EP0493685A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Reparatur von Triebwerksschaufeln - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur Reparatur von Triebwerksschaufeln Download PDF

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EP0493685A1
EP0493685A1 EP91120539A EP91120539A EP0493685A1 EP 0493685 A1 EP0493685 A1 EP 0493685A1 EP 91120539 A EP91120539 A EP 91120539A EP 91120539 A EP91120539 A EP 91120539A EP 0493685 A1 EP0493685 A1 EP 0493685A1
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EP
European Patent Office
Prior art keywords
blade
heat conduction
conduction block
casting mold
remnant
Prior art date
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Ceased
Application number
EP91120539A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Jürgen Dr. Wortmann
Fritz Staub
Bruno Dr. Walser
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Sulzer MTU Casting Tech GmbH
Original Assignee
Sulzer MTU Casting Tech GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Sulzer MTU Casting Tech GmbH filed Critical Sulzer MTU Casting Tech GmbH
Publication of EP0493685A1 publication Critical patent/EP0493685A1/de
Ceased legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/005—Repairing methods or devices
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D19/00—Casting in, on, or around objects which form part of the product
    • B22D19/10—Repairing defective or damaged objects by metal casting procedures
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D27/00—Treating the metal in the mould while it is molten or ductile ; Pressure or vacuum casting
    • B22D27/04—Influencing the temperature of the metal, e.g. by heating or cooling the mould
    • B22D27/045—Directionally solidified castings
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T29/00—Metal working
    • Y10T29/49—Method of mechanical manufacture
    • Y10T29/49316—Impeller making
    • Y10T29/49318—Repairing or disassembling
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y10T29/00—Metal working
    • Y10T29/49—Method of mechanical manufacture
    • Y10T29/49718—Repairing
    • Y10T29/49721—Repairing with disassembling
    • Y10T29/49723—Repairing with disassembling including reconditioning of part
    • Y10T29/49725—Repairing with disassembling including reconditioning of part by shaping
    • Y10T29/49726—Removing material
    • Y10T29/49728—Removing material and by a metallurgical operation, e.g., welding, diffusion bonding, casting
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y10T29/00—Metal working
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    • Y10T29/49718—Repairing
    • Y10T29/49746—Repairing by applying fluent material, e.g., coating, casting

Definitions

  • the invention relates to a method and device for repairing engine blades.
  • DE 28 25 283 discloses a method for cladding metals to "repair typical gas turbine engine parts made of alloys based on Fe, Co or Ni using a compatible cored wire". Such repair methods have the disadvantage that, when used for single-crystal engine blades, they form a polycrystalline region which reduces the strength properties of single-crystal blades.
  • this method and device has the disadvantage that the seed crystal surface is exposed to an aggressive atmosphere through the evaporation of volatile constituents from the casting mold during the entire cleaning and heating up period of the casting mold, which increases the risk of poly growth, dislocation formation and high crystal defect concentration at least in the initial phase of crystal growth increased.
  • the object of the invention is to ensure a repair of single-crystal engine blades by specifying a method and a device so that the repaired blade consists entirely of single-crystal material, a decrease in the strength properties is avoided and an inexpensive replication of defective blade sections is made possible.
  • This method has the advantage that the preparation of a low-defect single-crystalline blade remnant guarantees an undisturbed epitaxial growth of the melt on the core material of the blade remnant and thus on a strongly structured blade cross-sectional area, since the blade remnant in the area of the separation is advantageously only a few seconds without covering the melted melt Mold is exposed.
  • a preferred implementation of the method is to keep the blade remainder in a heat conduction block adapted to the contour.
  • a cutout close to the contour is worked into the heat conduction block by preferably electrochemical eroding.
  • the remainder of the blade serves as a tool before removing its polycrystalline, high-tension and defect-rich surface.
  • the complicated blade contour is advantageously worked into the heat conduction block by means of electrochemical eroding.
  • the heat conduction block has parting lines parallel to the longitudinal axis of the remainder of the blade.
  • the blade remnant can then be removed by stripping polycrystalline, high-voltage and defect-rich layers in the area of the intended melting down to a defect-free core material.
  • the stripping of polycrystalline layers can be achieved by plasma etching, electrochemical eroding or mechanical removal.
  • the accumulation of crystalline defects in near-surface areas of the blade remainder introduced during coating, operation or stripping of the blades is reduced by etching off the disturbed areas to a defect density of at most three visually recognizable defects per cm2 and with a defect area of 0.1 mm2.
  • Such a low defect density of the remaining core material has not been a problem for a single-crystal one Crystal growth proved.
  • the blade remnant is freed of surface-rich areas and strained layers in the area of the separation, which have formed, for example, during storage or during stripping.
  • the casting mold before the blade residue, casting mold and metal melt are brought together, the casting mold is spatially separated from the blade residue and from the melted material and is cleaned to high-temperature vacuum during heating and heated to the casting temperature. This extreme cleanliness of the single-crystal surface of the blade remnant in the area of the separation has so far only been achieved with this method.
