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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.