DE69924590T2

DE69924590T2 - Alkalisches Verfahren zum Ersetzen von Wärmedämmschichten

Info

Publication number: DE69924590T2
Application number: DE69924590T
Authority: DE
Inventors: D. Niskayuna Sangeeta; Howard John Cincinnati Farr; Roger Dale Loveland Wustman
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1998-12-14
Filing date: 1999-11-05
Publication date: 2006-02-09
Anticipated expiration: 2019-11-06
Also published as: EP1010776B1; JP4954357B2; KR20000048100A; US6146692A; EP1010776A1; JP2000248391A; CZ293386B6; CZ454199A3; KR100652993B1; DE69924590D1; TW548345B

Description

Diese Erfindung betrifft das Entfernen von Wärmedämmschichten von Oberflächen. Insbesondere betrifft die Erfindung das Entfernen von Wärmedämmschichten, ohne dabei darunter liegende Schichten wie Nickelaluminid oder Platinnickelaluminid anzugreifen.
Höhere Arbeitstemperaturen erhöhen die Wirksamkeit von Gasturbinenmaschinen. Fortgeschrittene Antriebstechnologien umfassen jetzt das Arbeiten von Maschinen bei Temperaturen von 1000°C und darüber. So hohe Arbeitstemperaturen stellen eine Herausforderung für die Beständigkeit der Maschinenkomponenten dar. Die Verwendung von Superlegierungen auf Nickel- und Kobaltbasis haben einige Fortschritte bezüglich der Hochtemperaturbeständigkeit gebracht. Jedoch müssen in bestimmten Sektionen einer Gasturbinenmaschine wie in der Turbine, im Verbrenner und Verstärker die metallischen Komponenten mit einer Wärmeisolation versehen werden, um eine weitere Beständigkeit beim Arbeiten im Hochtemperaturbereich zu gewährleisten.
Wärmedämmschichten (TBC) werden üblicherweise auf metallischen Komponenten verwendet, um eine weitere Beständigkeit bei Hochtemperaturarbeiten zu gewährleisten, wie in manchen Sektionen der modernen Turbinenmaschinen gefordert wird. Die Wärmedämmschicht schließt typischerweise eine keramische Beschichtung ein, welche auf einer metallischen Bindeschicht aufgebracht ist, welche auf der Metallkomponentenoberfläche aufgebracht ist. Typischerweise ist die Bindeschicht Platin Nickelaluminid, Nickelaluminid, aluminidiertes MCrAlY (wobei M Nickel, Kobalt, Nickel-Kobalt und Eisen entspricht; Cr ist Chrom; Al ist Aluminium; Y ist Yttrium) oder Gemische davon. Die keramische Beschichtung kann in Form von stabilisiertem Zirkonoxid aufgebracht werden, wie z. B. Zirkonoxid stabilisiert mit Calciumoxid, Hafniumoxid, Magnsesiumoxid, Yttriumoxid oder irgendeinem der seltenen Erden Oxide, welche eine Wärmedämmschicht aus feuerfesten Oxiden bilden. Die Wärmedämmschicht hat eine sehr niedrige Wärmeleitfähigkeit, niedrige Dichte und einen hohen Schmelzpunkt.
Während der Zeit des Betriebes kommt es bei den beschichteten metallischen Komponenten von Maschinen für Verkehrsflugzeuge, einigen Militärflugzeugen oder für Kraftwerksanlagen zu Rissbildungen, Abblättern oder zu chemischen oder physikalischen Angriffen. Deshalb müssen diese Maschinen periodisch gründlich überholt werden. Während des Überholens können Turbinenblätter und Flügel, die nicht die Kriechgrenzen überschritten haben und auch nicht anderweitig ernstlich erodiert oder beschädigt sind, für eine Wiederverwendung renoviert werden. Schichten wie die Wärmedämmschicht und Bindebeschichtung werden von der metallischen Komponente abgezogen, und die Komponente wird überarbeitet und gereinigt, wiederbeschichtet und dem Einsatz wieder zugeführt. Die Wärmedämmschicht muss vollständig entfernt sein, bevor die metallische Oberfläche mit frischen Bindeschichten und Wärmedämmschichten wiederbeschichtet wird.
Ault, US PS 4 439 241, offenbart das Reinigen eines Turbinenteils und Reparieren des Teils z. B. mittels Schweißen oder Glätten und das Wiederaufbringen der äußeren Beschichtung. In dem Verfahren wird ein Teil wie z. B. ein Turbinenblatt in einem Halter in einen Autoklaven eingesetzt und dem Fluss einer alkalischen Lösung von Kaliumhydroxid (KOH) oder Natriumhydroxid (NaOH) und Wasser bei einer Temperatur zwischen 150°C bis 235°C bei einem Druck zwischen 1034 KPa bis 2413 KPa (150 psi bis 350 psi) ausgesetzt. Die Kaliumhydroxidlösung ist 20 bis 45 gewichtsprozentig.
