EP1367144A1 - Verfahren zur Entfernung von zumindest einem Teilbereich eines Bauteils aus Metall oder einer Metallverbindung - Google Patents

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EP1367144A1
EP1367144A1 EP02011965A EP02011965A EP1367144A1 EP 1367144 A1 EP1367144 A1 EP 1367144A1 EP 02011965 A EP02011965 A EP 02011965A EP 02011965 A EP02011965 A EP 02011965A EP 1367144 A1 EP1367144 A1 EP 1367144A1
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diffusion means
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diffusion
aluminum
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Ralph Reiche
Werner Dr. Stamm
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Siemens AG
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C23F—NON-MECHANICAL REMOVAL OF METALLIC MATERIAL FROM SURFACE; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL; MULTI-STEP PROCESSES FOR SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL INVOLVING AT LEAST ONE PROCESS PROVIDED FOR IN CLASS C23 AND AT LEAST ONE PROCESS COVERED BY SUBCLASS C21D OR C22F OR CLASS C25
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C23G—CLEANING OR DE-GREASING OF METALLIC MATERIAL BY CHEMICAL METHODS OTHER THAN ELECTROLYSIS
    • C23G5/00—Cleaning or de-greasing metallic material by other methods; Apparatus for cleaning or de-greasing metallic material with organic solvents

Definitions

  • the invention relates to a method for removing one Part area, in particular a layer area of a Metal or metal compound existing component, which the subarea after application of the method easier to remove or remove.
  • the efficiency plays an important role, because thereby the costs for the operation of the gas turbine plant can be reduced.
  • the efficiency increase and thus reduce operating costs therein, inlet temperatures of a combustion gas within to increase a gas turbine.
  • thermal barrier coatings have been developed on thermally stressed components, for example made of superalloys, which are applied alone the high inlet temperatures in the long term no longer withstand could.
  • the ceramic thermal barrier coating offers the advantage of a high temperature resistance due to their ceramic properties and the metallic substrate offers the advantage of good mechanical properties in this composite or Layer system.
  • composition of these MCrAlY layers can vary, however, all MCrAlY layers are subject despite the overlying Ceramic layer of corrosion or degradation by Oxidation, sulfidation, nitridation, diffusion or others chemical and / or mechanical attacks.
  • the MCrAlY layer often degrades to a greater extent than the metallic substrate, ie the lifetime of the composite system of substrate and layer is determined by the lifetime of the MCrAlY layer.
  • the MCrAlY interlayer is only partially functional after prolonged use, however, the substrate can still be fully functional.
  • a process for the removal of corrosion products is out the US-PS 6,217,668 known.
  • the corroded component housed in a large crucible, wherein the component there in a powder bed with an aluminum source is arranged.
  • the crucible must be partially closed and then heated in an oven.
  • aluminum is supplied to the corroded component, which causes the areas by a subsequent acid treatment remove, which previously wear off worse had a higher erosion resistance.
  • the powder bed requires a lot of material and the crucible takes up a lot of space in the oven during the heat treatment. The heat process also takes because of the large heat capacity longer.
  • the invention overcomes the disadvantages described a method as described in claim 1.
  • the diffusion agent can be prepared by simple known coating methods such as plasma spraying, evaporation, CVD, packing methods (Component in the powder bed) or other methods (Paste order) are applied.
  • FIG. 1 shows a component 1 made of metal, a metal alloy or a metal compound which has corrosion products 4 on a surface 13 and / or in the interior of the component 1 in at least one partial region, which are present, for example, in regions formed separately from one another.
  • the corrosion products 4 may also be present continuously or on / under the entire surface 13, thus also forming a corrosion layer 4.
  • a portion 28 represents the dashed bordered area.
  • the component 1 can be solid or a layer or a region of a composite or layer system 14.
  • a substrate 7 made of metal or ceramic is present, on which the metallic layer 10, for example an MCrAlY layer is applied, where M means that a metal of nickel, chromium or iron is used.
