EP1561542A1 - Verfahren zur Entfernung einer Schicht eines Bauteils - Google Patents

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EP1561542A1
EP1561542A1 EP04002334A EP04002334A EP1561542A1 EP 1561542 A1 EP1561542 A1 EP 1561542A1 EP 04002334 A EP04002334 A EP 04002334A EP 04002334 A EP04002334 A EP 04002334A EP 1561542 A1 EP1561542 A1 EP 1561542A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
layer
carried out
dry ice
turbine
component
Prior art date
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Ceased
Application number
EP04002334A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Ralph Reiche
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.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Priority to EP04002334A priority Critical patent/EP1561542A1/de
Publication of EP1561542A1 publication Critical patent/EP1561542A1/de
Ceased legal-status Critical Current

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B24—GRINDING; POLISHING
    • B24C—ABRASIVE OR RELATED BLASTING WITH PARTICULATE MATERIAL
    • B24C1/00—Methods for use of abrasive blasting for producing particular effects; Use of auxiliary equipment in connection with such methods
    • B24C1/08—Methods for use of abrasive blasting for producing particular effects; Use of auxiliary equipment in connection with such methods for polishing surfaces, e.g. smoothing a surface by making use of liquid-borne abrasives
    • B24C1/086—Descaling; Removing coating films
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B24—GRINDING; POLISHING
    • B24C—ABRASIVE OR RELATED BLASTING WITH PARTICULATE MATERIAL
    • B24C1/00—Methods for use of abrasive blasting for producing particular effects; Use of auxiliary equipment in connection with such methods
    • B24C1/003—Methods for use of abrasive blasting for producing particular effects; Use of auxiliary equipment in connection with such methods using material which dissolves or changes phase after the treatment, e.g. ice, CO2
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • 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
    • C23C22/00—Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive liquid, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals
    • C23C22/73—Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive liquid, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals characterised by the process
    • C23C22/74—Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive liquid, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals characterised by the process for obtaining burned-in conversion coatings
    • 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
    • F01D5/12—Blades
    • F01D5/28—Selecting particular materials; Particular measures relating thereto; Measures against erosion or corrosion
    • F01D5/288—Protective coatings for blades
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2230/00—Manufacture
    • F05D2230/90—Coating; Surface treatment

Definitions

  • the invention is in the field of components with a Layer that needs to be removed.
  • Components such as compressor blades (compressor blades), which are used at room temperature or at not too high temperatures, are provided with protective layers against corrosion and erosion. These have, for example, an inorganic binder with a metal.
  • the metal serves as a galvanic element (sacrificial anode) and is therefore electrically conductively connected to the substrate of the component.
  • Such coatings are present in a compressor, for example. Up to the sixth stage on the blades, which experience, for example, temperatures up to 200 ° C.
  • the binder is a mixture of different acids and can be converted by heat treatment into a vitreous structure. Such a layer is known from EP 0 142 418 B1.
  • Gas turbine blades are exposed to very high temperatures. Therefore, they are made of high temperature resistant materials for the necessary high temperature strength. In particular, superalloys based on nickel or cobalt come into question here.
  • a protective layer or a protective layer system against oxidation, corrosion and / or heat insulation is applied to the main body of such a gas turbine blade.
  • a metallic alloy of the type MCrAlX where M is at least one element from the group iron (Fe), cobalt (Co) and nickel (Ni), Cr is chromium, Al is aluminum and X for yttrium and / or at least one element of the rare earths stands.
  • a corrosion protection layer is often applied a ceramic thermal barrier coating. This is resistant to high temperatures and serves to shield the metallic base body from direct contact with the hot gas.
  • a typical material for a ceramic thermal barrier coating is yttrium-stabilized zirconia, which is applied by, for example, atmospheric plasma spraying (APS).
  • DE-A-205 87 66 shows a cleaning process for metallic, radioactively contaminated surfaces by means of an ice blast. For slightly soluble precipitation on the surface also a use of dry ice is proposed.
  • DE-C-196 36 305 shows a method for the elimination of Coatings and coverings from a sensitive surface. It is about deposits such as soot, moss, pollutant deposits. By means of a dry ice jet is a gentle removal the coverings or coatings of the sensitive ones Substrates possible.
  • a ceramic thermal barrier coating is in contrast made of a hard, durable material. Furthermore a ceramic thermal barrier coating is just designed to Temperature changes and thermal stresses endure (EP 13 17 995 A1). For this purpose, usually a stalk-shaped Structure constructed, which compensates thermal transient voltages allowed. The ceramic thermal barrier coating should thus actually just against thermo-mechanical abrasion attempts be insensitive.
  • the object of the invention is to provide a method with a layer of organic binder from a substrate can be removed without damaging the substrate.
  • the invention provides a method for removing one Layer of the surface of a component according to claim 1 ready.
  • thermoplastic materials oil, plastic, paints or ceramics.
  • inorganic binder especially when heat treated and glassy, can not be assigned to any of the above groups.
  • the surface of the component can thus be easily and completely free from the layer and high quality smooth, for example.
  • compressor blade coatings of a turbine are to be removed or reapplied (reprocessing)
  • the following problems must be solved.