Erste Stufenturbinenblätter erleiden einen Aufbau von Silicium-Calcium (Si-Ca) reichem Schmutz und Bruchstücken während des Betriebs der Maschine, was den Fluss der Kühlluft beeinträchtigt und heiße Stellen erzeugt, welche zu einer beschleunigten inneren Korrosion führen, die eine Materialschwächung durch das ganze Blatt führen kann. Frühere Autoklaven-Verfahren, bei denen große Mengen dieser inneren Bruchstücke entfernt wurden, haben sich als ineffektiv erwiesen. Irvine et al., New Method for Turbine Blade Internal Cleaning (neue Methoden zum inneren Reinigen von Turbinenblättern) ein Papier, das bei dem Internal Gas Turbine and Aeroengine Congress and Exposition, Houston, Texas, Juni 5 – 8, 1995, präsentiert wurde, schlägt vor, erhitzte kaustische Mittel bei Drucken, die sich 2758 KPa (400 psi) nähern, durch die inneren Hohlräume der Turbinenblätter zu pumpen. Der erhöhte kaustische Fluss bei diesem Prozess verbessert die Reinigungswirksamkeit verglichen mit dem vorher bekannten Autoklaven-Verfahren. Das Verfahren reduziert die Reparaturkosten, indem es zu besseren Erfolgen bei der Reparatur führt.
Das Kaustik-Verfahren kann benutzt werden, um Maschinenteile wie Tragflächen zu reinigen und kann auch benutzt werden, um keramische Kerne von den Tragflächen-Güssen zu entfernen. Das kaustische Mittel reagiert mit Oxiden und Hydroxiden und bildet dabei Salze der Alkalimetalle, welche in Wasser löslich sind. Diese chemische Reaktion macht es möglich, Tragflächen zu reinigen und keramische Kerne zu entfernen. Außerdem ist die chemische Reaktion des kaustischen Prozesses vorgeschlagen worden, um Wärmedämmschichten zu entfernen durch Auflösen der Aluminiumoxid-Zwischenschicht zwischen der Wärmedämmschicht und der darunter liegenden metallischen Komponente. Leider greift unter den Bedingungen, wie sie gemäß dem Stand der Technik gelehrt werden, der kaustische Prozess auch das Nickelaluminid oder Platinnickelaluminid der darunter liegenden metallischen Komponente an. Wenn die metallische Komponente in der Folge gereinigt und werden mit der Wärmedämmschicht versehen und in der Hitze behandelt worden ist, schält sich eine schwarze Schicht, von der man annimmt, dass es sich in der Hauptsache um Nickeloxid handelt, von der inneren und äußeren Oberfläche der Tragfläche ab. Deshalb besteht die Notwendigkeit einen kaustischen Prozess zur Verfügung zu stellen, um die Wärmedämmschichten von einer darunter liegenden metallischen Komponente zu entfernen, ohne die unerwünschten schwarzen Häutchen (Flocken) zu bilden. Die vorliegende Erfindung basiert auf der Entdeckung, dass die Hautschicht (Flocken) vermieden werden kann, indem man den kaustischen Prozess unter ausgewählten Verfahrensbedingungen durchführt.
Die US Patentschrift A-5643474 offenbart einen nass-chemischen Prozess, um von beschichteten Teilen die Wärmedämmschichten zu entfernen, welche physikalisch aufgedampft wurden oder mittels Luftplasma aufgesprüht wurden, ohne dabei die Bindebeschichtung oder das Basismetallsubstrat zu beschädigen oder anzugreifen. Das Verfahren schließt die Benutzung eines Autoklaven mit einer organischen kaustischen Lösung, um die Wärmedämmschicht vollständig zu entfernen, ein Vergleichsbeispiel, bei dem 50 gewichtsprozentige NaOH in Wasser während 2 Stunden bei 285°C und 13790 KPa (2000 psi) benutzt wird, führt dazu die Bindebeschichtung zu beschädigen und auch die Wärmedämmschicht zu entfernen.
FR-A-2483962 offenbart ein Verfahren um Schuppen, insbesondere Oxidschuppen von der Oberfläche einer Hochtemperaturlegierung zu entfernen, welche Hochtemperaturbedingungen ausgesetzt worden ist. Eine wässrige alkalische Hydroxidlösung, welche 20 bis 75 Gew.-% NaOH oder KOH umfasst, wird mit den Schuppen in einem Autoklaven bei einer Temperatur von 200 bis 340 °C in einer nicht-oxidierenden Atmosphäre in Kontakt gebracht.
Die Erfindung ist ein wässriges kaustisches Verfahren zum Ersetzen einer Wärmedämmschicht auf einer Metalloberfläche, das umfasst:

