränkt, ohne die nicht beschädigten Komponenten-Oberflächen, die unter den oder benachbart den beschädigten Oberflächen liegen, freizulegen und ohne Klumpen, Laufen oder Tropfen des Überzuges. Diese wichtigen thixotropen Eigenschaften gestatten es dem Überzug, auf eine Oberfläche nach irgendeiner Anzahl von Verfahren aufgebracht zu werden, wie Spritzen, Tauchen, Bürsten usw. Der aufgebrachte Überzug fließt aufgrund der Wirkungen der Schwerkraft, wie durch Klumpen, Laufen oder Tropfen, nach dem Aufbringen nicht. Der Überzug wird jedoch fließen, wenn er einer mechanischen Scherspannung ausgesetzt wird, was es gestattet, ihn zu bearbeiten, falls dies erwünscht ist. Während der frühen Stadien der Trocknungsperiode kann der Überzug bearbeitet werden, falls erforderlich. Die Fähigkeit, den Überzug zu bearbeiten, wird natürlich während der Trocknungsperiode graduell vermindert, während der das Lösungsmittel unter Bildung eines Überzuges, einschließlich Binderteilchen mit polymeren Bindungen dazwischen, verdampft. Die Trocknungsperiode hängt von der Verdampfung des Lösungsmittels und dem Trocknen und der resultierenden Bildung polymerer Bindungen oder „Härten" des Binders bis zum vollständigen Trocknen ab. Diese Eigenschaften gestatten, dass der Überzug Probleme des Tropfens und Laufens überwindet, die bei anderen Ü berzügen auftreten, wodurch Teile des Substrates unüberzogen bleiben können.
Nachdem man die Zusammensetzung aufgebracht und sie für etwa 8 Stunden bei Raumtemperatur hat trocknen lassen, ist sie stabil und der resultierende trockene und teilweise gehärtete Überzug kann bei hoher Temperatur eingesetzt werden. Thermische Schockdaten an dem getrockneten Material zeigten ein Widerstehen gegenüber Temperaturen von etwa 1093°C (2000°F) und es wurden Verbesserungen bei der IR-Reflexion festgestellt. Bei der Wärmebehandlung, wie beim Glühen durch den Triebwerksbetrieb, wird der Überzug vollständig gehärtet und zumindest teilweise in eine Keramikmatrix umgewandelt, die Keramikmaterialien einschließt. Der Matrixüberzug zeigt geringere Rauheit oder Ra-Werte als TBCs, die nach anderen Verfahren aufgebracht wurden. In jedem Falle kann der durch Härten und Glühen der aufgebrachten Zusammensetzung gebildete Überzug geglättet werden, wie durch Absanden mit einem Diamantkissen, um eine erwünschte Glätte zu erzielen. Eine solche Glättung nach dem Aufbringen ist besonders geeignet für die Reparatur tiefer abgespaltener Bereiche (die sich 1,27 mm (50 mils) nähern).
Als ein Resultat der vorgenannten Eigenschaften zeigt die Überzugs-Zusammensetzung Haftung an einer weiten Vielfalt von Substraten, einschließlich bloßen Metalls, gesandstrahlten Metalls, überzogener Metalle und überzogener Keramiken aller Arten, TBCs und vieler Hochtemperatur-Verbundmaterialien, darauf jedoch nicht beschränkt. Die Zusammensetzung und das Verfahren der vorliegenden Erfindung gestatten eine Reparatur von TBC-Fehlern in der glattem Überzugsoberfläche am Flügel, im Feld, in situ und erfordern kein Nachbehandlungs-Erhitzen oder Glühen, um den getrockneten Überzug vor der Anwendung bei hoher Temperatur zu stabilisieren.
Die vorliegende Erfindung sorgt für eine in situ-Reparatur eines TBC-Überzuges ohne die Notwendigkeit einer Wärmebehandlung nach dem Überziehen, die üblicherweise bei bekannten TBC-Reparaturverfahren erforderlich ist. Die Zusammensetzung gestattet den Einsatz von Raumtemperatur- oder „kalten" Aufbringverfahren, um eine Reparatur des TBC-Überzuges zu bewirken. Alternativ können erhöhte Temperaturen benutzt werden, wie Heizlampe, Heizdecken-Behandlung oder Heizkanonen-Behandlung, um das Trocknen und Härten zu beschleunigen und, wahlweise, den Überzug zumindest teilweise in eine Keramikmatrix umzuwandeln, ohne die erwünschten Eigenschaften des Reparaturüberzuges zu beeinträchtigen.