  • complete removal of the coatings and, on the other hand, simultaneous protection of other, adjacent rotor assemblies in the removal treatment and cleaning of the stratified blades and the rotor assemblies of interfering blasting agent residues, application of the new coating and residue-free removal of covers.
  • the rotor is still installed with its blades in the turbine or removed from the turbine.
  • the blades are still mounted on a wheel disc or extended are also individually.
  • the stripping can take place with the inventive method on the fully assembled rotor. This eliminates the disassembly and assembly of the turbine blades when servicing a turbine.
  • the dry ice jet is also used for cleaning the component, in particular the gas turbine blade.
  • a cleaning is to be carried out in particular before coating a turbine blade. Any contamination may affect the adhesion of the applied coating.
  • the cleaning agent used such as sand when sandblasting, to include foreign material in the surface to be cleaned.
  • a dry ice jet this danger is avoided because the dry ice sublimates residue-free.
  • FIG. 1 shows a device 15 for removing layer material from the surface of a gas turbine blade 20.
  • a screw compressor 1 To produce a compressed air flow, a screw compressor 1, a surge tank 2, an adsorption dryer 3, a cooler 4 and a measuring system 5 are connected in series.
  • air is highly compressed, in particular to a pressure of 3 to 12 bar.
  • the expansion tank 2 serves to stabilize a constant mass flow.
  • the adsorption dryer 3 the air is dried and cooled in the cooler 4.
  • a measuring system 5 is used to record the compressed air parameters.
  • the compressed air stream is then fed to a pellet supply device 12.
  • dry ice pellets 6 are stored.
  • the dry ice pellets 6 are fed by means of a screw conveyor 7 via a rotary valve 8 to the compressed air flow and fed to it by means of a robot 9 movable Laval nozzle 10 (Fig. 3).
  • a dry ice jet 14 (FIG. 3) with, for example, speed of sound and strike a component 20, in particular a gas turbine blade 20, on the surface 40 of the layer 32, 36 to be removed or on the surface 38 of the substrate 30 of the component 20 (eg gas turbine blades ).
  • the gas turbine blade 20 is supported in a multi-axis retainer 22 so that the dry ice jet 14 can be directed to any point on the surface of the gas turbine blade 20.
  • b is an example of a longitudinal section through the Surface area of a component, in particular a Turbine blade 20 (compressor or Ver Whyrleit- or - moving blade) shown.
  • the layer 33, 32, 36 consists of at least one inorganic binder, wherein the binder is a mixture of at least two acids.
  • the binder may contain chromic acid ( H 2 CrO 3 ) and / or phosphorous acid (H 3 PO 3 ) and / or phosphoric acid (H 3 PO 4 ).
  • the binder is 100% inorganic binder.
  • the binder contains 20% phosphorous acid, 50% chromic acid and 30% phosphoric acid.
  • the phosphorous acid in the binder may be at least partially or entirely replaced by magnesium oxide (MgO).
  • composition and method of preparation is described in EP 0 142 418 B1 and forms part of this disclosure.
  • a heat treatment was carried out with this layer 33, 32, 36, so that a vitreous layer is formed on the substrate 30 of the component 20.
  • Glass-like means that the layer 33, 32, 36 has similar thermal and / or mechanical properties as a glass and differs from the thermal and / or mechanical properties of a metal and a ceramic.
  • this binder that is an acid mixture, for example, up to 50% of a metal, for example aluminum may be added.
  • This metal is added, for example, as a metal pigment and serves as a sacrificial material.
  • the layer 33, 32, 36 may also contain a metal phosphate formed by reaction of the binder components, in particular a chromium phosphate. Chromium phosphate is formed from the reaction of chromic acid and phosphoric acid.
  • a duplex layer 32, 36 or residues thereof can also be completely removed by means of the dry ice jet 14.
  • the layer system consists for example of a first layer 32 (base coat) and a second coat 36 (top coat).
  • the first layer 32 consists of an acid mixture which, as already described above, contains chromic acid, phosphorous acid and / or magnesium oxide and phosphoric acid.
  • the layer contains a metal as a sacrificial material against corrosion.
  • a second layer 36 which also consists of an acid mixture as described above, but does not contain any metal as a sacrificial material against corrosion.
  • the inorganic binder always forms one Matrix of duplex layer 32, 36.
  • the method can be applied to compressor run and guide vanes as well as turbine guide vanes and vanes Steam or gas turbines having such layers 33, 32, 36. Also housing parts of a turbine 100 ( Figure 4), the one Layer can also with the inventive Procedures are treated.
  • Compressor blades (blades and vanes) of turbines are used to prevent Corrosion and erosion coated with coating systems.
  • FIG. 4 shows by way of example a gas turbine 100 in a longitudinal partial section.
  • the gas turbine 100 has inside a rotatably mounted about a rotation axis 102 rotor 103, which is also referred to as a turbine runner.
  • a compressor 105 which comprises, for example, blades with a inorganic binder containing layer 33, 32, 36, for example, a toroidal combustion chamber 110, in particular annular combustion chamber 106, with a plurality of coaxially arranged burners 107, a turbine 108 and the exhaust housing 109th
  • the annular combustion chamber 106 communicates with an annular annular hot gas channel 111, for example.