  • the partial area 28 can also be a partial area of the layer 10 or the entire layer 10 of the layer system 14 and / or Represent part of the metallic substrate 7.
  • the corrosion products 4 have during the use of the Component 1 formed and are for further use of the Component undesirable and must be removed. This happens often by a treatment in an acid bath.
  • the material of the component 1 under or over the layer 10 degraded areas and / or the Corrosion products 4 a different reactivity in an acid bath, i. ablation resistant.
  • the different solution behavior in the acid bath is caused due to the different solution behavior of the corrosion products 4 or because an original composition the material of the component 1 or the layer 10 is changed has, e.g. because the corrosion product 4 is a region of Component 1 in the area around the corrosion product 4 a component withdraws and creates a depletion area there. Therefore there is an uneven erosion or no erosion the corrosion products 4 or the material in the depletion area.
  • the inventive method allows the Corrosion products or the modified layer or Base material areas completely and evenly with the Material of the component 1 or the layer 10 to remove.
  • a rough removal of corrosion products 4 or other areas by mechanical methods, e.g. sandblasting and / or chemical agents, e.g. Acid bath done.
  • a multicomponent diffusion agent 16 is applied to the corroded component 1 on the surface 13, in particular in the region with the corrosion product 4 or on the corrosion layer 4, for example, or at least one component of the diffusion agent 16 diffuses directly out the gas phase in the component 1, wherein the corrosion products 4 represent the erosion-resistant areas in this example.
  • the diffusion means 16 contains, for example, two components, both of which diffuse into the layer 10 or the component 1 by a heat treatment, where they change the chemical composition and materials. Due to the diffusion in and the heat treatment, new phases can also form, which can be removed more easily by means of an acid bath 19 (FIG. 4).
  • FIG. 3 shows a component according to FIG. 2, in which the diffusion means 16 is completely diffused into the layer 10 due to a heat treatment at a temperature T.
  • the layer 10 represents the portion 28 to be removed, which does not only consist of erosion-resistant areas.
  • the diffusion means 16 is at least two-component. At least one component of the diffusion means 16 is, for example, metallic such as aluminum. Another metallic component is, for example, cobalt. Other components may be silicon or carbon.
  • FIG. 4 shows two components which are arranged in an acid bath 19 or are exposed to an acid attack.
  • FIG. 5 shows the component 22 after the acid treatment.
  • the component 22 still has acid-resistant areas 25 which were not removed during the acid attack or less, so that an uneven removal of a layer region of the component 22 took place.
  • FIG. 6 shows a component 1 or layer system 14, in which a uniform removal of a layer region of Component 1 or the layer 10 was carried out.

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Abstract

Verfahren zur Entfernung von zumindest einem Schichtbereich eines Bauteils aus Metall oder einer Metallverbindung Bauteile weisen nach dem Einsatz im Hochtemperaturbereich degradierte Bereiche auf, die durch einen Säureangriff entfernt werden. Der Abtrag bei dieser Säurebehandlung ist jedoch ungleichmäßig, da durch die Degradation Bereiche entstanden sind, die ein unterschiedliches Säurelösungsverhalten aufweisen. Durch das erfindungsgemässe Verfahren wird die chemische Zusammensetzung und die Phasenzusammensetzung des Bauteils (1) so verändert, dass ein gleichmäßiger Abtrag bei einer Säurebehandlung erfolgt. <IMAGE>

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Entfernung von einem Teilbereich, insbesondere einem Schichtbereich eines aus Metall oder einer Metallverbindung bestehenden Bauteils, wodurch sich der Teilbereich nach Anwendung des Verfahrens leichter entfernen oder abtragen lässt.