Das Verfahren des Aufbringens der chemischen Zusammensetzung der vorliegenden Erfindung schließt vorzugsweise das Aufbringen bei Raumtemperatur ohne die Notwendigkeit der Anwendung von Wärme ein, um die Zusammensetzung zu härten, um die Reparatur zu bewirken. In einer Ausführungsform wird nach dem Reinigen des Oberflächenbereiches der Komponente, die durch die lokalisierte Abspaltung freigelegt ist, die chemische Zusammensetzung als ein Kitt oder eine Paste aufgebracht. Der Kitt oder die Paste können in bekannten Verpackungs- und Verteilungsgefäßen gelagert werden, wie Tuben und Kanistern mit Ausgabedüsen, -röhren und Ähnlichen. In Abhängigkeit von dem benutzten Ausgabesystem kann das ausgegebene Produkt ein Bearbeiten erfordern, wie mit einem Kittmesser oder einer solchen Schaufel oder anderen bekannten Einrichtungen, um Kitte, Pasten und chemische Zusammensetzungen ähnlicher Konsistenz zu glätten. Alternativ schließt in einer flüssigen Mischungs-Ausführungsform die Zusammensetzung mehr Gewichtsprozent Lösungsmittel ein, was die Verteilung durch bekannte Flüssigkeits-Spritzeinrichtungen gestattet.
Nach dem Aufbringen bildet die chemische Zusammensetzung eine gleichmäßige dünne Schicht der Keramik- und Polymer-Zusammensetzung über dem Bindeüberzug oder Substrat, das durch das Abspalten freigelegt ist und dem benachbarten TBC-Überzug. Der Lösungsmittelträger verdampft dann unter Zurücklassung einer dünnen Schutzschicht aus Binder und Keramikmaterialien über dem Oberflächenbereich der Komponente. Den Überzug lässt man bei Umgebungstemperatur, vorzugsweise für mindestens etwa 8 Stunden, trocknen. Die getrocknete Überzugs-Zusammensetzung hat die Attribute eines Polymers aufgrund polymerer Bindungen, die innerhalb des Binders gebildet wurden. Das Trocknen und Härten setzt sich im Laufe der Zeit fort und wird weiter beschleunigt, wenn das Teil wahlweise einer Wärmequelle ausgesetzt wird. Das Trocknen kann jedoch bei Raumtemperatur bewerkstelligt werden.
Wahlweise wird der Überzug bald nach dem Abscheiden des Überzuges wärmebehandelt, um das Trocknen und Härten zu beschleunigen. Beim nachfolgenden Triebwerksbetrieb wird der getrocknete Überzug in situ durch Triebwerkshitze geglüht, was das Zersetzen oder Reagieren des Binders verursacht, um einen Keramik einschließenden Reparaturüberzug zu ergeben, der den Oberflächenbereich der Komponente bedeckt und der das Keramikpulver in der Matrix eines Materials umfasst, das gebildet wird, wenn der Binder bei hoher Temperatur für eine genügende Zeitdauer reagiert hat. Der Binder ist vorzugsweise ein Keramik-Vorstufenmaterial, das durch Erhitzen unmittelbar in Glas oder Keramik umgewandelt werden kann oder das man im Laufe der Zeit thermisch zersetzt, um einen glasartigen keramischen Reparaturüberzug zu bilden. Obwohl höhere Betriebstemperaturen mehr Glas in Keramik umwandeln, behält der Überzug zumindest einige glasartige Charakteristika, da davon ausgegangen wird, das die Triebwerks-Betriebstemperaturen ungenügend sind, um eine reine Keramik zu bilden.
Gemäß der Erfindung kann jede Stufe des Reparaturverfahrens ausgeführt werden während die Komponente bei Umgebungstemperatur installiert bleibt, z. B. in der Strömungspfad-Baueinheit eines im Stillstand befindlichen Gasturbinen-Triebwerkes. Innerhalb von 8 Stunden nach der Stufe des Aufbringens der Zusammensetzung bei Umgebungstemperatur kann das Turbinentriebwerk den Betrieb wieder aufnehmen, zu welcher Zeit die durch den Betrieb des Triebwerkes erzeugte Wärme den getrockneten und teilweise gehärteten Überzug glüht, um einen glasartigen Keramiküberzug zu erzeugen. Die Periode des Trocknens und Härtens kann jedoch wahlweise durch die Anwendung einer Wärmebehandlung beschleunigt werden.
In Anbetracht des Obigen sollte klar sein, dass die Erfindung mehrere Nachteile früherer Verfahren überwindet, die zum Reparieren von Wärmesperrüberzügen angewendet wurden. Im Besonderen erfordert das Verfahren dieser Erfindung nicht, dass der Wärmesperrüberzug vollständig entfernt wird, noch erfordert die Erfindung die Entfernung der Komponente, um ihren Wärmesperrüberzug zu reparieren. Als einen weiteren Vorteil erfordert das Reparaturverfahren kein Aufbringen bei hoher Temperatur oder eine nachfolgende Hochtemperatur-Behandlung, da der Reparaturüberzug genügend Festigkeit zeigt, um dem Triebwerksbetrieb zu widerstehen und er durch den Triebwerksbetrieb unter Bildung eines glasartigen Keramik-Überzugssystems gehärtet oder geglüht wird. Ein anderer Vorteil der Reparatur ist, dass sie keine spezielle Aufbring-Ausrüstung benötigt und unter Umgebungsbedingungen ausgeführt werden kann, d. h., es gibt kein Erfordernis, eine kontrollierte Atmosphäre (wie durch Einrichten einer Inertgas- oder Vakuum-Umgebung) während der Reparatur aufrechtzuerhalten.