  • Each turbine stage 112 is formed of two blade rings. As seen in the direction of flow of a working medium 113, in the hot gas channel 111 of a row of guide vanes 115, a series 125 formed of rotor blades 120 follows.
  • the guide vanes 130 are in this case on an inner housing 138 a stator 143 attached, whereas the blades 120 a series 125, for example by means of a turbine disk (Wheel) 133 are mounted on the rotor 103.
  • a turbine disk (Wheel) 133 On the rotor 103 is coupled to a generator or a work machine (not shown).
  • the gas turbine 100 During operation of the gas turbine 100 is from the compressor 105 sucked and compressed by the intake 104 104 air 135.
  • the at the turbine end of the compressor 105th provided compressed air is the burners 107th guided and mixed there with a fuel.
  • the mixture is then to form the working medium 113 in the combustion chamber 110 burned.
  • the working medium 113 flows along the hot gas channel 111 past the vanes 130 and the blades 120.
  • the blades 120 relaxes the Working medium 113 pulse transmitting, so that the blades 120 drive the rotor 103 and this coupled to him Working machine.
  • the components exposed to the hot working medium 113 are subject to thermal loads during operation of the gas turbine 100.
  • the guide vanes 130 and rotor blades 120 of the first turbine stage 112, viewed in the direction of flow of the working medium 113, are subjected to the greatest thermal stress in addition to the heat shield bricks lining the annular combustion chamber 106. In order to withstand the temperatures prevailing there, they are cooled by means of a coolant.
  • the substrates may have a directional structure, ie they are monocrystalline (SX structure) or have only longitudinal grains (DS structure).
  • the material used is iron-, nickel- or cobalt-based superalloys. For example, superalloys are used, as are known from EP 1 204 776, EP 1 306 454, EP 1 319 729, WO 99/67435 or WO 00/44949; these writings are part of the revelation.
  • the blades 120, 130 may be anti-corrosion coatings (MCrAlX; M is at least one element of the group iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni), X is yttrium (Y) and / or at least one element of the rare Erden) and have heat through a thermal barrier coating.
  • the thermal barrier coating consists for example of ZrO 2 Y 2 O 4 -ZrO 2 , ie it is not, partially or completely stabilized by yttrium oxide and / or calcium oxide and / or magnesium oxide.
  • suitable coating processes such as electron beam evaporation (EB-PVD), stalk-shaped grains are produced in the thermal barrier coating.
  • the vane 130 has an inner housing 138 of the Turbine 108 facing Leitschaufelfuß (not shown here) and a vane foot opposite Guide vane head on.
  • the vane head is the rotor 103 facing and on a mounting ring 140 of the stator 143rd established.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Entfernung einer Schicht (32, 36). Mittels eines Trockeneisstrahles (14) wird die Oberfläche (38) behandelt, wodurch die Schicht (33, 32, 36) entfernt wird und Kontaminationen der Oberfläche (38) vermieden und Kostenvorteile erzielt werden. <IMAGE>

Description

Die Erfindung liegt auf dem Gebiet von Bauteilen mit einer Schicht, die entfernt werden muss.
Hintergrund zur Erfindung
Bauteile, wie z.B. Kompressorschaufeln (Verdichterschaufeln), die bei Raumtemperatur oder nicht allzu hohen Temperaturen eingesetzt werden, werden mit Schutzschichten gegen Korrosion und Erosion versehen.
Diese weisen einen beispielsweise anorganischen Binder mit einem Metall auf. Das Metall dient als galvanisches Element (Opferanode) und ist daher elektrisch leitend mit dem Substrat des Bauteils verbunden.
Solche Beschichtungen sind in einem Kompressor bspw. bis zur sechsten Stufe auf den Schaufeln vorhanden, wobei diese z.B. Temperaturen bis 200°C erfahren.
Der Binder ist eine Mischung aus verschiedenen Säuren und kann durch eine Wärmebehandlung in eine glasartige Struktur umgewandelt werden.
Eine solche Schicht ist aus der EP 0 142 418 B1 bekannt.
Andere Beschichtungen von Kompressorkomponenten zeigt die WO 2003044374 A1.
Schutzschichtsysteme auf Gasturbinenschaufeln zeigen z.B. die US 4,321,310, die US 4,676,994 oder die US 5,238,752.
Gasturbinenschaufeln sind sehr hohen Temperaturen ausgesetzt. Daher sind sie für die notwendige Hochtemperaturfestigkeit aus hochtemperaturfesten Werkstoffen gefertigt. Insbesondere kommen hier Superlegierungen auf Nickel- oder Kobaltbasis in Frage. In der Regel wird auf den Grundkörper einer solchen Gasturbinenschaufel noch eine Schutzschicht oder ein Schutzschichtsystem gegen Oxidation, Korrosion und/oder zur Wärmedämmung aufgebracht.
Besonders geeignet ist hier eine metallische Legierung der Art MCrAlX, wobei M für zumindest ein Element aus der Gruppe Eisen (Fe), Kobalt (Co) und Nickel (Ni) steht, Cr Chrom ist, Al Aluminium ist und X für Yttrium und/oder zumindest ein Element der Seltenen Erden steht.