  • a device for carrying out the repair of an engine blade has locally separated stations, of which a first station is equipped with a crucible, a heating device for melting the melting material and a device for pouring off the melt.
  • a second station is equipped with a holder for the casting mold and a heating device for separate high-temperature vacuum cleaning and heating of the casting mold.
  • a third station is equipped with a heat conduction block and a coolable holder with high-temperature-resistant coupling elements for the melt-tight connection of the casting mold and the heat conduction block.
  • the spatially separated stations have the advantage that they can be coordinated in time and spatially separated for the implementation of the method, so that mutual contamination in the preparation phase is excluded. Furthermore, they can be equipped differently depending on the purity requirements.
  • the equipment specified above is an advantageous minimum equipment of each station, whereby the high temperature vacuum cleaning the casting mold by means of a vacuum and heating device is of central importance for the success of the repair.
  • this unit in the form of a first station from the other stations during the melting phase, with the aim of being able to be cast or high-temperature vacuum-cleaned and preheated state, to couple stations one and two to the third station, which holds the endangered, high-purity and low-defect surface of the blade core material.
  • the heat of crystallization is dissipated for the coolable holding of the heat conduction block during crystal growth.
  • the cooling of the holder is only activated if the temperature control requires it.
  • the core material of the blade remnant protrudes from the heat conduction block, preferably by a height that corresponds at least to the greatest wall thickness of the core material.
  • a preferred arrangement has an outer flange in the bottom region of the casting mold, which has a positive fit with a flange on the heat conduction block corresponds, so that a stepless transition between the blade remainder and the area to be repaired is advantageously achieved, since a fitting of the downwardly open casting mold onto the blade remainder cross-section is ensured by the corresponding flanges.
  • the flanges of the casting mold and heat conduction block form a bayonet lock with inner conical sealing surfaces, so that advantageously after the casting mold is placed on the rest of the blade with its core material cross section, the inner conical sealing surfaces secure a melt-tight connection and with a rapid rotary movement on the bayonet ring of the bayonet lock, a positive connection between the casting mold and the heat conduction block can be produced at high temperatures.
  • the heat conduction block has at least two separating joints in the longitudinal direction of the blade remainder, which ensure removal of the block after the blade has been repaired.
  • the corresponding flanges preferably have mutually fitting annular grooves, which ensure that the casting mold is placed centrally on the holder and the heat conduction block.
  • the quick-release fastener can be equipped with at least two clips that can be attached externally, which quickly and positively connect the heat conduction block and casting mold in hot state after the casting mold has been put on.
  • the hot casting mold is preferably transported to the third station and then the casting mold and holder from the third station to the first station by means of a travel device for quickly bringing together the hot casting mold, heat conduction block with core material and crucible with metal melt.
  • the pouring station is not moved with the hot melt, as a result of which the temperature of the melt is set very precisely until it is poured can.
  • travel devices are provided for the hot mold from the second station and for the crucible with melt from the first station to the third station.
  • the device preferably has a travel device for holding the third station to the second station and the first station is arranged above the second station and has a tilting device for the crucible
  • the three stations can be arranged one above the other in a container.
  • the container has slides between the stations.
  • a lifting device is arranged as a moving device. After the different preparations of the three stations in the three evacuable rooms for casting and opening the slide, the lifting device can advantageously bring together the three units for casting in the shortest possible time.
  • the device has several individual heat conduction blocks assigned to the blades, which can be cooled by a common holder and, if necessary, moved.
  • the second station then has a plurality of casting molds which are connected, for example, via a common flange to the common mounting of the heat conduction blocks before the melt is poured off.
  • the blade area 1, including the damaged area is separated at the leading edge 2.
  • the separating cut is made approximately orthogonal to the longitudinal axis of the blade, so that the usable blade remainder 5 ends with an easily editable cross section of the blade.
  • This cross section can then be used without high material loss in order to work out, with the help of the blade remnant 5, from a heat conduction block 4, as shown in FIG. 2, a continuous recess which is adapted to the blade contour.
  • a single-crystalline core material 3 from the single-crystal blade residue 5 which is defect-rich in the area of the separating cut and is usually covered with a polycrystalline protective layer.
  • the blade cross section becomes thinner as a function of the layer thickness of a polycrystalline protective layer and the depth of penetration of the stress-rich and defect-rich layers, as shown in FIG. 2 with position 3.
  • FIG. 2 shows a downwardly open casting mold 6 which is adapted to a blade remainder 5 and which consists of a heat-insulating material and was modeled on the separated blade part 30 by the known lost wax method.
  • the casting mold 6 widens toward the blade remainder 5 towards a flange 31 which corresponds to a flange 32 of the heat conduction block 4.
  • Both flanges 31 and 32 are fixed with brackets 9.