(A) Das Inkontaktbringen der Metalloberfläche mit einer wässrigen kaustischen Lösung, um die Wärmedämmschicht von besagter Oberfläche unter Verfahrensbedingungen zu entfernen, die so ausgewählt sind, dass die Bildung einer Hautschicht während einer darauffolgenden Aufbringung einer Ersatzwärmedämmschicht und einer Wärmebehandlung vermieden wird, wobei die ausgewählten Bedingungen eine Temperatur in einem Bereich von 230 bis 250°C einschließen, einen Druck von 2758 kPa bis 5516 kPa (400 psi bis 800 psi), einen Sauerstoffgehalt von weniger als 50 Teile pro Million, wobei die kaustische Lösung 40 bis 45 Gew.-% KOH oder 40 bis 50 Gew.-% NaOH aufweist; und
(B) Aufbringen besagter Ersatzwärmedämmschicht.

Im Besonderen betrifft diese Erfindung das chemische Entfernen von Yttriumoxid-stabilisierten Zirkoniumoxid Wärmedämmschichten, welche durch physikalisches Aufdampfen oder Luftplasmasprühen auf Superlegierungssubstraten erhalten worden sind, die eine Bindeschicht aufweisen. In dem Verfahren wird die Oberfläche des beschichteten Teils mit kaustischer Lösung in Kontakt gebracht, um die Wärmedämmschicht zu entfernen. Die Verfahrensbedingungen für das Inkontaktbringen mit der kaustischen Lösung werden so ausgewählt, dass die Bildung einer Hautschicht während einer darauffolgenden Aufbringung einer Ersatz- oder Reparaturwärmedämmschicht und einer Wärmebehandlung vermieden wird. Eine Ersatz- oder Reparaturwärmedämmschicht wird dann auf die Metalloberfläche wieder aufgebracht. Die Hautschicht ist ein Oxidationsprodukt von Nickelaluminid oder Platinnickelaluminid.
In einem anderen Aspekt ist die Erfindung ein wässriges kaustisches Verfahren zur Behandlung einer Nickelaluminid-enthaltenden Metalloberfläche, einer Platinnickelaluminid-enthaltenden Metalloberfläche, einer MCrAlY aluminid-enthaltenden Metalloberfläche oder Gemischen davon, um eine Wärmedämmschicht oder andere in kaustischen Mitteln lösliche keramische Beschichtung zu entfernen, das umfasst:

(A) das Inkontaktbringen der Metalloberfläche mit einer wässrigen kaustischen Lösung unter Verfahrensbedingungen, die so ausgewählt sind, dass die Reaktion dieser kaustischen Lösung mit besagtem Nickelaluminid, Platinnickelalumid oder Mischungen davon vermeidet, eine Hautschicht während der darauffolgenden Aufbringung einer Wärmedämmschicht und einer Wärmebehandlung zu bilden, wobei die ausgewählten Bedingungen einschließen eine Temperatur im Bereich von 230°C bis 250°C, einen Druck von 2758 kPa bis 5516 kPa (400 psi bis 800 psi), einen Sauerstoffgehalt von weniger als 50 Teilen pro Million, und die kaustische Lösung 40 bis 45 Gew.-% KOH oder 40 bis 50 Gew.-% NaOH enthält; und
(B) das Aufbringen besagter Wärmedämmschicht.

