DE69930486T2 - Verfahren zur Entfernung von Heisskorrosionsprodukten von einer Aluminiddiffusionsschicht - Google Patents

Verfahren zur Entfernung von Heisskorrosionsprodukten von einer Aluminiddiffusionsschicht Download PDF

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Description

  • Gegenstand der Erfindung sind Verfahren zur Reparatur von Gasturbinentriebwerkskomponenten, die durch Diffusionsaluminidbeschichtungen geschützt sind. Insbesondere ist diese Erfindung auf ein Verfahren gerichtet, durch das Heißkorrosionsprodukte von einer Diffusionsaluminidbeschichtung beseitigt werden können, ohne die Beschichtung zu beschädigen und deshalb die Verjüngung der Beschichtung anstelle der kompletten Beseitigung und Ersetzung gestatten.
  • Die Betriebsumgebung ist in einem Gasturbinentriebwerk sowohl thermisch als auch chemisch feindlich. Bei Hochtemperaturlegierungen wurden signifikante Fortschritte durch die Darstellung von Eisen-, Nickel- und Kobaltbasis Superlegierungen erreicht, wobei aber die aus solchen Legierungen gebildeten Komponenten häufig lang andauernden Dienst widerstehen können, wenn sie in bestimmten Abschnitten des Gasturbinentriebwerks angeordnet sind wie bspw. der Turbine, der Brennkammer oder der Schubdüse. Eine allgemeine Lösung liegt in dem Schutz der Oberflächen solcher Komponenten mit einer umgebenden Beschichtung, d.h. eine Beschichtung, die gegen Oxidation und Heißkorrosion widerstandsfähig ist. Beschichtungen, die zu diesem Zweck weite Anwendung gefunden haben, behalten Diffusionsaluminidbeschichtungen und Überlagerungsbeschichtungen, wie bspw. MCrAlY (wobei M Eisen, Nickel und/oder Kobalt ist), der eine Diffusionsaluminidbeschichtung überlagert sein kann. Bei der Hochtemperaturexposition in Luft bilden diese Beschichtungen einen schützenden Aluminiumoxydzunder (Korund), der die Oxidation der Beschichtung und des darunter liegenden Substrats hemmt. Diffusionsaluminidbeschichtungen sind insbesondere zweckmäßig, um einen Umgebungsschutz für Komponenten zu liefern, die mit internen Kühlkanälen versehen sind, wie bspw. Hochdruckturbinenschaufeln, weil Aluminide in der Lage sind, einen Umgebungsschutz ohne signifikante Reduktion der Querschnitte der Kühlpassagen zu erbringen. Wie es im Stand der Technik bekannt ist, ergeben sich Diffusionsaluminidbeschichtungen durch eine Reaktion mit einer Aluminium enthaltenden Verbindung auf der Bauteiloberfläche. Die Reaktion bildet zwei gesonderte Zonen, deren äußere als Additivschicht bezeichnet wird, die die umgebungseinflussresistente intermetallische Phase MAl enthält, wobei M in Abhängigkeit von dem Substratmaterial Eisen, Nickel oder Kobalt ist. Unter der Additivschicht liegt eine Diffusionszone, die verschiedene intermetallische und metastabile Phasen enthält, die sich während der Beschichtungsreaktion im Ergebnis von Diffusionsgradienten und Veränderungen in der Löslichkeit der Elemente in dem lokalen Bereich des Substrats bilden.