  • An annular groove 33 is machined in the flange 31 in order to ensure a precise placement of the casting mold 6 on the heat conduction block 4.
  • an additional annular groove 34 in the flange 32 of the heat conduction block is filled with sealing material in order to complete the casting mold 6.
  • the blade remainder 5 is fitted with the core material 3 at its tip in the recess 35 of the heat conduction block 5. Then the heat conduction block is inserted into the holder 7, which has a cooling 8. After vacuum heating and placing the downwardly open casting mold 6 on the heat conduction block 4, the clamps 9 are pushed over the flanges 31 and 32 in the hot state and the melted material which has melted in the meantime can be poured onto the scoop rest 5 via the funnel-shaped sprue 36 of the casting mold.
  • the high-purity surface of the core material 3 is not contaminated until the melt is poured off.
  • the core material 3 is melted until the cooling 8 of the holder 7 dissipates so much heat via the heat conduction block 4 that a single-crystal epitaxial growth on the melted blade cross-section used and a repaired single-crystalline blade forms with increasing crystallization speed.
  • FIG. 3 shows a device for repairing a turbine blade, which has three locally separate stations 26, 27 and 28.
  • the first station 26 is equipped with a crucible 20 and a heating device 22 for melting the melting material and a tilting device 37 for pouring off the melt.
  • a second station 27 is equipped with a receptacle 38 for a downwardly open casting mold 6 with an opening 39 adapted to the seed crystal cross section and a heating device 23 for separate high-temperature vacuum cleaning and heating of the casting mold 6.
  • a third station 28 has at least one heat conduction block 4, which has a recess 35 adapted to the blade cross section for receiving the residual blade 5, and a coolable holder 7 with high-temperature-resistant coupling elements for the melt-tight connection of mold 6 and heat conduction block 4.
  • the three statins 26, 27 and 28 are arranged in a container 25 one above the other in FIG. 3 and separated by two vacuum slides 17 and 18.
  • a third vacuum slide 19 in the lid 40 of the container 25 enables the melting material to be introduced into the crucible 20.
  • the vacuum slides 17 and 18 are closed when the melting material in the crucible 20 is melted and during the high-temperature vacuum cleaning and heating of the casting mold 6 and preheating of the blade remnant 5.
  • the slides 17 and 18 are opened as soon as a pressure equalization by introducing inert gas via the feed lines 14, 15 and 16 or by equalizing the vacuums by means of the vacuum lines 11, 12 and 13 is made.
  • the heat conduction block 4 can then be connected to the casting mold in a few seconds and both can be lifted into the casting area of the crucible 20. After casting the molten metal a single-crystal solidification of the melt can take place in a middle or deep position or in a further station (not shown).
  • the casting mold 6 is separated from the repaired single-crystal blade by known means. Appropriate parting lines in the casting mold 6 can be used several times.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
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  • Molds, Cores, And Manufacturing Methods Thereof (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Reparatur von Triebwerksschaufeln und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, womit besonders einkristalline Schaufeln restauriert werden können. Dazu wird aus dem unversehrten Schaufelbereich ein einkristalliner Schaufelrest mit geringer Defektdichte präpariert und in wenigen Sekunden die heiße Gießform für den defekten Schaufelbereich mit dem Schaufelrest gekoppelt, die Schmelze auf den Schaufelrest gegossen und mit einem an sich bekannten Temperaturprogramm ein epitaktisches einkristallines Erstarren der Schmelze auf dem Schaufelrest erzeugt.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren und Vorrichtung zur Reparatur von Triebwerksschaufeln.
  • Aus DE 28 25 283 ist ein Verfahren zum Auftragsschweißen von Metallen zur "Ausbesserung typischer Gasturbinentriebwerksteile aus Legierungen auf Fe-, Co- oder Ni-Basis unter Verwendung eines kompatiblen Fülldrahtes" bekannt. Derartige Reparaturverfahren haben den Nachteil, daß sie beim Einsatz für einkristalline Triebwerksschaufeln einen polykristallinen Bereich bilden, der die Festigkeitseigenschaften einkristalliner Schaufeln vermindert.