Die Erfindung stellt ein Verfahren zum Entfernen von Wärmedämmschichten von flachen oder Konturen aufweisenden Oberflächen zur Verfügung, indem man die mit einer Wärmedämmschicht versehene Oberfläche in einem Autoklaven mit einer kaustischen Lösung wie in Anspruch 1 definiert, behandelt.
Die Autoklaven-Kammer wird mit einem Inertgas wie Argon, Helium und Stickstoff gereinigt, sodass der Sauerstoffgehalt weniger als 50 Teile pro Million und insbesondere, dass der Sauerstoffgehalt weniger als 10 Teile pro Million beträgt.
Die Wärmedämmschicht (TBC) ist im Allgemeinen eine chemisch stabilisiertes Zirkoniumoxid wie yttriumoxid-stabilisiertes Zirkoniumoxid, Calciumoxid, stabilisiertes Zirkoniumoxid, Calciumoxid, stabilisiertes Zirkoniumoxid und mit Magnesiumoxid-stabilisiertes Zirkoniumoxid. Andere Oxide oder keramische Beschichtungen, die als thermische Barriere dienen, können ebenfalls als Wärmedämmschicht für die Zwecke dieser Erfindung in Betracht gezogen werden. Auch schließt die Erfindung das Entfernen von anderen in kaustischen Mitteln löslichen keramischen Oxidbeschichtungen, die nicht als Wärmedämmschichten benutzt werden könnten ein. Hier sind unter Bindungsschichten gewöhnlich metallische Zusammensetzungen zu verstehen, welche einschließen Platin-Nickel Aluminium, Aluminium, Nickelaluminium, Nickel-Chrom-Aluminium-Yttrium, Eisen-Chrom-Aluminium-Yttriumoxid, Kobalt-Chrom-Aluminium-Yttrium und Nickel-Kobalt-Chrom-Aluminium-Yttrium.
Substratmaterialien, welche oft in Turbinen für Flugmotoren oder Kraftwerkausrüstungen benutzt werden, können Superlegierungen sein, die auf Nickel, Kobalt oder Eisen basieren. Beispiele für solche Substrate sind GTD-111, GTD-222, Rene-80, Rene 41, Rene 142, N-5, Rene 125, Rene 77, Rene 95, Inconel 706, Inconel 718, Inconel 625, Kobalt-basiertes HS188, Kobalt-basiertes L-605 und rostfreie Stähle. Das Verfahren ist insbesondere geeignet für Teile, die mit Wärmedämmschichten versehen sind und Hardware, welche in Turbinen oder auf Tragflächen benutzt werden. Ein Beispiel für einen Turbinenteil ist ein Turbinenblatt oder Flügel. Die Bezeichnung Tragfläche (airfoil) bezieht sich auch auf Turbinenteile wie Blätter, Flügel, Kolben, Schaufeln, Düsen und dergleichen.
Weitere Substratmaterialien, welche eine Wärmedämmschicht für andere Anwendungen als Turbinenteile anpassen können, können in dieser Erfindung verwendet werden. Z. B. ist ebenfalls in Betracht zu ziehen, dass diese Erfindung für die Entfernung von Wärmedämmschichten in elektronischen Anwendungen und Kraftwerken wie Gas-, Dampf- und Kernkraftwerke verwendet werden können, um nur einige zu nennen.
Die Verwendung von Additiven wie oberflächenaktiven Mitteln und Chelaten, um die Oberflächenspannung der kaustischen Lösung weiter zu reduzieren, kann nützlich sein. Die kaustische Verbindung und das Wasser kann gegenwärtig sein in Verhältnissen von etwa 2:3. Die Konzentrationen der Basen bewegen sich in einem Bereich von 40 zu 45 Gew.-% für Kaliumhydroxid und 40 bis 50 Gew.-% für Natriumhydroxid.
Das Verfahren gemäß der Erfindung wird in einem Autoklaven-Reaktor durchgeführt. Der Autoklaven Reaktor ist ein Druckgefäß und ist so gebaut, dass er hohen Drucken bei hohen Temperaturen widersteht. Druck im System wird erhöht durch Erhitzen des Inhalts (Reaktionsgemisch) im Autoklaven oder durch Benutzen einer externen Quelle von komprimierten Gasen, um im Gefäß einen Überdruck herzustellen. Der Autoklav kann ansatzweise gefahren werden, d. h. die Ingredienzien der kaustischen organischen Lösung werden eingeführt und die Anlage wird geschlossen und die Charge wird auf die gewünschten Temperatur- und Druckbedingungen gebracht. Die Reaktion kann kontinuierlich oder halbkontinuierlich gefahren werden, wenn ein oder mehrere der Reaktanten kontinuierlich eingeleitet werden und Produkte abgezogen werden.
Die Behandlung kann Kombinationen einschließen von Ultraschalleinwirkung, mechanischem Mischen und Sieden verbunden mit einer Autoklaven Behandlung. Die Autoklaven Behandlung kann unter verschiedenen Bedingungen durchgeführt werden. Der Druck liegt im Bereich von 2758 kPa (400 pounds per square inch) bis 5516 kPa (800 pounds per square inch) oder höher, und die Temperatur liegt in einem Bereich von 230°C bis 250°C. Auch kann ein Druck bei Raumtemperatur eingestellt werden durch Verwendung von komprimierten Gasen. Auch kann das Verfahren bei einem Druck von Null beginnen, und durch Erhöhen der Temperatur der Reaktionsmischung steigt der Autoklaven-Druck automatisch in Folge der Zunahme des Dampfdrucks des Reaktionsgemisches. Die Zeit, die nötig ist, um die Wärmedämmschicht zu entfernen, hängt ab von der Menge der Beschichtung, die entfernt wird und den Temperatur- und den Druckbedingung, die angewandt werden. Gewöhnlich liegt die Zeit zwischen 5 Minuten bis 4 Stunden, vorzugsweise zwischen 30 Minuten bis 4 Stunden. Auch ist darauf hinzuweisen, dass durch Benutzen eines Mischers wie z. B. eines mechanischen Rührers, eines magnetischen Rührers oder eines Ultraschallgerätes bei hohen Drucken die Fähigkeit der kaustischen Lösung die Wärmedämmschicht zu entfernen, vergrößert werden kann, auch an gewundenen Stellen und innerhalb einer kürzeren Zeit.
Beispiele:
Eine Anzahl von kaustischen Lösungen, die Kaliumhydroxid (KOH) und Natriumhydroxid (NaOH) enthalten, wurden unter verschiedenen Verfahrensbedingungen getestet. Eine Liste von ausgewählten Bedingungen ist in Tabelle 1 zusammengestellt.
Tabelle I
Die Ergebnisse zeigen an, dass niedrigere Konzentration (30 Gew.-%) des kaustischen Mittels die Nickelaluminid-Schicht angreifen und die Bildung von Hautschichten (Schuppen), während der darauffolgenden Wiederaufbringung der Wärmedämmschicht verursachen.