  • Heißkorrosion von Gasturbinentriebwerkskomponenten tritt allgemein auf, wenn Schwefel und Natrium bei der Verbrennung reagiert und Natriumsulfat (Na2SO4) bildet, was an den Bauteiloberflächen kondensiert und diese nachfolgend attackiert. Schwefel- und Natriumquellen für Heißkorrosionsreaktionen werden durch Verunreinigungen des verbrannten Brennstoffs sowie auch durch Aufnahme von natriumhaltigen Staub und/oder Aufsaugen von Meeressalz gebildet. In der letztgenannten Situation tritt Heißkorrosion typischerweise an Turbinenschaufeln und Düsen des heißen Abschnitts unter Bedingungen auf, bei denen sich Salzablagerungen als Festkörper oder Flüssigkeit auf den Komponentenoberflächen bilden. Die Salzablagerungen können die schützende Aluminiumoxydschicht auf der Aluminiumbeschichtung durchdringen, was zu einem schnellen Angriff auf die Beschichtung führt. Heißkorrosion führt zu einer lose haftenden externen Zunderschicht mit verschiedenen inneren Oxyden und Sulfiden, die unter die externe Zunderschicht dringen. Diese Produkte sind allgemein Schwefel und Natriumverbindungen mit Elementen, die in der Legierung vorhanden sind und möglicherweise mit anderen Elementen aus der Umgebung wie bspw. Kalzium, Magnesium, Chlor, usw. Als solche sind die Korrosionsprodukte von Oxyden unterscheidbar, die sich als Folge der oxidierenden Umgebung, der sie ausgesetzt sind, normalerweise an Gasturbinentriebwerkskomponenten bilden oder abgelagert werden.
  • Traditionell werden Aluminidbeschichtungen vollständig entfernt, um eine Komponentenreparatur durch Schweißen oder Löten oder zum Ersatz der beschädigten Beschichtung zu ermöglichen, wonach eine neue Aluminidbeschichtung durch einen geeigneten Aluminisierungsprozess aufgebracht wird. Alle in der Beschichtung vorhandenen Heißkorrosionsprodukte werden mit der Beschichtung entfernt. Ein Nachteil der kompletten Entfernung einer Alumindbeschichtung von einer Gasturbinentriebwerkskomponente liegt darin, dass ein Teil des Substratmetalls mit der Beschichtung mit entfernt wird, was die Lebensdauer der Komponente signifikant verkürzt. In der Folge sind neue Reparaturtechnologien vorgeschlagen worden, durch die Diffusionsaluminidbeschichtungen nicht entfernt, sondern anstelle dessen verjüngt wurden, um die Aluminidbeschichtung und den Umgebungsschutz der durch solche Beschichtungen erbracht wird, wiederherzustellen. Jedoch können die Verjüngungstechnologien für Turbinenschaufeln und zur Düsenreparatur nicht in Gegenwart von Heißkorrosionsprodukten durchgeführt werden, weil jegliche verbleibende Heißkorrosionsprodukte bei Exposition zu hohen Triebwerkstemperaturen zu einem Angriff auf die verjüngte Beschichtung führen würden. Weil Heißkorrosionsprodukte ein Entfernen durch abrasives Sandstrahlen erfordern, sind Verjüngungstechnologien auf Kom ponenten beschränkt, die nicht durch Heißkorrosion angegriffen sind. Die FR-A-24839623 beschreibt einen alkalischen Autoklavprozess zur Entfernung von Oxid-, Silikat- und Sulfidzundern von Gasturbinentriebwerkskomponenten, die durch eine Aluminidbeschichtung geschützt sind.
  • Aus dem Obigen ergibt sich, dass zur erfolgreichen Implementierung eines Verjüngungsprogramms für Gasturbinentriebwerkskomponenten mit Diffusionsaluminidbeschichtungen, die Seesalz und anderen Schwefel- und Natriumquellen ausgesetzt waren, die Heißkorrosionsprodukte entfernt werden müssen, ohne die Aluminidbeschichtungen zu beschädigen. Behandlungen mit basischen Lösungen in Autoklaven sind erfolgreich eingesetzt worden, um Aluminium- und Nickeloxyde von Komponenten zu entfernen, jedoch waren solche Behandlungen bei der Entfernung von Heißkorrosionsprodukten aus dem ersichtlichen Grund nicht erfolgreich, dass die komplexeren Heißkorrosionsprodukte in basischen Lösungen nicht löslich sind. Entsprechend fehlt dem Stand der Technik ein Verfahren durch das Heißkorrosionsprodukte ohne Beschädigung oder Entfernung einer Diffusionsaluminidbeschichtung vollständig entfernt werden können.