  • Aus DE 38 57 436 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung bekannt, die eine Herstellung von einkristallinen Bauteilen mittels eines einkristallinen Keimkristalls ermöglicht. Eine Reparatur einer einkristallinen Schaufel mit dieser Methode und Vorrichtung käme einer Neuherstellung der Schaufel gleich, da die einkristalline Erstarrung von einem im Verhältnis zum Schaufelquerschnitt kleinen Keimkristallquerschnitt ausgeht und erst nach einem Übergangsbereich die volle Schaufelausdehnung erreicht. Keimkristallrest und Übergangsbereich müssen nachteilig nach der Herstellung der Schaufel abgetrennt werden. Ferner hat diese Methode und Vorrichtung den Nachteil, daß die Keimkristalloberfläche während der gesamten Reinigungs- und Aufheizzeit der Gießfoprm einer aggressiven Atmosphäre durch das Ausdampfen von flüchtigen Bestandteilen aus der Gießform ausgesetzt ist, was die Gefahr von Polywachstum, Versetzungsbildungen und hoher Kristalldefektkonzentration zumindest in der Anfangsphase des Kristallwachstums erhöht. Darüber hinaus mußte festgestellt werden, daß keine defektfreien Keimkristalle zur Verfügung stehen und defektreiche Keimkristalle nachteilig zu polykristallinem Wachstum neigen.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, eine Reparatur von einkristallinen Triebwerksschaufeln durch die Angabe eines Verfahrens und einer Vorrichtung zu gewährleisten, so daß die reparierte Schaufel durchgehend aus einkristallinem Material besteht, ein Abfall der Festigkeitseigenschaften vermieden und ein preiswertes Nachbilden von defekten Schaufelabschnitten ermöglicht wird.
  • Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit folgenden Verfarhensschritten gelöst
    • a) Präparation eines einkristallinen Schaufelrestes aus einer defekten einkristallinen Triebwerksschaufel, durch zur Schaufelachse annähernd orthogonales Abtrennen des defekten Schaufelbereichs und durch teilweise oberflächiges Abtragen des Schaufelmaterials bis auf ein spannungs- und defektarmes, einkristallines Kernmaterial des Schaufelrestes.
    • b) Herstellung und Ausheizung einer am Boden offenen Gießform zur konturgetreuen, einkristallinen Nachbildung des abgetrennten Schaufelbereichs und Erschmelzen einer Metallschmelze aus Schaufelmaterial räumlich getrennt vom Schaufelrest,
    • c) unmittelbar nachfolgendes Zusammenführen von Schaufelrest aufgeheizter Gießform und Metallschmelze, wobei sich Gießform und Metallschmelze auf Abgußtemperatur befinden.
  • Dieses Verfahren hat den Vorteil, daß durch die Präparation eines defektarmen einkristallinen Schaufelrestes ein ungestörtes epitaktisches Anwachsen der Schmelze an das Kernmaterial des Schaufelrestes und damit an eine stark strukturierte Schaufelquerschnittsfläche gewährleistet ist, da vorteilhaft der Schaufelrest im Bereich der Abtrennung nur wenige Sekunden ohne Schmelzbedeckung der aufgeheizten Gießform ausgesetzt ist.
  • Eine bevorzugte Durchführung des Verfahrens besteht darin, den Schaufelrest in einem konturnah angepaßten Wärmeleitungsblock zu halten. Dazu wird eine konturnahe Aussparung in den Wärmeleitungsblock durch vorzugsweise elektrochemisches Erodieren eingearbeitet. Dabei dient der Schaufelrest, vor einem Abtrag seiner polykristallinen, spannungs- und defektreichen Oberfläche als Werkzeug. Mittels elektrochemischem Erodieren wird vorteilhaft die komplizierte Schaufelkontur in den Wärmeleitungsblock eingearbeitet. Zum Entfernen des Wärmeleitungsblocks von der reparierten Schaufel, weist der Wärmeleitungsblock Trennfugen parallel zur Längsachse des Schaufelrestes auf.
  • Anschließend kann der Schaufelrest durch Strippen polykristalliner, spannungs- und defektreicher Schichten im Bereich der vorgesehenen Anschmelzung bis auf ein defektarmes Kernmaterial abgetragen werden. Dabei kann das Strippen polykristalliner Schichten durch Plasmaätzen, elektrochemisches Erodieren oder mechanisches Abtragen erreicht werden. Die beim Beschichten, beim Betrieb oder beim Strippen der Schaufeln eingebrachte Anreicherung von kristallinen Defekten in oberflächennahen Bereichen des Schaufelrestes wird durch Abätzen der gestörten Bereiche auf eine Defektdichte von höchstens drei visuell erkennbaren Defekten pro cm² und mit einer Defektfläche 0,1mm² vermindert. Eine derart niedrige Defektdichte des verbleibenden Kernmaterials hat sich als nicht störend für ein einkristallines Kristallwachstum erwiesen.
  • Vorzugsweise wird unmittelbar vor dem Einbau des Schaufelrestes in den Wärmeleitungsblock nochmals der Schaufelrest von oberflächigen defektreichen Bereichen und verspannten Schichten im Bereich der Abtrennung befreit, die sich beispielsweise während der Lagerung oder während des Strippens gebildet haben.
  • Bei einer weiteren bevorzugten Durchführung des Verfahrens wird vor dem Zusammenführen von Schaufelrest, Gießform und Metallschmelze die Gießform in räumlicher Trennung vom Schaufelrest und vom Schmelzgut beim Ausheizen hochtemperaturvakuumgereinigt und auf Abgußtemperatur aufgeheizt. Diese extreme Reinhaltung der einkristallinen Oberfläche des Schaufelrestes im Bereich der Abtrennung ist bisher nur mit diesem Verfahren gelungen.