Hintergrund der Erfindung
In heutigen modernen Energieerzeugungsanlagen, wie z.B. Gasturbinenanlagen, spielt der Wirkungsgrad eine wichtige Rolle, weil dadurch die Kosten für den Betrieb der Gasturbinenanlage reduziert werden können. Eine Möglichkeit, den Wirkungsgrad zu erhöhen und damit die Betriebskosten zu reduzieren besteht darin, Einlasstemperaturen eines Verbrennungsgases innerhalb einer Gasturbine zu erhöhen.
Aus diesem Grunde wurden keramische Wärmedämmschichten entwickelt, die auf thermisch belasteten Bauteilen, beispielsweise aus Superlegierungen, aufgebracht werden, die alleine den hohen Einlasstemperaturen auf Dauer nicht mehr Stand halten könnten.
Die keramische Wärmedämmschicht bietet den Vorteil einer hohen Temperaturresistenz aufgrund ihrer keramischen Eigenschaften und das metallische Substrat bietet den Vorteil der guten mechanischen Eigenschaften in diesem Verbund oder Schichtsystem.
Typischerweise ist zwischen dem Substrat und der keramischen Wärmedämmschicht eine Haftvermittlungsschicht der Zusammensetzung MCrAlY (Hauptbestandteile) aufgebracht, wobei M bedeutet, dass ein Metall aus Nickel, Chrom oder Eisen verwendet wird.
Die Zusammensetzung dieser MCrAlY-Schichten kann variieren, jedoch unterliegen alle MCrAlY-Schichten trotz der aufliegenden Keramikschicht einer Korrosion oder Degradation durch Oxidation, Sulfidation, Nitridation, Diffusion oder anderen chemischen und/oder mechanischen Angriffen.
Die MCrAlY-Schicht degradiert dabei häufig in einem stärkeren Maße als das metallische Substrat, d.h. die Lebensdauer des Verbundsystems aus Substrat und Schicht wird bestimmt durch die Lebensdauer der MCrAlY-Schicht.
Die MCrAlY-Zwischenschicht ist nach längerem Einsatz nur noch bedingt funktionstüchtig, hingegen kann das Substrat noch voll funktionstüchtig sein.
Es besteht also der Bedarf, die im Einsatz degradierten Bauteile, beispielsweise Turbinenschaufeln, Leitschaufeln oder Brennkammerteile aufzuarbeiten, wobei die korrodierten Schichten der Zonen der MCrAlY-Schicht abgetragen werden müssen, um eventuell neue MCrAlY-Schichten und/oder wiederum eine Wärmedämmschicht aufzubringen. Die Verwendung von vorhandenen benutzten Substraten führt zu einer Kostenreduzierung beim Betrieb von Gasturbinenanlagen.
Dabei muss beachtet werden, dass das Design der Turbinenschaufeln nicht verändert wird, d.h. dass ein gleichmäßiger Oberflächenabtrag von Material erfolgt.
Weiterhin dürfen keine Korrosionsprodukte zurückbleiben, die bei einer neuen Beschichtung mit einer MCrAlY-Schicht und/oder einer keramischen Wärmedämmschicht eine Fehlerquelle darstellen und zu einer schlechten Haftung der Wärmedämmschicht führen.
Ein Verfahren zur Entfernung von Korrosionsprodukten ist aus der US-PS 6,217,668 bekannt. Bei diesem Verfahren wird das korrodierte Bauteil in einem großen Tiegel untergebracht, wobei das Bauteil dort in einem Pulverbett mit einer Aluminiumquelle angeordnet ist. Der Tiegel muss teilweise abgeschlossen und dann in einem Ofen erwärmt werden. Durch den Wärmeprozess wird dem korrodierten Bauteil Aluminium zugeführt, wodurch sich die Bereiche durch eine anschließende Säurebehandlung entfernen lassen, die sich vorher schlechter abtragen ließen, also eine höhere Abtragungsresistenz aufwiesen. Für das Pulverbett wird viel Material benötigt und der Tiegel beansprucht viel Raum im Ofen während der Wärmebehandlung. Der Wärmeprozess dauert wegen der großen Wärmekapazität auch länger.