Auf eine solche Korrosionsschutzschicht wird häufig eine keramische Wärmedämmschicht aufgebracht. Diese ist hochtemperaturbeständig und dient der Abschirmung des metallischen Grundkörpers vor dem direkten Kontakt mit dem Heißgas. Ein typisches Material für eine keramische Wärmedämmschicht ist Yttrium-stabilisiertes Zirkondioxid, welches z.B. durch atmosphärisches Plasmaspritzen (APS) aufgebracht wird.
In der US 3,676,963 ist ein Verfahren zur Entfernung unerwünschter Bereiche von thermoplastischen oder elastischen Materialien, insbesondere in inneren, schwer zugänglichen Bereichen mittels eines Eisstrahles beschrieben.
Eine entsprechende Anwendung mittels Trockeneis, also festem CO2, offenbart die US 3,702,519. Der Abtrag der unerwünschten Bereiche geschieht durch ein Unterkühlen und damit Verspröden der elastischen Kunststoffbereiche auf Holz oder synthetischen Materialien durch kalte CO2-Partikel, die dann durch Sandstrahlen abgetragen werden.
Die DE-A-205 87 66 zeigt ein Reinigungsverfahren für metallische, radioaktiv verseuchte Oberflächen mittels eines Eisstrahles. Für leicht lösliche Niederschläge auf der Oberfläche wird auch eine Verwendung von Trockeneis vorgeschlagen.
Die US 4,038,786 und die korrespondierende DE-A-254 30 19 offenbaren eine Vorrichtung, mit der ein Trockeneisstrahl mit günstiger Teilchengröße und -form ohne Verklumpungen der Teilchen erzeugbar ist.
Die DE-C-196 36 305 zeigt ein Verfahren zur Beseitigung von Beschichtungen und Belägen von einem empfindlichen Untergrund. Es geht um Beläge wie Ruß, Moos, Schadstoffablagerungen. Mittels eines Trockeneisstrahles ist ein schonendes Entfernen der Beläge oder Beschichtungen von den empfindlichen Untergründen möglich.
Vergleichbare Anwendungen des Trockeneisstrahlens, etwa zum Entfernen von Silikondichtungen oder Lacken zum Beispiel von Kunststoffformteilen oder anderen formkritischen Grundkörpern sind in dem folgenden Artikel: "Trockeneis-Strahlreinigen", Abuinger, Kunststoffe 86 (1996) 1, S.58; "CO2 blast cleaning", Ken Lay, Rubber Technology International '96, S. 268-270 beschrieben.
Mit Trockeneisstrahlen werden auch keramische Schichten entfernt. Eine keramische Wärmedämmschicht besteht demgegenüber aus einem harten, widerstandsfähigen Material. Darüber hinaus ist eine keramische Wärmedämmschicht gerade dafür ausgelegt, Temperaturwechsel und thermische Spannungen auszuhalten (EP 13 17 995 A1). Hierzu wird üblicherweise eine stängelförmige Struktur aufgebaut, die die Kompensation thermischer Querspannungen erlaubt. Die keramische Wärmedämmschicht sollte somit eigentlich gerade gegen thermo-mechanische Abtragungsversuche unempfindlich sein.
Die US 6,585,569 zeigt die Verwendung von Trockeneis zur Reinigung einer ganzen Turbine.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren aufzuzeigen, mit dem eine Schicht aus organischem Binder von einem Substrat entfernt werden kann, ohne das Substrat zu schädigen.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1. In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Verfahrensschritte aufgelistet.
Darstellung der Erfindung
Die Erfindung stellt ein Verfahren zum Entfernen von einer Schicht von der Oberfläche eines Bauteils gemäß Patentanspruch 1 bereit.
Bei dem Verfahren wird ein Trockeneisstrahl aus Trockeneispartikeln über die Oberfläche geführt, so dass durch die Einwirkung der auftreffenden Trockeneispartikel Material von der einen anorganischen Binder enthaltenden Schicht abgetragen wird.
Die bisherigen Anwendungen des Trockeneisstrahlens liegen bei Schichten aus thermoplastischen Kunststoffen, Öl, Kunststoff, Lacken oder Keramik.
Der anorganische Binder, insbesondere wenn er wärmebehandelt und glasartig ist, lässt sich keiner der oben genannten Gruppen zuordnen.
Durch eine Abtragung mittels Trockeneis wird eine Kontamination durch Fremdstoffe vermieden.
Zudem wird der metallische Grundkörper des Bauteils nicht beeinträchtigt.
Die Oberfläche des Bauteils lässt sich somit auch einfach und qualitativ hochwertig völlig von der Schicht befreien und beispielsweise auch glätten.
Durch Abstrahlen mit Trockeneis werden wesentliche Nachteile eines konventionellen Sandstrahlverfahrens vermieden, nämlich eine Kontamination der Schaufeloberfläche mit Sandpartikeln des Sandstrahls. Die Trockeneispartikel sublimieren nach dem Auftreffen sofort und rückstandsfrei, so dass keinerlei Einlagerung oder chemische Reaktion erfolgt. Weiterhin verbleiben keine zu entsorgenden Strahlreste.
Wenn Verdichterschaufelbeschichtungen einer Turbine entfernt oder erneut aufgetragen werden sollen (wiederaufarbeitung), sind folgende Problemstellungen zu lösen.