Zusätzlich bietet dieser Überzug eine geringere Rauheit an der Oberfläche bei verbesserter Wärmeabweisung und lässt somit weniger Energie durch. Als ein Resultat ist eine minimale Stillstandszeit erforderlich, um die Reparatur abzuschließen und den Betrieb des Turbinentriebwerks wieder aufzunehmen. Die Erfindung kann bei irgendeiner Gasturbinen-Komponente benutzt werden, die einen TBC aufweist, wie Flugzeug-Turbinen und Turbinen für die elektrische Energieerzeugung. Im Falle von Energieerzeugungs-Turbinen werden die Kosten des vollständigen Aussetzens der Energieerzeugung für eine ausgedehnte Zeitdauer vermieden, um die Komponente zu entfernen, zu reparieren und dann wieder zu installieren, wenn nur eine lokalisierte Abspaltung erfolgt ist. Vermieden wird auch die Notwendigkeit, zu entscheiden, ob der Betrieb der Turbine fortgesetzt werden soll oder nicht, bis die Komponente mit der Abspaltung nicht länger brauchbar ist, bei dem Risiko der Beschädigung der Komponente und des Triebwerkes.
Die Erfindung wird nun detaillierter beispielhaft unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben, in der zeigen:
1 eine Querschnittsdarstellung einer Komponentenoberfläche, die durch einen Wärmesperrüberzug geschützt ist, bei dem eine lokalisierte Abspaltung aufgetreten ist,
2 und 3 Querschnittsdarstellungen der Komponentenoberfläche von 1 während der Reparatur des Wärmesperrüberzuges gemäß der vorliegenden Erfindung.
Wann immer möglich werden die gleichen Bezugsziffern in der Zeichnung benutzt, um gleiche oder ähnliche Teile zu bezeichnen.
Die vorliegende Erfindung ist auf Komponenten im heißen Abschnitt von Gasturbinen-Triebwerken gerichtet, die durch Wärmesperrüberzüge für den Betrieb innerhalb von Umgebungen geschützt sind, die durch relativ hohe Temperaturen charakterisiert sind und daher schweren thermischen Spannungen und thermischen Zyklen ausgesetzt sind. Bemerkenswerte Beispiele solcher Komponenten schließen die Hoch- und Niederdruck-Turbinendüsen und -Laufschaufeln, Umhüllungsringe, Brennerauskleidungen und Verstärkerteile von Gasturbinen-Triebwerken zum Einsatz in Flugzeugen und industriellen Anwendungen ein. Während die Vorteile dieser Erfindung besonders anwendbar sind auf Komponenten von Gasturbinen-Triebwerken, ist die Erfindung allgemein anwendbar auf irgendeine Komponente, bei der ein Wärmesperrüberzug benutzt wird, um eine Komponente thermisch von ihrer Umgebung zu isolieren.
In 1 ist eine Oberflächenregion einer Komponente 10 dargestellt, die durch ein Wärmesperrüberzugs(TBC)-System 12 geschützt ist. Das TBC-System 12 ist zusammengesetzt aus einem Bindeüberzug 14, der auf der Substratoberfläche der Komponente 10 gebildet ist, und einer Keramikschicht 16, die auf dem Bindeüberzug 14 als der Wärmesperrüberzug abgeschieden ist. Wie es bei Hochtemperatur-Komponenten von Gasturbinen-Triebwerken der Fall ist, kann die Komponente 10 aus einer Nickel-, Kobalt- oder Eisen-Basissuperlegierung gebildet sein. Der Bindeüberzug 14 ist vorzugsweise aus einem metallischen oxidationsbeständigem Material gebildet, um die darunter liegende Komponente 10 vor Oxidation zu schützen und der Keramikschicht 16 zu gestatten, fester an der Komponente 10 zu haften. Geeignete Materialien für den Bindeüberzug 14 schließen MCrAlX-Decküberzüge und Diffusions-Aluminidüberzüge ein. Gezeigt ist auch eine fest haftende Oxidhaut, typischerweise Al₂O₃, die durch Aussetzen des Bindeüberzuges gegenüber einer erhöhten Temperatur gebildet ist.