Ein weiteres Verfahren zur Entfernung von Oberflächenschichten von metallischen Beschichtungen ist aus der US-PS 6,036,995 bekannt. Bei diesem Verfahren wird eine Aluminiumquelle als Paste auf ein korrodiertes Bauteil aufgetragen. Das Bauteil mit der Paste muss jedoch erwärmt werden, bis das Aluminium schmilzt, so dass erst dann eine Diffusion von Aluminium in das Bauteil hinein stattfinden kann. Die geschmolzene Aluminiumschicht lässt sich schlecht entfernen, da sie sehr gut auf dem Bauteil haftet.
Beschreibung der Erfindung
Die Erfindung überwindet die beschriebenen Nachteile durch ein Verfahren, wie es im Anspruch 1 beschrieben ist.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind in den Unteransprüchen aufgelistet.
Das Diffusionsmittel kann durch einfache bekannte Beschichtungsverfahren wie Plasmaspritzen, Verdampfen, CVD, Packverfahren (Bauteil im Pulverbett) oder sonstige Verfahren (Pastenauftrag) aufgebracht werden.
In den Figuren sind Ausführungsbeispiele des erfindungsgemässen Verfahrens dargestellt.
Es zeigen:
  • Figur 1 ein korrodiertes metallisches Bauteil,
  • Figur 2 ein Bauteil, bei dem das Diffusionsmittel aufgetragen ist,
  • Figur 3 das Bauteil gemäß Fig. 2 nach einer Wärmebehandlung,
  • Figur 4 Bauteile, die einer Säurebehandlung unterzogen werden,
  • Figuren 5, 6 Bauteile nach einer Säurebehandlung für ein erfindungsgemässes Verfahren und nach dem Stand der Technik.
    • Beschreibung der Ausführungsbeispiele
    Figur 1 zeigt ein Bauteil 1 aus Metall, eine Metalllegierung oder aus einer Metallverbindung, das an einer Oberfläche 13 und/oder im Inneren des Bauteils 1 in zumindest einem Teilbereich Korrosionsprodukte 4 aufweist, die beispielsweise in getrennt voneinander ausgebildeten Gebieten vorhanden sind. Die Korrosionsprodukte 4 können auch zusammenhängend oder auf/unter der ganzen Oberfläche 13 vorhanden sein, also auch eine Korrosionsschicht 4 bilden.
    Einen Teilbereich 28 stellt bspw. der gestrichelt umrandete Bereich dar.
    Das Bauteil 1 kann massiv oder eine Schicht oder ein Bereich eines Verbund- oder Schichtsystems 14 sein. Bei einem Schichtsystem 14 ist ein Substrat 7 aus Metall oder Keramik vorhanden, auf dem die metallische Schicht 10, beispielsweise eine MCrAlY-Schicht aufgebracht ist, wobei M bedeutet, dass ein Metall aus Nickel, Chrom oder Eisen verwendet wird.
    Der Teilbereich 28 kann auch ein Teilbereich der Schicht 10 sein oder die ganze Schicht 10 des Schichtsystems 14 und/oder Teil des metallischen Substrats 7 darstellen.
    Die Korrosionsprodukte 4 haben sich während des Einsatzes des Bauteils 1 gebildet und sind für den weiteren Einsatz des Bauteils unerwünscht und müssen entfernt werden. Dies geschieht häufig durch eine Behandlung in einem Säurebad.