  • Eine Vorrichtung zur Durchführung der Reparatur einer Triebwerksschaufel weist örtlich getrennte Stationen auf, von denen eine erste Station mit einem Tiegel, einer Aufheizvorrichtung zur Erschmelzung des Schmelzgutes und einer Vorrichtung zum Abguß der Schmelze ausgerüstet ist. Eine zweite Station ist mit einer Aufnahme für die Gießform und einer Ausheizvorrichtung zur separaten Hochtemperaturvakuumreinigung und Aufheizung der Gießform bestückt. Eine dritte Station ist mit einem Wärmeleitungsblock und einer kühlbaren Halterung mit hochtemperaturfesten Koppelelementen zur schmelzdichten Verbindung von Gießform und Wärmeleitungsblock ausgestattet.
  • Die räumlich getrennt angeordneten Stationen haben den Vorteil, daß sie zeitlich aufeinander abgestimmt und räumlich getrennt zur Durchführung des Verfahrens vorbereitet werden können, so daß eine gegenseitige Kontamination in der Präparationsphase ausgeschlossen wird. Ferner können sie je nach Reinheitsanforderung unterschiedlich ausgerüstet werden. Die oben angegebene Ausstattung ist eine vorteilhafte Mindestausstattung jeder Station, wobei die Hochtemperaturvakuumreinigung der Gießform mittels Vakuum- und Aufheizeinrichtung eine zentrale Bedeutung für das Gelingen der Reparatur hat.
  • Da auch beim Erschmelzen des Schmelzgutes erhebliche Abdampfungen von Verunreinigungen auftreten können, beispielsweise aus Hitzeschilden, dem Tiegel oder den Schmelzgutoberflächenschichten ist es vorteilhaft, diese Einheit in Form einer ersten Station von den übrigen Stationen während der Aufschmelzphase räumlich zu trennen, mit dem Ziel erst im abgußfähigen bzw. hochtemperaturvakuumgereinigten und vorgeheizten Zustand die Stationen eins und zwei mit der dritten Station, die die gefährdete hochreine und defektarme Oberfläche des Schaufelkernmaterials hält, zu koppeln.
  • Durch den Wärmeleitungsblock, der den Schaufelrest mittels einer Aussparung umschließt wird die Kristallsationswärme zur kühlbaren Halterung des Wärmeleitungsblockes während des Kristallwachstums abgeführt. Die Kühlung der Halterung wird nur aktiviert, wenn die Temperaturführung es erfordert.
  • Beim Einbau von Wärmeleitungsblock und Schaufelrest in die dritte Station ragt das Kernmaterial des Schaufelrestes aus dem Wärmeleitungsblock heraus, vorzugsweise um eine Höhe, die mindestens der größten Wandstärke des Kernmaterials entspricht. Dieser Einbau hat den Vorteil, daß beim Abguß einer überhitzten Schmelze das Kernmaterial des Schaufelrestes bis zu der aus dem Wärmeleitungsblock herausragenden Höhe angeschmolzen werden kann, bevor das einkristalline epitaktische Wachstum einsetzt. Die Zuverlässigkeit und Reproduzierbarkeit des Verfahrens wird damit erhöht.
  • Zum kurzzeitigen schmelzdichten Ankoppeln des Schaufelrestes an die heiße Gießform sind mehrere Anordnungen geeignet.
  • Eine bevorzugte Anordnung weist einen äußeren Flansch im Bodenbereich der Gießform auf, der formschlüssig mit einem Flansch am Wärmeleitungsblock korrespondiert, so daß vorteilhaft ein stufenloser Übergang zwischen dem Schaufelrest und dem zu reparierenden Bereich erreicht wird, da ein paßgenaues Aufsetzen der nach unten offenen Gießform auf den Schaufelrestquerschnitt durch die korrespondierenden Flansche gesichert wird.
  • Bei einer weiteren bevorzugten Anordnung bilden die Flansche von Gießform und Wärmeleitungsblock einen Bayonettverschluß mit inneren konischen Dichtflächen, so daß vorteilhaft nach dem Aufsetzen der-Gießform auf den Schaufelrest mit seinem Kernmaterialquerschnitt die inneren konischen Dichtflächen ein schmelzdichtes Aufsetzen sichern und mit einer schnellen Drehbewegung an dem Bajonettring des Bajonettverschlusses eine formschlüssige Verbindung zwischen Gießform und Wärmeleitungsblock bei hohen Temperaturen hergestellt werden kann. Der Wärmeleitungsblock weist in Längsrichtung des Schaufelrestes mindestens zwei Trennfugen auf, die ein Entfernen des Blockes nach der Reparatur der Schaufel gewährleisten.
  • Die korrespondierenden Flansche weisen bevorzugt ineinander passende Ringnuten auf, die ein zentrisches Aufsetzen der Gießform auf die Halterung und den Wärmeleitungsblock sichern.