Typischerweise wird die TBC-Keramikschicht 16 durch Plasmaspritzen abgeschieden, wie Luftplasmaspritzen (APS), obwohl andere Abscheidungsverfahren benutzt werden können, wie EB(Elektronenstrahl)-Abscheidung, PVD(Physikalische Dampfabscheidungs)- oder CVD(Chemische Dampfabscheidungs)-Prozesse. Ein bevorzugtes Material für die Keramikschicht 16 ist ein Yttriumoxid-stabilisiertes Zirkoniumdioxid (YSZ), wobei eine bevorzugte Zusammensetzung etwa 4 bis etwa 8 Gew.-% Yttriumoxid aufweist, obwohl andere Keramikmaterialien benutzt werden können, wie Yttriumoxid, nicht stabilisiertes Zirkoniumdioxid oder Zirkoniumdioxid, stabilisiert mit Magnesiumoxid (MgO), Ceroxid (CeO₂), Scandiumoxid (Sc₂O₃) und/oder andere Oxide. Die Keramikschicht 16 wird bis zu einer Dicke abgeschieden, die genügt, um den erforderlichen thermischen Schutz für die Komponente 10 zu bieten, typischerweise in der Größenordnung von etwa 50 bis etwa 300 μm (etwa 0,002 bis etwa 0,012 inches) für die meisten Gasturbinentriebwerks-Komponenten. Dickere (bis zu etwa 0,1016 mm (0,0040 inches)) TBC-Aufbringungen sind jedoch möglich.
Als eine Gasturbinen-Triebwerks-Komponente werden die Oberflächen der Komponente 10 während des Betriebes der Triebwerkes heißen Verbrennungsgasen ausgesetzt und unterliegen daher einem schweren Angriff durch Oxidation, Korrosion und Erosion. Demgemäß muss Komponente 10 vor ihrer feindlichen Betriebsumgebung durch das TBC-System 12 geschützt bleiben. Ein Verlust an der Keramikschicht 16 durch Abspaltung führt zur vorzeitigen und häufig raschen Verschlechterung des Komponenten-Substrates 10. Eine lokalisiert abgespaltene oder mechanisch beschädigte Region 20 der Keramikschicht 16 ist in 1 repräsentiert, wobei das TBC-Reparaturverfahren dieser Erfindung in den 2 und 3 repräsentiert ist. Gemäß der Erfindung wird jede der folgenden Stufen, die bei der Repara tur der Komponente 10 ausgeführt wird, ausgeführt, während die Komponente 10 installiert im Turbinentriebwerk verbleibt, wodurch das frühere Erfordernis, die Komponente zu entfernen und später wieder zu installieren, vollständig vermieden wird.
Das Reparaturverfahren beginnt vorzugsweise mit dem Reinigen der Oberfläche 22, die durch die lokalisiert abgespaltene Region 20 freigelegt ist, um lose Oxide und Verunreinigungen, wie Fett, Öle und Schmutz, zu entfernen, vorzugsweise ohne Beschädigen des Bindeüberzuges 14 oder Entfernen irgendwelcher restlichen Fragmente der Keramikschicht 16, die an dem Bindeüberzug 14 haften. Während verschiedene Techniken benutzt werden können, besteht ein bevorzugtes Verfahren darin, lose Materialien und Verunreinigungen in der und um die abgespaltene oder mechanisch beschädigte Region 20 herum zu entfernen und wahlweise den abgespaltenen Bereich durch Entfernen einer vorbestimmten Menge nicht beschädigten TBC, vorzugsweise bis zum Bindeüberzug 14 ohne Beschädigung des Bindeüberzuges 14, zu bearbeiten. Wo der Bindeüberzug 14 beschädigt ist, gestattet das Verfahren das Aufbringen eines Bindeüberzuges 14 über der beschädigten Region vor dem Aufbringen der Überzugs-Zusammensetzung. Vor dem Aufbringen irgendeines Bindeüberzuges 14 oder einer Überzugs-Zusammensetzung muss die freigelegte Oberfläche 22 der beschädigten Region mit einem verdampfbaren Reiniger, wie Alkohol und/oder Aceton, gereinigt werden. Diese Stufe kann selektiv ausgeführt werden, um sicherzustellen, dass die umgebende unbeschädigte Keramikschicht 16 der Prozedur nicht unterworfen wird.
Nach dem Reinigen und wahlweisen Bearbeiten und/oder Wiederüberziehen mit einem Bindeüberzug wird die abgespaltene Region 20 mit einer chemischen Keramikzusammensetzung 24 abgedeckt, wie durch 2 repräsentiert. Gemäß der Erfindung, ist die chemische Keramikzusammensetzung 24 eine pastenartige Mischung von Keramikpulvern und einem Binder, die unter Bildung eines keramischen Reparaturüberzuges 26 härtet, wie in 3 als an der freigelegten Oberfläche 22 haftend gezeigt, die durch Abschnitte des Bindeüberzuges 14, der Oxidhaut 18 und/oder Überbleibseln der Keramikschicht 16 definiert werden kann.