  • Die vorliegende Erfindung schafft ein Verfahren, das zur Entfernung von Heißkorrosionsprodukten von der Oberfläche einer Gasturbinentriebwerkskomponente geeignet ist, die Salzlösungen und andere Natrium- und Schwefelquellen bei extrem hohen Temperaturen ausgesetzt sind, wie es bei Turbinen-, Brennkammer- oder Schubdüsenkomponenten von Gasturbinentriebwerken der Fall ist. Das Verfahren sieht die Entfernung von Heißkorrosionsprodukten von Komponenten vor, die durch eine Diffusionsaluminidbeschichtung geschützt sind, die eine Additivschicht auf der Oberfläche der Komponente aufweist, sowie eine Diffusionszone in der Oberfläche der Komponente, wobei das Verfahren die Schritte aufweist: Konditionieren der Oberfläche der Komponente durch eine Technik, die aus der Gruppe ausgewählt worden ist, zu der basisch ätzende Behandlungen und Sandstrahlen, Eintauchen der Komponente in eine schwache essigsaure Lösung bei Temperaturen zwischen 65,5°C (150°F) bis 79,5°C (175°F) für wenigstens zwei Stunden und Bewegen der Oberfläche der Komponente, während sie in die Lösung eingetaucht ist, so dass die Heißkorrosionsprodukte an der Oberfläche der Komponente entfernt werden, ohne die Diffusionsaluminidbeschichtung zu beschädigen oder zu beseitigen, gehören.
  • Im Ergebnis können Bereiche der Komponente, von der die Heißkorrosionsprodukte entfernt worden sind, dann durch einen geeigneten Verjüngungsprozess repariert werden. Falls gewünscht, kann die Komponente vorbehandelt werden, indem sie in einem Autoklav mit einer basischen Lösung behandelt wird, um Oxyde von der Oberfläche der Komponente zu entfernen. Eine solche Autoklavbehandlung kann von einem Wasserstrahlabstreifprozess gefolgt werden, um eine TBC (falls vorhanden) zu entfernen, die auf der Oberfläche mit der Aluminidbeschichtung haftet.
  • Schwache essigsaure Lösungen, wie bspw. weißer Essig, haben sich unerwarteter Weise als zweckmäßig zur Entfernung von Heißkorrosionsprodukten herausgestellt, wenn sie bei gewissen Temperaturen und unterstützt durch eine ausreichende Bewegung gefolgt von einer Oberflächenkonditionierung oder einem Aktivierungsschritt wie in Anspruch 1 definiert begleitet werden. Vorteilhafterweise hat sich herausgestellt, dass solche schwachen essigsauren Lösungen die Aluminidbeschichtungen nicht angreifen und eine Verjüngung einer Aluminidbe schichtung anstelle einer kompletten Entfernung der Beschichtung und dann dem Aufbringen einer neuen Beschichtung gestatten. Ein anderer Vorzug dieser Erfindung liegt darin, dass die Essigsäure Abwasserbehandlungseinrichtungen nicht beeinträchtigt und ohne Sorge beseitigt werden kann, das im Abwasser zulässige Metallionenkonzentrationen überschritten werden. Entsprechend ist das erfindungsgemäße Behandlungsverfahren umweltfreundlich.