  • Ferner kann der Schnellverschluß in einer bevorzugten Ausbildung der Erfindung mit mindestens zwei außen ansetzbaren Klammern ausgerüstet sein, die Wärmeleitungsblock und Gießform nach dem Aufsetzen der Gießform schnell und formschlüssig im Heißzustand verbinden.
  • Mittels Verfahrvorrichtung zum schnellen Zusammenführen von heißer Gießform, Wärmeleitungsblock mit Kernmaterial und Tiegel mit Metallschmelze wird bevorzugt die heiße Gießform zur dritten Station und danach Gießform und Halterung aus der dritten Station zur ersten Station transportiert. In dieser bevorzugten Ausbildung wird die Abgußstation mit der heißen Schmelze nicht verfahren, wodurch die Temperatur der Schmelze bis zum Abguß sehr genau eingestellt werden kann.
  • In einer weiteren Ausbildung der Vorrichtung sind Verfahrvorrichtungen für die heiße Gießform aus der zweiten Station und für den Tiegel mit Schmelze aus der ersten Station zur dritten Station vorgesehen. Das hat den Vorteil, daß der Wärmeleitungsblock mit dem Schaufelrest und die Halterung nicht verfahren werden, so daß die Temperatur des Kernmaterials des Schaufelrestes während des gesamten Prozesses genau einstellbar bleibt.
  • Wenn die Vorrichtung vorzugsweise eine Verfahrvorrichtung für die Halterung der dritten Station zur zweiten Station aufweist und die erste Station oberhalb der zweiten Station angeordnet ist und eine Kippvorrichtung für den Tiegel besitzt, so können die drei Stationen übereinander in einem Behälter angeordnet werden. Zur Trennung der Stationen in evakuierbare und/oder mit Gas spülbare Räume weist der Behälter Schieber zwischen den Stationen auf. Am Boden des Behälters ist als Verfahrvorrichtung eine Hubvorrichtung angeordnet. Nach den unterschiedlichen Vorbereitungen der drei Stationen in den drei evakuierbaren Räumen zum Abguß und einem Öffnen der Schieber kann die Hubvorrichtung die drei Einheiten zum Abguß vorteilhaft in kürzester Zeit zusammenführen.
  • Weiterhin ist vorgesehen, daß mit der Vorrichtung vorzugsweise mehrere einkristalline Schaufeln gleichzeitig reparierbar sind. Dazu verfügt die Vorrichtung über mehrere einzelne den Schaufeln zugeordnete Wärmeleitungsblocks, die von einer gemeinsamen Halterung gekühlt und falls erforderlich verfahren werden können. Außerdem weist dann die zweite Station mehrere Gießformen auf, die beispielsweise über einen gemeinsamen Flansch mit der gemeinsamen Halterung der Wärmeleitungsblocks vor dem Abguß der Schmelze verbunden werden.
  • Mit den folgenden Figuren wird eine bevorzugte Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und eine bevorzugte Ausbildung der Vorrichtung dargestellt.
    • Fig. 1
    zeigt eine an der Eintrittskante beschädigte Turbinenschaufel,
    Fig. 2
    zeigt eine an einen Schaufelrest angepaßte Gießform und
    Fig. 3
    zeigt eine Vorrichtung zur Reparatur einer Turbinenschaufel.
  • Fig. 1 zeigt eine an der Eintrittskante 2 beschädigte einkristalline Turbinenschaufel. Derartige Beschädigungen treten üblicherweise bei Turbinenlaufschaufeln auch im Schaufelbereich 1 und am Deckband 29 auf.
  • Im ersten Arbeitsgang des Reparaturverfahrens wird der Schaufelbereich 1 einschließlich des beschädigten Bereichs an der Eintrittskante 2 abgetrennt. Der Trennschnitt wird näherungsweise orthogonal zur Schaufellängsachse gelegt, so daß der weiterverwendbare Schaufelrest 5 mit einem leicht bearbeitbaren Querschnitt des Schaufelblattes abschließt.
  • Dieser Querschnitt kann anschließend ohne hohen Materialverlust eingesetzt werden, um mit Hilfe des Schaufelrestes 5 aus einem Wärmeleitungsblock 4, wie er in Fig. 2 dargestellt ist, elektroerosiv eine durchgängige Aussparung herauszuarbeiten, die der Schaufelkontur angepaßt ist.
  • Danach folgt die Präparation eines einkristallinen Kernmaterials 3 aus dem im Bereich des Trennschnittes oberflächig defektreichen einkristallinen Schaufelrestes 5, der üblicherweise mit einer polykristallinen Schutzschicht bedeckt ist. Dazu wird das oberflächige Schaufelmaterial bis auf ein defektarmes einkristallines Kernmaterial 3 des Schaufelrestes 5 mit einer Defektdichte von höchstens 3 visuell erkennbaren Defekten pro cm² und mit einer Defektfläche bis 0,1mm² im Bereich des Trennschnittes abgetragen. In diesem Bereich wird der Schaufelquerschnitt in Abhängigkeit von der Schichtdicke einer polykristallinen Schutzschicht und der Eindringtiefe der spannungs- und defektreichen Schichten und mehrere µm dünner, wie es Fig. 2 mit Position 3 zeigt.