Die chemische Zusammensetzung 24 ist vorzugsweise eine pastenartige Mischung, umfassend ein oder mehrere hochschmelzende Materialien, wie Keramik oder Glas, wobei das hochschmelzende Material in pulverisierter Form und in mindestens zwei vorbestimmten Teilchengrößenbereichen bereitgestellt ist, einen Binder, ein oder mehrere Keramikmaterialien von Nanogröße und ein Lösungsmittel. Geeignete hochschmelzende Materialien schließen Aluminiumoxid, Zirkoniumdioxid, Hafniumdioxid, Magnesiumoxid, Titandioxid, Calciumoxid, Siliciumdioxid, Yttriumoxid, andere hochschmelzende Materialien und Kombinationen davon ein, sind darauf jedoch nicht beschränkt. Vorzugsweise wird das hochschmelzende Material in zwei Teilchengrößenbereichen bereitgestellt, wobei der erste Bereich kleiner als etwa 1 μm aber größer als etwa 30 Nanometer (nm) ist, der zweite Teilchengrößenbereich liegt zwischen etwa 45 μm und etwa 75 μm. Der Binder ist ein Keramik-Vorstufenmaterial, vorzugsweise ein Silicon oder eine Zusammensetzung auf Phosphatgrundlage, obwohl vorhersehbar ist, dass andere Keramik-Vorstufenbinder eingesetzt werden können, einschließlich kolloidaler oder Sol-Gel-Materialien, die thermisch unter Bildung hochschmelzender Oxide und möglichst Calciumaluminat-Zemente zersetzen.
Der Begriff „Keramikmaterial von Nanogröße", wie er hierin benutzt wird, ist definiert als ein Material mit einer Größe von unter 30 nm, das keramische Charakteristika aufweist, wie Aluminiumoxid (Al₂O₃), Titandioxid (TiO₂) und Siliciumdioxid (SiO₂). Das Keramikmaterial von Nanogröße wird vorzugsweise in einer Teilchengröße zwischen etwa 5 und etwa 30 nm und bevorzugter zwischen etwa 10 und etwa 25 nm bereitgestellt. Die Zugabe dieses Keramikmaterials von Nanogröße repräsentiert eine signifikante Leistungsverbesserung hinsichtlich des Aufbringens der Überzugs-Zusammensetzung und resultiert in Überzugsglätte und -dichte. Es wird angenommen, dass die Nanoteilchen des Keramikmaterials Zwischenräume oder Hohlräume zwischen den hochschmelzenden Materialien in der Matrix füllen, die durch den aufgebrachten Überzug gebildet wird, um dem Überzug thixotrope Eigenschaften zu verleihen, sodass eine außerordentlich glatte und abriebsbeständige Oberfläche erhalten werden kann. Während irgendeine Nano-Version der obigen Materialien genügt, ist ein besonders geeignetes Material AEROXIDE^® Alu C von Aerosil, einer Geschäftslinie der DeGussa AG, Weissfrauenstraße 9, G-60287 Frankfurt am Main, Deutschland. AEROXIDE^® Alu C ist ein sehr feines pyrogenes Metalloxid mit einer hohen spezifischen Oberfläche und einem Gehalt an Al₂O₃ von mehr als oder gleich 99,6 Gew.-%, bezogen auf erhitztes Material, bei einer mittleren Teilchengröße von 13 nm. DeGussa stellt auch abgerauchtes SiO₂ und abgerauchtes TiO₂ in Nano-Teilchengrößenbereichen her, die als das Keramikmaterial von Nanogröße in der vorliegenden Erfindung benutzt werden können. Zusätzlich kann T-64 (-100) Aluminiumoxid, das ein gemahlenes Aluminiumoxidprodukt ist, als ein Aggregat-Füllstoffmaterial hinzugegeben werden, wo der Reparaturbereich dicker (größer als etwa 0,0508 mm) (0,0020 inches) ist und/oder wo die Stelle und die Art des Reparaturbereiches das Aufbringen mit einem Kittmesser oder einer Schaufel geeignet sein lässt.
