EP1507882A2 - Verfahren zur entfernung von zumindest einem teilbereich eines bauteils aus metall oder einer metallverbindung - Google Patents

Verfahren zur entfernung von zumindest einem teilbereich eines bauteils aus metall oder einer metallverbindung

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EP1507882A2
EP1507882A2 EP03735475A EP03735475A EP1507882A2 EP 1507882 A2 EP1507882 A2 EP 1507882A2 EP 03735475 A EP03735475 A EP 03735475A EP 03735475 A EP03735475 A EP 03735475A EP 1507882 A2 EP1507882 A2 EP 1507882A2
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layer
partial area
metal
diffusion
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Werner Stamm
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Siemens AG
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    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
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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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    • 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 a partial area, in particular a layer area of a component consisting of metal or a metal compound, whereby the partial area can be removed or removed more easily after application of the method.
  • thermal insulation layers have been developed that are applied to thermally stressed components, such as superalloys, that alone could no longer withstand the high inlet temperatures in the long run.
  • the ceramic thermal barrier coating offers the advantage of a high temperature resistance due to its ceramic properties and the metallic substrate offers the advantage of the good mechanical properties in this composite or layer system.
  • An adhesion-promoting layer of the composite is typically between the substrate and the ceramic thermal barrier coating.
  • composition of these MCrAlY layers can vary, but all MCrAlY layers are subject to corrosion or degradation due to oxidation, sulfidation, nitridation, diffusion or other chemical and / or mechanical attacks, in spite of the overlying ceramic layer.
  • the MCrAlY layer often degrades to a greater extent than the metallic substrate, i.e.
  • the lifespan of the composite system of substrate and layer is determined by the lifespan of the MCrAlY layer.
  • the MCrAlY intermediate layer is only partially functional after a long period of use, however, the substrate can still be fully functional.
  • the invention overcomes the disadvantages described by a method as described in claim 1.
  • the diffusion agent can be obtained by simple known coating processes such as plasma spraying, evaporation, CVD, packing. drive (component in powder bed) or other processes (paste application).
  • FIG. 1 shows a corroded metallic component
  • FIG. 2 shows a component in which the diffusion agent is applied
  • FIG. 3 shows the component according to FIG. 2 after a heat treatment
  • FIG. 4 components which are subjected to an acid treatment
  • FIGS. 5 and 6 components after an acid treatment for a method according to the invention and according to the prior art.
  • 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 area, which are present, for example, in areas formed separately from one another.
  • the corrosion products 4 can also be present continuously or on / under the entire surface 13, that is to say also form a corrosion layer 4.
  • a partial area 28 is represented, for example, by the area with a dashed border.
  • the component 1 can be solid or a layer or an area 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 made of nickel, chromium or iron is used.
  • the partial area 28 can also be a partial area of the layer 10 or represent the entire layer 10 of the layer system 14 and / or part of the metallic substrate 7.
  • the corrosion products 4 have formed during the use of the component 1 and are undesirable for the further use of the component and must be removed. This is often done by treatment in an acid bath.
  • the material of the component 1 below or above the layer 10 degraded areas and / or the corrosion products 4 have a different reactivity in an acid bath, i.e. are more resistant to erosion.
  • the different solution behavior in the acid bath is caused by the different solution behavior of the corrosion products 4 or because an original composition of the material of the component 1 or the layer 10 has changed, e.g. because the corrosion product 4 extracts a component from an area of the component 1 in the area around the corrosion product 4 and creates a depletion area there. Therefore, there is an uneven removal or no removal of the corrosion products 4 or the material in the depletion area.
  • the method according to the invention makes it possible to
  • a first process step for example, rough removal of the corrosion products 4 or other areas by mechanical processes, such as e.g. Sandblasting and / or chemical agents such as e.g. Acid bath take place.
  • mechanical processes such as e.g. Sandblasting and / or chemical agents such as e.g. Acid bath take place.
  • a multi-component diffusion agent 16 is applied onto the corroded component 1 onto the surface 13, in particular in the area with the Corrosion products 4 or, for example, applied to the corrosion layer 4 or at least one component of the diffusion agent 16 diffuses directly from the gas phase into the component 1, the corrosion products 4 in this example representing the more resistant areas.
  • the diffusion agent 16 contains, for example, two components, both of which diffuse through a heat treatment into the layer 10 or the component 1 and change the chemical composition and materials there. By diffusing in and the heat treatment, new phases can also be formed, 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 based on the layer 10 due to a heat treatment at a temperature T.
  • Layer 10 represents the partial area 28 to be removed, which does not only consist of more resistant areas.
  • the diffusion means 16 is at least two-component. At least one component of the diffusion agent 16 is, for example, metallic, e.g. Aluminum. Another metallic component is, for example, cobalt. Other components can be silicon or carbon.
  • the method works particularly well if cobalt and aluminum as components of the diffusion agent 16 diffuse into the partial region 28.
  • 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 regions 25 which were not or only slightly removed during the acid attack, so that a layer region of the component 22 was removed non-uniformly.
  • FIG. 6 shows a component 1 or layer system 14 in which a layer region of component 1 or layer 10 has been removed evenly.
  • the partial area 28 can also have become so brittle that the partial area 28 can be removed by mechanical treatment (sandblasting, ultrasound, dry ice blasting).