  • Fig. 2 zeigt eine an einen Schaufelrest 5 angepaßte nach unten offene Gießform 6, die aus einem wärmeisolierenden Material besteht und nach dem bekannten Wachsausschmelzverfahren dem abgetrennten Schaufelteil 30 nachgebildet wurde. Die Gießform 6 erweitert sich zum Schaufelrest 5 hin zu einem Flansch 31, der mit einem Flansch 32 des Wärmeleitungsblockes 4 korrespondiert. Beide Flansche 31 und 32 werden mit Klammern 9 fixiert. Eine Ringnut 33 ist im Flansch 31 eingearbeitet, um ein präzises Aufsetzen der Gießform 6 auf den Wärmeleitungsblock 4 zu sichern. eine zusätzliche Ringnut 34 im Flansch 32 des Wärmeleitungsblockes ist mit Dichtmaterial gefüllt, um die Gießform 6 abzuschließen.
  • Der Schaufelrest 5 wird mit dem Kernmaterial 3 an seiner Spitze in die Aussparung 35 des Wärmeleitungsblocks 5 eingepaßt. Anschließend wird der Wärmeleitungsblock in die Halterung 7, die eine Kühlung 8 aufweist, gesteckt. Nach dem Vakuumausheizen und Aufsetzen der nach unten offenen Gießform 6 auf den Wärmeleitungsblock 4, werden die Klammern 9 im heißen Zustand über die Flansche 31 und 32 geschoben und das zwischenzeitlich erschmolzene Schmelzgut kann über den trichterförmigen Anguß 36 der Gießform auf den Schaufelrest 5 gegossen werden.
  • Entscheidend für den Erfolg des Verfahrens ist, daß die hochreine Oberfläche des Kernmaterials 3 bis zum Abguß der Schmelze nicht verunreinigt wird. Beim Einsatz einer überhitzten Schmelze wird das Kernmaterial 3 angeschmolzen, bis die Kühlung 8 der Halterung 7 über den Wärmeleitungsblock 4 soviel Wärme abführt, daß ein einkristallines epitaktisches Wachstum an dem angeschmolzenen Schaufelrestquerschnitt einsetzt und sich mit zunehmender Kristallisationsgeschwindigkeit eine reparierte einkristalline Schaufel bildet.
  • Fig. 3 zeigt eine Vorrichtung zur Reparatur einer Turbinenschaufel, die drei örtlich getrennte Stationen 26, 27 und 28 aufweist. Davon ist die erste Station 26 mit einem Tiegel 20 und einer Aufheizvorrichtung 22 zur Erschmelzung des Schmelzgutes und einer Kippvorrichtung 37 zum Abguß der Schmelze ausgerüstet. Eine zweite Station 27 ist mit einer Aufnahme 38 für eine nach unten offene Gießform 6 mit eienr dem Keimkristallquerschnitt angepaßten Öffnung 39 und einer Ausheizvorrichtung 23 zur separaten Hochtemperaturvakuumreinigung und Aufheizung der Gießform 6 bestückt. Eine dritte Station 28 besitzt mindestens einen Wärmeleitungsblock 4, der eine dem Schaufelquerschnitt angepaßte Aussparung 35 für die Aufnahme der Restschaufel 5 aufweist, und eine kühlbare Halterung 7 mit hochtemperaturfesten Koppelelementen zur schmelzdichten Verbindung von Gießform 6 und Wärmeleitungsblock 4.
  • Die drei Statinen 26, 27 und 28 sind in Fig. 3 in einem Behälter 25 übereinander angeordnet und durch zwei Vakuumschieber 17 und 18 getrennt. Ein dritter Vakuumschieber 19 im Deckel 40 des Behälters 25 ermöglicht das Einbringen des Schmelzgutes in den Tiegel 20. Die Vakuumschieber 17 und 18 sind beim Erschmelzen des schmelzgutes im Tiegel 20 und bei der Hochtemperaturvakuumreinigung und Aufheizen der Gießform 6 und einem Vorwärmen des Schaufelrestes 5 geschlossen. Nach Beendigung dieser Präparationsphasen in den räumlich getrennten Stationen 26, 27 und 28 werden die Schieber 17 und 18 geöffnet, sobald durch Einleiten von Inertgas über die Zuleitungen 14, 15 und 16 oder durch Angleichen der Vakui mittels der Vakuumleitungen 11,12 und 13 ein Druckausgleich hergestellt ist.