  • Andere Objekte und Vorzüge dieser Erfindung ergeben sich besser aus der folgenden detaillierten Beschreibung. Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung schafft ein unkompliziertes und für die Umwelt sicheres Verfahren zur Entfernung von Heißkorrosionsprodukten, die in Aluminidbeschichtungen an den Oberflächen von Gasturbinentriebwerkskomponenten vorhanden sind, die bei hohen Temperaturen Natrium- und Schwefelquellen einschließlich Treibstoff, Staub und Seewasser ausgesetzt sind. Bemerkenswerte Beispiele solcher Komponenten sind Hoch- und Niederdruckturbinendüsen und Schaufeln, Gehäuse, Brennkammerauskleidungen und Schubdüsenteilen von Gasturbinentriebwerken. Von besonderem Interesse für die Erfindung sind Gasturbinentriebwerkskomponenten, die durch eine Diffusionsaluminidbeschichtung oder eine MCrAlY-Beschichtung geschützt sind, die mit einer Diffusionsaluminidbeschichtung überbeschichtet sind, auf der sich eine keramische Topbeschichtung, wie bspw. TBC, befinden kann, aber nicht muss. Während die Vorzüge dieser mit Bezug auf Gasturbinentriebwerkskomponenten beschrieben werden, ist die Erfindung allgemein für jede Komponenten anwendbar, die eine aluminisierte Oberfläche aufweist, die von einer Verjüngung ohne Entfernung der vorhandenen Aluminidbeschichtung profitieren würde.
  • Das Verfahren mit dieser Erfindung beinhaltet die Behandlung einer aluminisierten Oberfläche, die durch Heißkorrosion angegriffen wird mit einer schwachen essigsauren Lösung, wobei ein Beispiel derselben weißer Essig mit einem Gehalt von ungefähr 4 bis 8 Gew.% Essigsäure ist. Während die parallel anhängige und dem gleichen Anmelder überschriebene US-PS mit der Seriennummer 09/009,236 für Bowden offenbart, dass Essig, schmutz- und siliziumoxyd- und kalziumbasierte Verbindungen von Gasturbinen Triebwerkskomponenten entfernen kann, ist die Fähigkeit von Essig und anderen schwachen essigsauren Lösungen zur Beseitigung von komplexen Heißkorrosionsprodukten, die chemisch an die Aluminidbeschichtung gebunden sind, unbekannt und unerwartet. Gemäß der Erfindung ist eine schwache essigsaure Lösung in Kombination mit einer geeigneten Oberflächenvorbehandlung, wie in Anspruch 1 definiert, überraschenderweise zur kompletten Entfernung von Heißkorrosionsprodukten ohne Beschädigung oder Beseitigung solcher Abschnitte der Beschichtung geeignet, die nicht durch Heißkorrosion angegriffen worden sind. Während Essig als Behandlungslösung gemäß dieser Erfindung wegen seiner Verfügbarkeit und der Kosten generell bevorzugt wird, ist es vorauszusehen, dass stärkere und schwächere essigsaure Lösungen, die durch andere Verfahren erhalten worden sind, ebenfalls verwendet werden könnten.
  • Während unterschiedliche Lösungsstärken möglich sind, liegen die bevorzugten Essigsäurekonzentrationen der Lösung bei ungefähr 4% bis 5%. Vollständiges Untertauchen der Komponente stellt sicher, dass alle Oberflächen, einschließlich jeder internen Fläche, wie solche, die durch Kühlpassagen gebildet werden, von der Lösung berührt werden. Die Oberflächen der Komponente werden dann bewegt, wie bspw. mittels Ultraschallenergie, um die Heißkorrosionsprodukte von den Oberflä chen der Komponente abzulösen. Geeignete Parameter für eine Ultraschallreinigungsoperation sind durch den Fachmann leicht bestimmbar, mit kürzeren Dauern, die möglich sind, wenn die Komponente höheren Ultraschallenergieniveaus ausgesetzt ist. Generell ist eine zweistündige Dauer unter Verwendung eines kommerziell verfügbaren Ultraschallreinigungsgeräts ausreichend, um einen Großteil der Heißkorrosionsprodukte zu entfernen, die chemisch an eine Aluminidbeschichtung gebunden sind. Eine bevorzugte Behandlung beträgt ungefähr zwei bis vier Stunden zur Sicherstellung der kompletten Beseitigung von Heißkorrosionsprodukten. Auf das Ultraschallreinigen folgend wird die Komponente mit Wasser oder einem anderen geeigneten Spülmittel gespült, um die essigsaure Lösung von den inneren und äußeren Oberflächen der Komponente zu beseitigen. Die Komponente ist dann fertig für die Verjüngung ihre Aluminidbeschichtung durch einen geeigneten Aluminisierungsprozess. Bei der Verjüngung wird Diffusionsaluminid auf solchen Regionen wieder abgelagert, von denen die Heißkorrosionsprodukte entfernt worden sind. Vor der Verjüngung sind diese Bereiche durch das Fehlen der Additivschicht der originalen Aluminidbeschichtung charakterisiert, wobei die Diffusionszone erhalten bleibt.