Das verdampfbare Lösungsmittel der Zusammensetzung 24 hängt von eingesetzten speziellen Binder- und Keramikbestandteilen sowie dem Aufbringverfahren ab, wobei die Menge genügt, um den Binder vollständig aufzulösen. So ist, z. B., ein geeignetes Lösungsmittel für den Binder auf Silicon- oder Phosphat- Grundlage ein Alkohol, wie denaturierter Alkohol (z. B. Ethylalkohol, kombiniert mit 5% Isopropylalkohol) und andere Alkohole oder Aceton, Methylethylketon, Zylol und neuen niederen VOC-Lösungsmitteln, die eine Mischung organischer Lösungsmittel umfassen können. Soll die Zusammensetzung gespritzt werden, dann werden der Binder und die hochschmelzenden Keramikkomponenten mit genügend Lösungsmittel vermischt, um die Komponenten gleichmäßig zu verteilen, um eine spritzbare Flüssigkeitsmischung zu bilden. Soll die Zusammensetzung als eine Paste aufgebracht werden, dann wird weniger Lösungsmittel mit dem Binder und den hochschmelzenden Keramikkomponenten vermischt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, schließt die chemische Zusammensetzung eine Mischung von etwa 5 bis etwa 65 Gew.-% Alpha-Aluminiumoxidpulver, hergestellt aus ultrareinem Aluminiumoxid mit einer Reinheit von etwa 99,99% und einer Teilchengröße von weniger als 1 μm aber größer als 30 nm, wie SM8, vertrieben durch Baikowski International Corporation, etwa 5 bis 75 Gew.-% eines calcinierten Aluminiumoxids, vorzugsweise mit einer Reinheit von etwa 99,8% und einer Teilchengröße vorwiegend im Bereich von mehr als 45 bis weniger als etwa 75 μm, wie das von der Alcoa Chemical Devision als A-14 (-325) vermarktete Material, etwa 4 bis etwa 45 Gew.-% eines Binders, wie eines Silicon- oder Phosphat-Binders, etwa 5 bis etwa 70 Gew.-% eines Keramikmaterials von Nanogröße gemäß Anspruch 1, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Aluminiumoxid, Titandioxid und Siliciumdioxid, und etwa 2 bis etwa 30 Gew.-% eines Lösungsmittels, wie denaturierten Alkohol oder Aceton, ein.

In einer anderen Ausführungsform schließt eine Zusammensetzung, die sich als besonders geeignet erwiesen hat, etwa 8 bis etwa 15 Gew.-% SM8-Aluminiumoxid, etwa 20 bis etwa 40 Gew.-% A14 (-325) Aluminiumoxid, etwa 5 bis etwa 20 Gew.-% Silicon, etwa 30 bis etwa 60% Aluminiumoxid von Nanogröße gemäß Anspruch 1 und etwa 2 bis etwa 20 Gew.-% Lösungsmittel, wie denaturierten Alkohol (z. B. Ethylalkohol, kombiniert mit 5% Isopropylalkohol, Aceton oder denaturierten Alkohol mit hinzugegebenen Ethylacetat und Isobutylketon ein. Ein Beispiel einer anderen bevorzugten chemischen Zusammensetzung erscheint in der folgenden Tabelle 2: Tabelle 1 (Vergleichsbeispiel)

Materialien auf Gew.-%-Grundlage	Gew.-%
Denaturierter Alkohol oder Aceton	5,4
SM8-Aluminiumoxid	11,3
A14 (-325 Maschen) Aluminiumoxid	30,6
Siliconbinder	9,5
T-64 (-100 Maschen) Aluminiumoxid	43,2

Tabelle 2 Beispiel gemäß der Erfindung

Materialien auf Gew.-%-Grundlage	Gew.-%-Bereiche
Denaturierter Alkohol oder Aceton	2–20
SM8-Aluminiumoxid	8–15
A14 (-325 Maschen) Aluminiumoxid	20–40
Siliconbinder	5–20
Keramikmaterial von Nanogröße	30–60

Das Obige ist beispielhaft und nicht beschränkend. Andere Kombinationen und Variationen von Bestandteilen und Mengen liegen im Rahmen der Erfindung.
Um die chemische Zusammensetzung 24 herzustellen, werden das Keramikpulver und Keramikmaterial(ien) von Nanogröße mit dem Binder und Lösungsmittel in einer genügenden Menge kombiniert, um vorzugsweise eine pastenartige Mischung zu bilden. Ein Verhältnis von Keramik zu Binder von etwa 8:1 ist allgemein bevorzugt, wenn man die oben angegebenen Kombinationen benutzt. Obwohl die pastenartige Mischung bevorzugt ist, kann zusätzliches Lösungsmittel hinzugegeben werden, um eine flüssigere Mischung zu bilden, wenn Spritzverfahren zum Aufbringen benutzt werden sollen.
Bevorzugte Binder schließen Siliconharze, hergestellt durch GE Silicons unter den Handelsbezeichnungen SR350 und SR355, und klassifiziert als eine Methylsesquisiloxan-Mischung der Polysiloxan-Familie in Mengen von bis zu etwa 45 Gew.-% der Zusammensetzung, ein. Bevorzugte Binder auf Phosphat-Grundlage schließen Aluminiumphosphat und komplexe Phosphat-Materialien, die kommerziell von verschieden Quellen erhältlich sind, wie Budenheim, Chemische Fabrik, in Mengen von bis zu etwa 45 Gew.-% der Zusammensetzung ein. Die chemische Zusammensetzung 24 kann zusätzliche Additive einschließen, insbesondere ein oder mehrere oberflächenaktive Mittel, um eine geeignet klebrige Konsistenz zu erzielen, die es der Zusammensetzung 24 ermöglicht, an Oberfläche 22 zu haften, die, wie oben ausgeführt, durch Abschnitte des metallischen Bindeüberzuges 14, der Oxidhaut 18 und/oder Resten der Keramikschicht 16 definiert werden kann. So können, z. B., bis zu etwa 15 Gew.-% eines nicht-ionischen oberflächenaktiven Mittels erwünscht sein. Beispiele geeigneter oberflächenaktiver Mittel/Dispersionsmittel sind kommerziell erhältlich als PS21A und Merpol von Witco bzw. Stephan. Die Zusammensetzung kann auch Dispersionsmittel einschließen, um die Bestandteile innerhalb der Zusammensetzung gleichmäßig zu verteilen.