  • Mittels der Hubvorrichtung 21 kann anschließend in wenigen Sekunden der Wärmeleitungsblock 4 mit der Gießform verbunden und beide in den Abgußbereich des Tiegels 20 gehoben werden. Nach dem Abguß der Metallschmelze kann in einer mittleren oder tiefen Position oder in einer nicht abgebildeten weiteren Station eine einkristalline Erstarrung der Schmelze erfolgen.
  • Nach der vollständigen Erstarrung und dem Ausbau der Gießform 6 aus der Vorrichtung wird die Gießform 6 mit bekannten Mitteln von der reparierten einkristallinen Schaufel getrennt. Durch entsprechende Trennfugen in der Gießform 6 kann eine mehrfache Nutzung erreicht werden.

Claims (12)

  1. Verfahren zur Reparatur von Triebwerksschaufeln, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte
    a) Präparation eines einkristallinen Schaufelrestes (5) aus einer defekten einkristallinen Triebwerksschaufel, durch zur Schaufelachse annähernd orthologisches Abtrennen des defekten Schaufelbereichs (1) und durch teilweises oberflächiges Abtragen des Schaufelmaterials bis auf ein spannungs- und defektarmes, einkristallines Kernmaterial (3) des Schaufelrestes.
    b) Herstellung und Ausheizung einer am Boden offenen Gießform zur konturgetreuen, einkristallinen Nachbildung des abgetragenen Schaufelbereichs (1) und Erschmelzen einer Metallschmelze aus Schaufelmaterial räumlich getrennt vom Schaufelrest (5),
    c) unmittelbar nachfolgendes Zusammenführen von Schaufelrest (5) aufgeheizter Gießform (6) und Metallschmelze, wobei sich Gießform (6) und Metallschmelze auf Abgußtemperatur befinden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaufelrest (5) in einem konturnah angepaßten Wärmeleitungsblock gehalten wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß unmittelbar vor dem Einbau des Schaufelrestes (5) in den Wärmeleitungsblock (4) der Schaufelrest (5) von oberflächigen defektreichen und verspannten Schichten im Bereich der Abtrennung befreit wird.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Gießform (6) in räumlicher Trennung vom Schaufelrest (5) und vom Schmelzgut beim Ausheizen hochtemperaturvakuumgereinigt und auf Abgußtemperatur aufgeheizt wird.
  5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch räumlich getrennte Stationen (26,27 und 28), von denen eine erste Station (26) einen Tiegel (20), eine Aufheizvorrichtung (22) zur Erschmelzung des Schmelzgutes und eine Vorrichtung zum Abguß der Schmelze aufweist, eine zweite Station (27) mit einer Aufnahme (36) für die Gießform (6) und einer Ausheizvorrichtung (23) zur separaten Hochtemperaturvakuumreinigung und Aufheizung der Gießform (6) bestückt und eine dritte Station (28) mit einem Wärmeleitungsblock (4), und einer kühlbaren Halterung (7) mit hochtemperaturfesten Koppelelementen zur schmelzdichten Verbindung von Gießform (6) und Wärmeleitungsblock (4) ausgerüstet ist.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß beim Einbau des Schaufelrestes (5) in den Wärmeleitungsblock (4) mit Halterung (7) des Kernmaterials (3) des Schaufelrestes (5) aus dem Wärmeleitungsblock (4) herausragt, vorzugsweise um eine Höhe, die mindestens der größten Wandstärke des Kernmaterials (3) entspricht.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Gießform (6) einen äußeren Flansch (31) im Bodenbereich aufweist, der formschlüssig mit einem Flansch (32) an dem Wärmeleitungsblock (4) korrespondiert.
  8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Formschluß zwischen Wärmeleitungsblock (4) und Gießform (6) als Bajonettverschluß mit inneren konischen Dichtflächen ausgebildet ist.
  9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Formschluß von Gießform (6) und Wärmeleitungsblock (4) durch ineinander passende Ringnuten gebildet wird.
  10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Formschluß von Gießform (6) und Wärmeleitungsblock (4) durch zwei von außen im Heißzustand ansetzbare Klammern (9) zum Verbinden von Gießform (6) und Wärmeleitungsblock (4) gesichert ist.
  11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß Verfahrvorrichtungen zum schnellen Zusammenführen von heißer Gießform (6), Wärmeleitungsblock (4) mit Schaufelrest (5) und Tiegel (20) mit Metallschmelze vorhanden sind.
  12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Stationen (26,27 und 28) in einem Behälter (25) vertikal übereinander angeordnet sind und der Behälter (25) Schieber (17 und 18) zwischen den Stationen (26,27 und 28) zur Trennung in evakuierbare und/oder mit Gas spülbare Räume aufweist, wobei die erste Station (26) mit einer Kippvorrichtung für den Tiegel (20) oben und eine Hubvorrichtung (21) als Verfahrvorrichtung am Boden des Behälters (25) angeordnet ist.
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