  • Die Untersuchung, die zu dieser Erfindung geführt hat, beinhaltet die Behandlung von Hochdruckturbinenschaufeln, die mit Diffusionsaluminidschutzbeschichtungen versehen sind, die durch Heißkorrosion angegriffen sind, was eine blaugraue Verfärbung and en Oberflächen der Schaufeln ergibt. Jede Schaufel wurde zunächst in einem Autoklaven bei zwischen 150°C und 250°C mit einem Druck zwischen 100 und 3000 PSI (0,7 bis 21 MPa) in einer basischen Lösung behandelt, die Natriumhydroxid enthält. Während der Autoklavprozess im Triebwerk auftretende Oxide von den Schaufeln erfolgreich gelöst hat, bleiben Heiß korrosionsprodukte an den Aluminidbeschichtungen, insbesondere an den konkaven Flächen der Schaufeln, fest haftend. Die Turbinenschaufelns sind mit der Spitze abwärts in einen Behälter unverdünnten weißen Essigs bei einer Temperatur von 65,5°C (150°F) eingetaucht worden. Der Behälter und die Schaufeln sind dann einer Ultraschallanregung für insgesamt zwei Stunden ausgesetzt worden, wonach die Schaufeln mit Leitungswasser gespült worden sind.
  • Nach der obigen Behandlung und ohne zusätzliche Behandlung (bspw. Sandstrahlen oder -schleudern) ist beobachtet worden, dass die blaugraue gefärbten Heißkorrosionsprodukte von zwei der drei Schaufeln vollständig entfernt waren. Die Heißkorrosionsprodukte wurden von der dritten Schaufel durch leichtes Sandstrahlen vollständig beseitigt, das die Aluminidbeschichtung an der Schaufeloberfläche nicht beschädigt hat. Eine metallurgische Untersuchung der Schaufeln zeigte, dass die erwärmte Essiglösung mit dem Korrosionsprodukt reagiert und dieses vollständig entfernt hatte, welches in der Additivschicht der Beschichtung präsent war. Bedeutsamerweise hat die Essiglösung diese unkorrodierten Bereiche der Beschichtung, die den Bereichen unmittelbar benachbart ist, von denen die Heißkorrosionsprodukte entfernt worden sind, nicht angegriffen. Im Ergebnis waren die Schaufeln in einem zur Verjüngung ihre Aluminidbeschichtungen geeigneten Zustand.
  • Dem Erfolg der obigen Ergebnisse folgend sind zusätzliche Tests an einer zweiten Gruppe von Hochdruckturbinenschaufeln durchgeführt worden, deren Diffusionsaluminidschutzbeschichtungen durch Heißkorrosion ähnlich angegriffen waren. Anstelle einer Autoklavbehandlung wurde jede Schaufel zunächst durch Sandstrahlen vorbehandelt, um die Oberflächen der Schaufeln zu reinigen. Diese Schaufeln sind dann mit der Spitze nach unten in einen Behälter unverdünnten weißen Essigs bei einer Temperatur von 65,5°C (150°F) eingetaucht und einer Ultraschallanregung für insgesamt zwei Stunden ausgesetzt und dann mit Leitungswasser gespült worden. Die Inspektion der Schaufeln nach der Spülung zeigte, dass die Heißkorrosionsprodukte von allen Schaufeln vollständig entfernt waren.