In der bevorzugten Ausführungsform kann die pastenartige Mischung der chemischen Zusammensetzung 24 aus irgendeiner geeigneten Pasten oder Kitt abgebenden Vorrichtung aufgebracht werden und die abgegebene Zusammensetzung kann unter Einsatz mechanischer Mittel, wie Kittschaufeln und -messern, Bürsten, Schwämmen und anderen bekannten Aufbringvorrichtungen geglättet werden. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Zusammensetzung eine unter Druck abgebbare Zusammensetzung, die in einer unabhängigen tragbaren Tube oder einem solchen Kanister mit einer Ausgabedüse oder Röhre zum gleichmäßigen und kontrollierten Verteilen der ausgegebenen Zusammensetzung auf einer Oberfläche, wie einer Schaufelblatt- oder anderen Flugzeug-Triebwerks-Komponente, enthalten ist. Aufgrund der haftenden und thixotropen Eigenschaften der Zusammensetzung ist keine Grundierung erforderlich. In einigen Fällen kann jedoch eine verbesserte Haftung durch Verdünnen der Zusammensetzung mit Lösungsmittel und Bürsten der resultierenden Mischung in den Reparaturbereich als eine Grundierung und Verdampfenlassen des Lösungsmittels vor dem Aufbringen unverdünnter Überzugs-Zusammensetzung zur Bildung eines Reparaturüberzuges resultieren. Zusätzlich kann die Zusammensetzung in aufeinander folgenden Schichten aufgebracht werden, um den abgespaltenen oder beschädigten Überzugsbereich vollständig zu füllen. Falls erwünscht, kann man jede Schicht trocknen lassen, bevor die nachfolgende Schicht aufgebracht wird.
Es ist keine Wärmebehandlung nach dem Aufbringen und vor dem Einsatz erforderlich, um den trocknen und gehärteten Überzug zu bilden, da nach dem Verdampfen des Lösungsmittels das Silicon als ein Binder wirkt, der anfänglich durch Polymerisation härtet, um eine Silicon-Aluminiumoxid-Matrix zu bilden, deren Festigkeit für den Triebwerksbetrieb genügt. In Abhängigkeit von der Zusammensetzung 24 und erwünschten Resultaten, kann die aufgebrachte Zusammensetzung 24 entweder einfach bei Raumtemperatur reagieren oder alternativ kann das Trocknen und Härten durch Erhitzen beschleunigt werden, wie mit einer Heizlampe, einem Brenner oder einer anderen Wärmequelle. Geeignete thermische Behandlungen dauern etwa acht Stunden bei Raumtem peratur, etwa zwei Stunden bei etwa 65,5°C (150°F) und etwa 30 Minuten bei etwa 121,1°C (250°F).
Nach genügendem Trocknen und Härten ist die Zusammensetzung 24 im Wesentlichen eine gehärtete polymere Zusammensetzung. Das Testen von Reparaturüberzügen 26 mit Silicon als dem Binder hat gezeigt, dass die Reparaturüberzüge 26 dieser Erfindung durch genügend Restfestigkeit charakterisiert sind, um fest an der Oberfläche 22 innerhalb der abgespaltenen oder mechanisch beschädigten Region 20 in der Keramikschicht 16 zu haften, bis sie zur Bildung einer Keramik geglüht wird. Phosphatbinder ergeben erwartungsgemäß ähnliche Resultate.
Nach dem Aufbringen, Trocknen und Härten wird der Überzug während des anfänglichen Betriebes des Turbinentriebwerkes weiter gehärtet und schließlich teilweise in einen glasartigen Keramik-Reparaturüberzug 26 umgewandelt. Bei nachfolgenden Triebwerks-Operationen unterliegt der Reparaturüberzug weiter einem Trocknen, Härten und Keramik-Umwandlungsreaktionen zusammen mit einer Zunahme der Festigkeit und anderer mechanischer Eigenschaften des Überzuges 26. Es wird angenommen, dass das Aussetzen gegenüber der Triebwerkshitze die Natur der Bindungen der Zusammensetzung von im Wesentlichen polymer zu glasartig keramisch ändert. Je höher die Temperatur, der die Zusammensetzung ausgesetzt ist, um so mehr Keramik wird gebildet. Bei den maximalen Temperaturen, die durch den Triebwerksbetrieb erzeugt werden, wird jedoch angenommen, dass die Zusammensetzung einige glasartige Keramikeigenschaften beibehält und nicht vollständig in eine Keramik umgewandelt wird. In der bevorzugten Ausführungsform der Zusammensetzung, die einen Siliconbinder einschließt, zersetzt sich, z. B., bei ausgedehntem Triebwerksbetrieb bei hohen Temperaturen der Binder thermisch zu Siliciumdioxid unter Bildung einer Siliciumdioxidmatrix, in der die mindestens drei Teilchengrößen der hochschmelzenden Materialien verteilt sind.