Zum einen ein vollständiges Entfernen der Beschichtungen und zum anderen bei gleichzeitigem Schutz anderer, benachbarter Rotorbaugruppen bei der Entfernungsbehandlung sowie Reinigung der entschichteten Schaufeln und der Rotorbaugruppen von störenden Strahlmittelrückständen, Aufbringen der neuen Beschichtung sowie rückstandfreies Entfernen von Abdeckungen. Dabei ist z.B. der Rotor noch mit seinen Schaufeln in der Turbine eingebaut oder aus der Turbine ausgebaut. Die Schaufeln sind noch an einer Radscheibe montiert oder liegen ausgebaut auch einzeln vor.
Die Entschichtung kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren am komplett montierten Rotor stattfinden. So entfällt die Demontage und Montage der Turbinenschaufeln beim Service einer Turbine.
Durch das Trockeneisstrahlen ist ein vollständiges Entfernen der Beschichtung möglich. Andere Baugruppen können auf einfache Art und Weise abgedeckt und dadurch geschützt werden. Störende Strahlmittelrückstände sind beim Trockeneisstrahlen nicht gegeben. Auch das rückstandsfreie Entfernen von Abdeckungen, z.B. von Klebebändern, auf zu schützenden Rotorbaugruppen ist mit dem Trockeneisstrahlen möglich.
  • A) Das erfindungsgemäße Verfahren kann insbesondere auch bei einer Wiederherstellung eines Schichtsystems (Refurbishment) einer Turbinenschaufel angewendet werden. Dazu wird die gesamte alte Schicht entfernt.
  • B) Vorzugsweise wird durch das Glätten ein vorbestimmter maximaler Rauhigkeitswert der Oberfläche eingestellt. Der maximale Rauhigkeitswert einer mittleren Rauhigkeit ist bevorzugt kleiner als 30 µm, weiter bevorzugt kleiner als 15 µm.
  • C) Vorzugsweise wird die Entschichtung voll automatisiert durchgeführt. Durch eine mehrachsige Halterung der Turbinenschaufel oder eine mehrachsige Führung des Trockeneisstrahles ist es möglich, jeden zu entschichtenden Bereich der Oberfläche zu erreichen.
  • D) Bevorzugt verlässt der Trockeneisstrahl eine Düse unter einem Druck von 5 bar bis 50 bar.
    Die Ausführungen der Abschnitte A) bis D) können auch miteinander kombiniert werden.
    • Detaillierte Beschreibung der Erfindung
    Bevorzugtermassen wird mit dem Trockeneisstrahl auch eine Reinigung des Bauteils, insbesondere der Gasturbinenschaufel, durchgeführt. Eine solche Reinigung ist insbesondere vor einem Beschichten einer Turbinenschaufel durchzuführen. Jede Verunreinigung kann die Haftung der aufzubringenden Beschichtung beeinträchtigen.
    Bei herkömmlichen Reinigungsverfahren besteht die Gefahr, über das verwendete Reinigungsmittel, etwa Sand beim Sandstrahlen, Fremdmaterial in die zu reinigende Oberfläche einzuschließen.
    Durch die Verwendung eines Trockeneisstrahles wird diese Gefahr vermieden, da das Trockeneis rückstandsfrei sublimiert.
    Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.
    Es zeigen teilweise schematisch und nicht maßstäblich:
    Figur 1
    eine Vorrichtung zum Entfernen einer Schicht von einem Bauteil,
    Figur 2
    ein Längsschnitt durch einen Oberflächenbereich eines Schutzschichtsystems,
    Figur 3
    ein Verfahren zum Entfernen von einer Schicht eines Bauteils,
    Figur 4
    eine Gasturbine.
    Gleiche Bezugszeichen haben in den Figuren die gleiche Bedeutung.
    In Figur 1 ist eine Vorrichtung 15 zum Entfernen von Schichtmaterial von der Oberfläche einer Gasturbinenschaufel 20 gezeigt.
    Zur Erzeugung eines Druckluftstromes sind hintereinander geschaltet ein Schraubenkompressor 1, ein Ausgleichsbehälter 2, ein Adsorptionstrockner 3, ein Kühler 4 und ein Meßsystem 5. Im Schraubenkompressor 1 wird Luft hoch verdichtet, insbesondere auf einen Druck von 3 bis 12 bar. Der Ausgleichsbehälter 2 dient der Stabilisierung eines konstanten Massenstroms. Im Adsorptionstrockner 3 wird die Luft getrocknet und im Kühler 4 abgekühlt. Ein Messsystem 5 dient der Erfassung der Druckluftparameter.
    Der Druckluftstrom wird sodann einer Pelletversorgungseinrichtung 12 zugeführt. In dieser sind Trockeneispellets 6 gelagert. Die Trockeneispellets 6 werden mittels eines Schneckenförderers 7 über eine Zellradschleuse 8 dem Druckluftstrom zugeführt und mit diesem einer mittels eines Roboters 9 beweglichen Lavaldüse 10 (Fig. 3) zugeführt. Dort treten sie als Trockeneisstrahl 14 (Fig. 3) mit z.B. Schallgeschwindigkeit aus und treffen auf ein Bauteil 20, insbesondere eine Gasturbinenschaufel 20 auf die Oberfläche 40 der abzutragenden Schicht 32, 36 oder auf die Oberfläche 38 des Substrats 30 des Bauteils 20 (z.B. Gasturbinenschaufeln).