  • Es wurde außerdem darauf geschlossen, dass die Behandlung mit der schwachen essigsauren Lösung am besten in Verbindung mit einem basischen Autoklavprozess oder Sandstrahlen als Oberflächenkonditionierungs- oder Aktivierungsvorbehandlungsprozess durchgeführt, wird, um die Beseitigung von Oxyden zu verbessern, die sich als Folge der oxidierenden Betriebsumgebung in einem Gasturbinentriebwerk ergeben. Als geeignete Autoklavbedingungen werden solche angesehen, zu denen die Verwendung von Natriumhydroxid als basische Lösung gehört, wobei konventionelle Autoklavdrücke und Temperaturen genutzt werden. Zusätzlich wurde beschlossen, dass die Essigsäurebehandlung gemäß dieser Erfindung in Verbindung mit basischem Autoklavabbeizen benutzt werden kann, um zunächst eine keramische TBC auf einer Diffusionsaluminidbeschichtung (die in diesen Fall als Bindeschicht für die TBC dient) und dann zur Entfernung von Heißkorrosionsprodukten von der exponierten Aluminidbeschichtung dient. Diese letztere Prozedur kann Wasserstrahlabstreifen der TBC gemäß der US-Patentanmeldung mit der Seriennummer (Anwaltsakte Nr. 13DV-1255) beinhalten.

Claims (8)

  1. Verfahren zur Beseitigung von Heißkorrosionsprodukten von der Oberfläche einer Gasturbinenkomponente, die durch eine Diffusions-Aluminid-Beschichtung geschützt ist, die eine Additivschicht auf der Oberfläche der Komponente sowie eine Diffusionszone in der Oberfläche der Komponente enthält, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: Konditionieren der Oberfläche der Komponente durch eine Technik, die aus der Gruppe folgender Techniken ausgewählt ist: Ätzbehandlung und Schrotstrahlen, Eintauchen der Komponente in eine schwache Essigsäurelösung bei einer Temperatur zwischen 65,5°C (150°F) bis 79,5°C (175°F) für wenigstens zwei Stunden und Bewegen der Oberfläche der Komponente während sie in die Lösung eingetaucht ist, so dass die Heißkorrosionsprodukte auf der Oberfläche der Komponente ohne Beschädigung oder Entfernung der Diffusions-Aluminid-Beschichtung entfernt werden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem außerdem der Schritt der Aluminisierung der Oberfläche der Komponente zur Reparatur von Bereichen der Oberfläche durchgeführt wird, von denen die Heißkorrosionsprodukte entfernt worden sind.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem außerdem vor Durchführung des Aluminisierungsschritts außerdem der Schritt des Abbrausens der Lösung von der Oberfläche der Kompo nente durchgeführt wird.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem Bewege- oder Rührschritt durchgeführt wird, indem die Komponente Ultraschallenergie ausgesetzt wird.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Ätzbehandlung beinhaltet, dass die Komponente einer Ätzlösung bei einem Druck von 0,7 bis 21 Mpa (100 bis 3000 psi) und einer Temperatur von 150°C bis 250°C ausgesetzt wird, um Oxide von der Oberfläche der Komponente zu entfernen.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem, wenn eine Keramikbeschichtung die Diffusions-Aluminid-Beschichtung auf der Oberfläche der Komponente überlappt, das Verfahren außerdem den Schritt aufweist, dass nachdem die Komponente der Ätzlösung ausgesetzt worden ist, jedoch vor dem Eintauchen, die Komponente einem Wasserstrahl-Abstreifvorgang ausgesetzt wird, um die Keramikbeschichtung von der Komponente zu entfernen.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem von der Oberfläche der Komponente während des Bewegeschritts alle Heißkorrosionsprodukte entfernt werden.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Komponente eine Turbinenschaufel ist.
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