    Es kommt jedoch vor, dass das Material des Bauteils 1 unter oder über der Schicht 10 degradierte Bereiche und/oder die Korrosionsprodukte 4 ein unterschiedliches Reaktionsvermögen in einem Säurebad aufweisen, d.h. abtragungsresistenter sind. Das unterschiedliche Lösungsverhalten im Säurebad ist verursacht durch das unterschiedliche Lösungsverhalten der Korrosionsprodukte 4 oder weil eine ursprüngliche Zusammensetzung des Materials des Bauteils 1 oder der Schicht 10 sich verändert hat, z.B. weil das Korrosionsprodukt 4 einem Bereich des Bauteils 1 im Bereich um das Korrosionsprodukt 4 eine Komponente entzieht und dort ein Verarmungsgebiet erzeugt. Daher kommt es zu einem ungleichmäßigen Abtrag oder zu keinem Abtrag der Korrosionsprodukte 4 bzw. dem Material in dem Verarmungsgebiet.
    Das erfindungsgemässe Verfahren ermöglicht es, die Korrosionsprodukte bzw. die veränderten Schicht- oder Grundwerkstoffbereiche vollständig und gleichmäßig mit dem Material des Bauteils 1 oder der Schicht 10 zu entfernen.
    Dabei kann beispielsweise in einem ersten Verfahrensschritt eine grobe Abtragung der Korrosionsprodukte 4 oder andere Bereiche durch mechanische Verfahren, wie z.B. Sandstrahlen und/oder chemischen Mittel, wie z.B. Säurebad erfolgen.
    In einem weiteren Verfahrensschritt (Fig. 2) wird ein mehrkomponentiges Diffusionsmittel 16 auf das korrodierte Bauteil 1 auf die Oberfläche 13, insbesondere in dem Bereich mit dem Korrosionsprodukten 4 oder auf die Korrosionsschicht 4 bspw. aufgetragen oder zumindest eine Komponente des Diffusionsmittels 16 diffundiert direkt aus der Gasphase in das Bauteil 1, wobei die Korrosionsprodukte 4 in diesem Beispiel die abtragungsresistenteren Bereiche darstellen.
    Das Diffusionsmittel 16 enthält bspw. zwei Komponenten, die beide durch eine Wärmebehandlung in die Schicht 10 oder das Bauteil 1 hineindiffundieren und dort die chemische Zusammensetzung und Werkstoffe verändern. Durch das Eindiffundieren und die Wärmebehandlung können sich auch neue Phasen bilden, die sich durch ein Säurebad 19 (Fig. 4) leichter entfernen lassen.
    Figur 3 zeigt ein Bauteil gemäß Figur 2, bei dem das Diffusionsmittel 16 aufgrund einer Wärmebehandlung bei einer Temperatur T vollständig in die Schicht 10 hineindiffundiert ist. Die Schicht 10 stellt den abzutragenden Teilbereich 28, der nicht nur aus abtragungsresistenteren Bereichen besteht.
    Das Diffusionsmittel 16 ist zumindest zweikomponentig. Zumindest eine Komponente des Diffusionsmittels 16 ist bspw. metallisch wie z.B. Aluminium. Eine weitere metallische Komponente stellt bspw. Kobalt dar. Weitere Komponenten können Silizium oder Kohlenstoff sein.
    Besonders gut funktioniert das Verfahren, wenn Kobalt und Aluminium als Komponenten des Diffusionsmittel 16 in den Teilbereich 28 hineindiffundieren.
    Im Beispiel einer MCrAlY-Schutzschicht (M = Fe, Ni, Co) wird die Rückbildung der γ'-Phase verhindert.
    Andererseits erfolgt durch eine Anreicherung der MCrAlY-Schicht mit Aluminium und/oder Kobalt die Umsetzung von γ und γ'-Phase in eine Aluminium-reiche β-Phase.
    Die Anreicherung mit den Elementen oder die beschriebene Phasenumwandlung bewirkt, dass ein verbesserter Säureangriff möglich ist.
    Figur 4 zeigt zwei Bauteile, die in einem Säurebad 19 angeordnet sind oder einem Säureangriff ausgesetzt sind.
    Das Bauteil 1 oder das Schichtsystem 14 und ein Bauteil 22 nach dem Stand der Technik, bei dem das erfindungsgemäße Verfahren nicht angewendet wurde, weisen Korrosionsprodukte 4 auf und sind die selbe Zeit dem Säureangriff ausgesetzt.