    Die Gasturbinenschaufel 20 ist in einer mehrachsigen Halterung 22 gelagert, so dass der Trockeneisstrahl 14 auf jeden Punkt der Oberfläche der Gasturbinenschaufel 20 geleitet werden kann.
    In Figur 2a,b ist als Beispiel ein Längsschnitt durch den Oberflächenbereich eines Bauteils, insbesondere einer Turbinenschaufel 20 (Kompressor- oder Verdichterleit- oder - laufschaufel) gezeigt.
    Bei einem Refurbishment einer bereits länger eingesetzten Turbinenschaufel 20 wird eine einzelne Schicht 33 (Fig. 2b) oder eine Duplexschicht 32, 36 (Fig. 2a) erneuert.
    Die Schicht 33, 32, 36 besteht aus zumindest einem anorganischen Binder, wobei der Binder ein Gemisch aus zumindest zwei Säuren darstellt. Der Binder kann Chromsäure (H2CrO3 ) und/oder phosphorige Säure (H3PO3) und/oder Phosphorsäure (H3PO4) enthalten. Der Binder besteht beispielsweise zu 100% aus anorganischem Binder. Insbesondere enthält der Binder 20% phosphorige Säure, 50% Chromsäure sowie 30% Phosphorsäure. Die phosphorige Säure in dem Binder kann zumindest teilweise oder ganz durch Magnesiumoxid (MgO) ersetzt sein.
    Die Zusammensetzung und Herstellungsweise ist in der EP 0 142 418 B1 beschrieben und ist Teil dieser Offenbarung.
    Mit dieser Schicht 33, 32, 36 wurde eine Wärmebehandlung durchgeführt, so dass sich eine glasartige Schicht auf dem Substrat 30 des Bauteils 20 ausbildet.
    Glasartig bedeutet, dass die Schicht 33, 32, 36 ähnliche thermische und/oder mechanische Eigenschaften wie ein Glas aufweist und sich von den thermischen und/oder mechanischen Eigenschaften eines Metalls und einer Keramik unterscheidet.
    Des weiteren kann diesem Binder, also einem Säuregemisch, z.B. bis zu 50% eines Metalls, beispielsweise Aluminium zugefügt sein.
    Dieses Metall ist beispielsweise als Metallpigment hinzugefügt und dient als Opfermaterial.
    Die Schicht 33, 32, 36 kann auch ein Metallphosphat, das sich durch Reaktion der Binderbestandteile bildet, insbesondere ein Chromphosphat enthalten.
    Chromphosphat bildet sich aus der Reaktion aus Chromsäure und Phosphorsäure.
    Insbesondere kann auch eine Duplexschicht 32, 36 oder Reste hiervon mittels des Trockeneisstrahles 14 vollständig entfernt werden. Das Schichtsystem besteht beispielsweise aus einer ersten Schicht 32 (Grundbeschichtung) und einer zweiten Schicht 36 (Deckbeschichtung).
    Die erste Schicht 32 besteht aus einem Säuregemisch, das wie weiter oben schon beschrieben, Chromsäure, phosphorige Säure und/oder Magnesiumoxid sowie Phosphorsäure enthält. Außerdem enthält die Schicht ein Metall als Opfermaterial gegen Korrosion.
    Auf diese erste Schicht 32 ist eine zweite Schicht 36 aufgebracht, die ebenfalls aus einem Säuregemisch wie oben beschrieben besteht, jedoch kein Metall als Opfermaterial gegen Korrosion enthält.
    Der anorganische Binder bildet in jedem Fall immer eine Matrix der Duplexschicht 32, 36.
    Das Verfahren kann angewendet werden bei Verdichterlauf- und -leitschaufeln sowie Turbinenleit- und -laufschaufeln bei Dampf- oder Gasturbinen, die solche Schichten 33, 32, 36 aufweisen. Auch Gehäuseteile einer Turbine 100 (Fig.4), die eine Schicht enthalten, können ebenfalls mit dem erfindungsgemäßen Verfahren behandelt werden.
    Verdichterschaufeln (Lauf- und Leitschaufeln) von Turbinen, insbesondere von Gasturbinen werden zur Verhinderung von Korrosion und Erosion mit Schichtsystemen beschichtet.
    Insbesondere durch die Kombination der verwendeten Drücke, der Düsenanordnung sowie der Mengenverhältnisse wird eine optimale Entfernung der Schicht 33, 32, 36 erreicht.
    Bei der Entfernung der Schichten 33, 32, 36 werden beispielsweise Bereiche mittels Klebstreifen abgedeckt, die gegenüber sich bildenden Feinstäuben zu schützen sind. Wenn die Schicht 32, 33, 36 entfernt worden ist, kann anschließend mittels des Trockeneisstrahlens auch der Klebstreifen rückstandsfrei entfernt werden.
    Die Figur 4 zeigt beispielhaft eine Gasturbine 100 in einem Längsteilschnitt.
    Die Gasturbine 100 weist im Inneren einen um eine Rotationsachse 102 drehgelagerten Rotor 103 auf, der auch als Turbinenläufer bezeichnet wird.