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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.

Description

Verfahren zur Entfernung von zumindest einem Teilbereich eines Bauteils aus Metall oder einer MetallVerbindung
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Entfernung von einem Teilbereich, insbesondere einem Schichtbereich eines aus Metall oder einer MetallVerbindung bestehenden Bauteils, wo- durch 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 ent- wickelt, 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 Zusammen- Setzung 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 Bau- teile, 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 vor- handenen benutzten Substraten führt zu einer Kostenreduzierung beim Betrieb von Gasturbinenanlagen.
Dabei uss 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 Aluminium- quelle angeordnet ist. Der Tiegel muss teilweise abgeschlossen und dann in einem Ofen erwärmt werden. Durch den Wärme- prozess wird dem korrodierten Bauteil Aluminium zugeführt, wodurch sich die Bereiche durch eine anschließende Säurebehandlung entfernen lassen, die sich vorher schlechter abtra- gen 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 Beschicht- ungsverfahren wie Plasmaspritzen, Verdampfen, CVD, Packver- fahren (Bauteil im Pulverbett) oder sonstige Verfahren (Pastenauftrag) aufgebracht werden.
In den Figuren sind Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäs- sen 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 er- findungsgemässes 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 verur- sacht 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 Kompo- nente 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 mehr- ko ponentiges 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 abtra- gungsresistenteren 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 Diffusi- onsmittel 16 aufgrund einer Wärmebehandlung bei einer Temperatur T vollständig in die Schicht 10 hineindi fundiert ist. Die Schicht 10 stellt den abzutragenden Teilbereich 28, der nicht nur aus abtragungsresistenteren Bereichen besteht. Das Diffusionsmittel 16 ist zumindest zweikomponentig. Zumin- dest 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 γλ -Phase in eine Aluminium-reiche ß-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 Ver- fahren 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

Patentansprüche
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 zweikomponen- tiges Diffusionsmittel (16) zumindest in den Teilbereich (28) des Bauteils (1) hineindiffundiert, wobei zumindest zwei Komponenten des Diffusionsmittels (16) metallisch sind, die in das Bauteil (1) hineindiffundieren .
2. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass
bei dem zumindest eine Komponente des Diffusionsmittels (16) metallisch ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass
eine Komponente des Diffusionsmittels (16) aus Aluminium ist .
4. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass
eine Komponente des Diffusionsmittels (16) aus Kobalt ist,
5. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass bei dem das zweikomponentige Diffusionsmittel (16) aus Kobalt und Aluminium besteht .
6. Verfahren nach Anspruch 1 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass
das Diffusionsmittel (16) auf eine Oberfläche (13) des Bauteils (1) aufgebracht wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass
das Diffusionsmittel (16) durch Plasmaspritzen aufgebracht wird.
8. Verfahren nach Anspruch 6 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass
das Diffusionsmittel (16) durch Verdampfen aufgebracht wird.
9. Verfahren nach Anspruch 6 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass
das Diffusionsmittel (16) durch CVD (chemical vapour depo- sition) aufgebracht wird.
10. Verfahren nach Anspruch 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass
das Diffusionsmittel (16) durch ein Packverfahren auf das aufgebracht wird.
11. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass
durch das Eindiffundieren zumindest eine Phasenänderung in dem Bauteil (1) oder dem Teilbereich (28) bewirkt wird.
12. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass
der Teilbereich (28) eine MCrAlY-Schicht (10) ist, wobei M für ein Element Eisen, Kobalt oder Nickel steht
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