    Figur 5 zeigt das Bauteil 22 nach der Säurebehandlung.
    Das Bauteil 22 weist noch säureresistente Bereiche 25 auf, die bei dem Säureangriff nicht oder weniger abgetragen wurden, so dass ein ungleichmäßiger Abtrag eines Schichtbereichs des Bauteils 22 erfolgte.
    Hingegen zeigt Figur 6 ein Bauteil 1 oder Schichtsystem 14, bei dem ein gleichmäßiger Abtrag eines Schichtbereichs des Bauteils 1 oder der Schicht 10 erfolgte.
    Durch das Eindiffundieren des Diffusionsmittels 16 kann der Teilbereich 28 auch so spröde geworden sein, dass sich der Teilbereich 28 durch eine mechanische Behandlung (Sandstrahlen, Ultraschall, Trockeneisstrahlen) entfernen lässt.

    Claims (12)

    1. Verfahren zur Entfernung von zumindest einem Teilbereich, insbesondere Schichtbereich eines Bauteils aus Metall und/oder aus zumindest einer Metallverbindung,
      bei dem ein Abtrag des Teilbereichs durch eine Säurebehandlung oder eine mechanische Behandlung erfolgt,
      wobei in einem Zwischenschritt ein zumindest zweikomponentiges Diffusionsmittel (16) zumindest in den Teilbereich (28) des Bauteils (1) hineindiffundiert.
    2. Verfahren nach Anspruch 1,
      dadurch gekennzeichnet, dass
      bei dem zumindest eine Komponente des Diffusionsmittels (16) metallisch ist.
    3. Verfahren nach Anspruch 1,
      dadurch gekennzeichnet, dass
      eine Komponente des Diffusionsmittels (16) aus Aluminium ist.
    4. Verfahren nach Anspruch 1,
      dadurch gekennzeichnet, dass
      eine Komponente des Diffusionsmittels (16) aus Kobalt ist.
    5. Verfahren nach Anspruch 1,
      dadurch gekennzeichnet, dass
      bei dem das zweikomponentige Diffusionsmittel (16) aus Kobalt und Aluminium besteht.
    6. Verfahren nach Anspruch 1,
      dadurch gekennzeichnet, dass
      das Diffusionsmittel (16) auf eine Oberfläche (13) des Bauteils (1) aufgebracht wird.
    7. Verfahren nach Anspruch 6,
      dadurch gekennzeichnet, dass
      das Diffusionsmittel (16) durch Plasmaspritzen aufgebracht wird.
    8. Verfahren nach Anspruch 6,
      dadurch gekennzeichnet, dass
      das Diffusionsmittel (16) durch Verdampfen aufgebracht wird.
    9. Verfahren nach Anspruch 6,
      dadurch gekennzeichnet, dass
      das Diffusionsmittel (16) durch CVD (chemical vapour deposition) aufgebracht wird.
    10. Verfahren nach Anspruch 6,
      dadurch gekennzeichnet, dass
      das Diffusionsmittel (16) durch ein Packverfahren auf das aufgebracht wird.
    11. Verfahren nach Anspruch 1,
      dadurch gekennzeichnet, dass
      durch das Eindiffundieren zumindest eine Phasenänderung in dem Bauteil (1) oder dem Teilbereich (28) bewirkt wird.
    12. Verfahren nach Anspruch 1,
      dadurch gekennzeichnet, dass
      der Teilbereich (28) eine MCrAlY-Schicht (10) ist,
      wobei M für ein Element Eisen, Kobalt oder Nickel steht.
    EP02011965A 2002-05-29 2002-05-29 Verfahren zur Entfernung von zumindest einem Teilbereich eines Bauteils aus Metall oder einer Metallverbindung Withdrawn EP1367144A1 (de)

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