    Entlang des Rotors 103 folgen aufeinander ein Ansauggehäuse 104, ein Verdichter 105, der beispielsweise Schaufeln mit einer einen anorganischen Binder enthaltenden Schicht 33, 32, 36 aufweist, eine beispielsweise torusartige Brennkammer 110, insbesondere Ringbrennkammer 106, mit mehreren koaxial angeordneten Brennern 107, eine Turbine 108 und das Abgasgehäuse 109.
    Die Ringbrennkammer 106 kommuniziert mit einem beispielsweise ringförmigen Heißgaskanal 111. Dort bilden beispielsweise vier hintereinandergeschaltete Turbinenstufen 112 die Turbine 108.
    Jede Turbinenstufe 112 ist aus zwei Schaufelringen gebildet. In Strömungsrichtung eines Arbeitsmediums 113 gesehen folgt im Heißgaskanal 111 einer Leitschaufelreihe 115 eine aus Laufschaufeln 120 gebildete Reihe 125.
    Die Leitschaufeln 130 sind dabei an einem Innengehäuse 138 eines Stators 143 befestigt, wohingegen die Laufschaufeln 120 einer Reihe 125 beispielsweise mittels einer Turbinenscheibe (Radscheibe) 133 am Rotor 103 angebracht sind. An dem Rotor 103 angekoppelt ist ein Generator oder eine Arbeitsmaschine (nicht dargestellt).
    Während des Betriebes der Gasturbine 100 wird vom Verdichter 105 durch das Ansauggehäuse 104 Luft 135 angesaugt und verdichtet. Die am turbinenseitigen Ende des Verdichters 105 bereitgestellte verdichtete Luft wird zu den Brennern 107 geführt und dort mit einem Brennmittel vermischt. Das Gemisch wird dann unter Bildung des Arbeitsmediums 113 in der Brennkammer 110 verbrannt.
    Von dort aus strömt das Arbeitsmedium 113 entlang des Heißgaskanals 111 vorbei an den Leitschaufeln 130 und den Laufschaufeln 120. An den Laufschaufeln 120 entspannt sich das Arbeitsmedium 113 impulsübertragend, so dass die Laufschaufeln 120 den Rotor 103 antreiben und dieser die an ihn angekoppelte Arbeitsmaschine.
    Die dem heißen Arbeitsmedium 113 ausgesetzten Bauteile unterliegen während des Betriebes der Gasturbine 100 thermischen Belastungen. Die Leitschaufeln 130 und Laufschaufeln 120 der in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums 113 gesehen ersten Turbinenstufe 112 werden neben den die Ringbrennkammer 106 auskleidenden Hitzeschildsteinen am meisten thermisch belastet.
    Um den dort herrschenden Temperaturen standzuhalten, werden diese mittels eines Kühlmittels gekühlt.
    Ebenso können die Substrate eine gerichtete Struktur aufweisen, d.h. sie sind einkristallin (SX-Struktur) oder weisen nur längsgerichtete Körner auf (DS-Struktur).
    Als Material werden eisen-, nickel- oder kobaltbasierte Superlegierungen verwendet.
    Beispielsweise werden Superlegierungen verwendet, wie sie aus der EP 1 204 776, EP 1 306 454, EP 1 319 729, WO 99/67435 oder WO 00/44949 bekannt sind; diese Schriften sind Teil der Offenbarung.
    Ebenso können die Schaufeln 120, 130 Beschichtungen gegen Korrosion (MCrAlX; M ist zumindest ein Element der Gruppe Eisen (Fe), Kobalt (Co), Nickel (Ni), X steht für Yttrium (Y) und/oder zumindest ein Element der Seltenen Erden) und Wärme durch eine Wärmedämmschicht aufweisen. Die Wärmedämmschicht besteht beispielsweise ZrO2 Y2O4-ZrO2, d.h. sie ist nicht, teilweise oder vollständig stabilisiert durch Yttriumoxid und/oder Kalziumoxid und/oder Magnesiumoxid.
    Durch geeignete Beschichtungsverfahren wie z.B. Elektronenstrahlverdampfen (EB-PVD) werden stängelförmige Körner in der Wärmedämmschicht erzeugt.
    Die Leitschaufel 130 weist einen dem Innengehäuse 138 der Turbine 108 zugewandten Leitschaufelfuß (hier nicht dargestellt) und einen dem Leitschaufelfuß gegenüberliegenden Leitschaufelkopf auf. Der Leitschaufelkopf ist dem Rotor 103 zugewandt und an einem Befestigungsring 140 des Stators 143 festgelegt.

    Claims (24)

    1. Verfahren zum Entfernen einer zumindest einen anorganischen Binder enthaltenden Schicht (33, 32, 36) von der Oberfläche (38) eines Bauteils (20),
      insbesondere eines Turbinenbauteils,
      wobei ein Trockeneisstrahl (14) aus Trockeneispartikeln über die Oberfläche (38, 40) des Bauteils (20) geführt wird,
      so dass durch die Einwirkung der auftreffenden Trockeneispartikel Material der Schicht (33, 32, 36) abgetragen wird.
    2. Verfahren nach Anspruch 1,
      dadurch gekennzeichnet, dass
      das Verfahren mit einer Schicht (33, 32, 36) durchgeführt wird,
      dessen Binder durch eine Wärmebehandlung glasartig ausgebildet ist.