Claims

Verfahren zum lokalen Reparieren eines beschädigten Wärmesperrüberzuges auf einer Komponenten-Oberfläche, wobei das Verfahren die Stufen umfasst: Bereitstellen einer keramischen Überzugs-Zusammensetzung, umfassend Keramikpulver in zwei vorbestimmten Teilchengrößenbereichen von weniger als 0,001 mm (1 μm) aber größer als 30 Nanometer bzw. zwischen 0,045 mm (45 μm) bis 0,075 mm (75 μm), wobei mindestens ein Nanogröße aufweisendes Keramikmaterial eine Teilchengröße von nicht mehr als 30 Nanometern hat, und einen Binder, wobei der Binder ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus keramischen Vorstufen-Bindern, die sich unter Bildung eines hochschmelzenden Materials thermisch zersetzen, und ein Lösungsmittel, wobei die Zusammensetzung vermischt ist, um die Keramikpulver, das Keramikmaterial von Nanogröße, den Binder und das Lösungsmittel gleichmäßig zu verteilen; Aufbringen der keramischen Überzugs-Zusammensetzung auf einen Oberflächenbereich der Komponente, der durch die lokalisierte Beschädigung freigelegt ist; mechanisches Glätten der Zusammensetzung zur Bildung eines ungehärteten Überzuges, wobei die ungehärtete Überzugs-Zusammensetzung die Fähigkeit hat zu fließen, wenn sie mechanischer Spannung ausgesetzt ist, und an Ort und Stelle zu bleiben, wenn die mechanische Spannung entfernt wird, und Verdampfen des Lösungsmittels und Härten der Überzugs-Zusammensetzung für eine Dauer, die genügt, um einen getrockneten Überzug zu ergeben, der den Oberflächenbereich der Komponente abdeckt, wobei der getrocknete Überzug die Keramikpulver und das Keramikmaterial von Nanogröße in einer polymeren Matrix umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, weiter einschließend die Stufe des Reinigens des beschädigten Bereiches des Überzuges vor dem Aufbringen der keramischen Überzugs-Zusammensetzung.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, worin die Keramikpulver weiter mindestens ein Keramikmaterial umfassen, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Aluminiumoxid, Zirkoniumdioxid, Hafniumdioxid, Magnesiumoxid, Titandioxid, Calciumoxid und Siliciumdioxid.
Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, worin das mindestens eine Keramikmaterial von Nanogröße ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Aluminiumoxid, Titandioxid und Siliciumdioxid.
Verfahren nach irgendeinem vorhergehenden Anspruch, worin der Binder ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Silicon-Bindern und Phosphat-Bindern.
Verfahren nach irgendeinem vorhergehenden Anspruch, worin die Komponente eine Komponente einer Gasturbinentriebwerks-Baueinheit ist.
Verfahren nach irgendeinem vorhergehenden Anspruch, worin die Stufe des Aufbringens in einer nicht kontrollierten Atmosphäre unter Benutzung von Pasten-Ausgabesystemen ausgeführt wird, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Tuben und Behältern mit Abgabedüsen zur Ausgabe und zum glatten Aufbringen der Zusammensetzung auf die Oberfläche der Komponente.
Verfahren nach irgendeinem vorhergehenden Anspruch, worin die Stufe des mechanischen Glättens der Zusammensetzung unter Einsatz mechanischer Mittel ausgeführt wird, die ausgewählt aus sind aus der Gruppe bestehend aus Kittmessern, Kittspachteln, Bürsten und Schwämmen.
Verfahren nach irgendeinem vorhergehenden Anspruch, weiter einschließend die Stufe des Anwendens von Wärme auf den getrockneten Überzug bei einer genügend hohen Temperatur, um den Binder zu modifizieren, einen Reparaturüberzug zu bilden, umfassend die Keramikpulver und das Keramikmaterial von Nanogröße in einer glasartigen Keramikmatrix.
Verfahren nach Anspruch 9, worin die Stufe des Anwendens von Wärme auf den getrockneten Überzug unter Einsatz einer Wärmequelle ausgeführt wird, die ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Heizkanonen, Heizmatten, Heizlampen und Brennern.