Claims

Ein wässriges kaustisches Verfahren zum Ersetzen einer Wärmedämmschicht auf einer Metalloberfläche, bei welchem man: (A) die Metalloberfläche mit einer wässrigen kaustischen Lösung zur Entfernung der Wärmedämmschicht von der Oberfläche unter Prozessbedingungen in Berührung bringt, die so ausgewählt sind, dass die Bildung einer Peelschicht während einer nachfolgenden Aufbringung einer Ersatzwärmedämmschicht und Wärmebehandlung vermieden wird, wobei die ausgewählten Bedingungen eine Temperatur im Bereich von 230°C bis 250°C einschließen, einen Druck von 2758 kPa bis 5516 kPa (400 psi bis 800 psi), einen Sauerstoffgehalt von weniger als 50 Teile pro Million, wobei die kaustische Lösung 40 bis 45 Gew.-% KOH oder 40 bis 50 Gew.-% NaOH aufweist; und (B) die Ersatzwärmedämmschicht aufbringt.
Ein wässriges kaustisches Verfahren zur Behandlung einer Nickelaluminid enthaltenden Metalloberfläche, Platinnickelaluminid enthaltenden Metalloberfläche, MCrAlY Aluminid enthaltenden Metalloberfläche und Mischungen daraus zur Entfernung einer Wärmedämmschicht oder anderer kaustisch löslicher Keramikbeschichtungen, bei welchem man: (A) die Metalloberfläche mit einer wässrigen kaustischen Lösung unter Prozessbedingungen in Berührung bringt, die so ausgewählt sind, dass die Reaktion der kaustischen Lösung mit dem Nickelaluminid, Platinnickelaluminid oder Mischungen daraus zur Bildung einer Peelschicht während einer nachfolgenden Aufbringung einer Wärmedämmschicht und Hitzebehandlung vermieden wird, wobei die ausgewählten Bedingungen eine Temperatur im Bereich von 230°C bis 250°C einschließen, einen Druck von 2758 kPa bis 5516 kPa (400 psi bis 800 psi), einen Sauerstoffgehalt von weniger als 50 Teile pro Million, wobei die kaustische Lösung 40 bis 45 Gew.-% KOH oder 40 bis 50 Gew.-% NaOH umfasst; und (B) die Wärmedämmschicht aufbringt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die ausgewählten Bedingungen eine Prozesszeit von 5 Minuten bis 4 Stunden umfassen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Metalloberfläche unter einer Stickstoffatmosphäre oder unter einer Argonatmosphäre mit einer kaustischen Lösung in Berührung gebracht wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Metalloberfläche eine Nickelaluminidbeschichtung oder eine Platinnickelaluminidbeschichtung einschließt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Metalloberfläche die Form einer Tragfläche (airfoil) hat.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren in einer Autoklavenkammer statt findet.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Atmosphäre des Autoklaven weniger als 10 Teile pro Million Sauerstoff enthält.