    3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
      dadurch gekennzeichnet, dass
      das Verfahren mit einer Schicht (33, 32, 36) durchgeführt wird,
      dessen Binder zumindest Chromsäure (H2CrO3),
      insbesondere zu 50wt%, enthält.
    4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3,
      dadurch gekennzeichnet, dass
      das Verfahren mit einer Schicht (33, 32, 36) durchgeführt wird,
      dessen Binder zumindest phosphorige Säure (H3PO3), insbesondere bis zu 20wt% enthält.
    5. Verfahren nach Anspruch 4,
      dadurch gekennzeichnet, dass
      das Verfahren mit einer Schicht (33, 32, 36) durchgeführt wird,
      wobei die phosphorige Säure zumindest teilweise durch Magnesiumoxid (MgO) ersetzt ist.
    6. Verfahren nach Anspruch 1, 2, 3, 4 oder 5,
      dadurch gekennzeichnet, dass
      das Verfahren mit einer Schicht (33, 32, 36) durchgeführt wird,
      dessen Binder zumindest Phosphorsäure (H3PO4), insbesondere bis zu 30wt% enthält.
    7. Verfahren nach Anspruch 1, 2, 3, 4 oder 6,
      dadurch gekennzeichnet, dass
      die Schicht (33, 32, 36), die entfernt wird, zu 100% aus anorganischem Binder besteht.
    8. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6,
      dadurch gekennzeichnet, dass
      das Verfahren mit einer Schicht (33, 32, 36) durchgeführt wird,
      dessen Binder metallhaltig,
      insbesondere bis zu 50wt%, ist.
    9. Verfahren nach Anspruch 8,
      dadurch gekennzeichnet, dass
      das Verfahren mit einer Schicht (33, 32, 36) durchgeführt wird,
      dessen Binder aluminiumhaltig ist.
    10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9,
      dadurch gekennzeichnet, dass
      das Metall als Metallpigment enthalten ist.
    11. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2, 3, 4, 6 oder 7,
      dadurch gekennzeichnet, dass
      das Verfahren mit einer Schicht (33, 32, 36) durchgeführt wird,
      dessen Binder aus Chromsäure, phosphoriger Säure und Phosphorsäure besteht.
    12. Verfahren nach Anspruch 5, 8, 9 oder 10,
      dadurch gekennzeichnet, dass
      das Verfahren mit einer Schicht (33, 32, 36) durchgeführt wird,
      die aus Chromsäure, phosphoriger Säure, Phosphorsäure und Metall besteht.
    13. Verfahren nach Anspruch 1,
      dadurch gekennzeichnet, dass
      die Schicht (33) eine Duplexschicht (32, 36) ist,
      wobei die Duplexschicht (32, 36) aufgebaut ist aus einer ersten Schicht (32) gemäß Anspruch 12 und einer zweiten Schicht (36) gemäß Anspruch 11 darauf.
    14. Verfahren nach Anspruch 1,
      bei dem der Trockeneisstrahl (14) eine Düse (10) unter einem Druck von 5 bar bis 50 bar verlässt.
    15. Verfahren nach Anspruch 1 oder 13,
      bei dem die Schicht (33, 32, 36) vollständig durch den Trockeneisstrahl (14) entfernt wird.
    16. Verfahren nach Anspruch 8 oder 12,
      dadurch gekennzeichnet, dass
      das Verfahren mit einer Schicht (33, 32, 36) durchgeführt wird,
      dessen Binder ein Metallphosphat enthält.
    17. Verfahren nach Anspruch 16,
      dadurch gekennzeichnet, dass
      das Verfahren mit einer Schicht (33, 32, 36) durchgeführt wird,
      dessen Binder als Metallphosphat ein Chromphosphat enthält.
    18. Verfahren nach Anspruch 1,
      dadurch gekennzeichnet, dass
      das Verfahren mit einer Verdichterlaufschaufel oder - leitschaufel (105) als Bauteil (20) durchgeführt wird.
    19. Verfahren nach Anspruch 1,
      dadurch gekennzeichnet, dass
      das Verfahren mit einer Turbinenlaufschaufel (120) oder - leitschaufel (130) als Bauteil (20) durchgeführt wird.
    20. Verfahren nach Anspruch 18 oder 19,
      dadurch gekennzeichnet, dass
      die Verdichter- oder Turbinenschaufeln Schaufeln einer Dampf- oder Gasturbine (100) sind.
    21. Verfahren nach Anspruch 1, 18, 19 oder 20,
      dadurch gekennzeichnet, dass
      nach der Entfernung der Schicht (33, 32, 36) eine neue Schicht aufgebracht wird.
    22. Verfahren nach Anspruch 18, 29 oder 20,
      dadurch gekennzeichnet, dass
      das Verfahren an einem kompletten Rotor mit Schaufeln durchgeführt wird.
    23. Verfahren nach Anspruch 18, 29 oder 20,
      dadurch gekennzeichnet, dass
      das Verfahren an beschaufelten Turbinenscheiben durchgeführt wird.
    24. Verfahren nach Anspruch 18, 29 oder 20,
      dadurch gekennzeichnet, dass
      das Verfahren an Gehäuseteilen einer Turbine durchgeführt wird.
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