EP1570921A1 - Process for cleaning by plasma an object - Google Patents

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Publication number
EP1570921A1
EP1570921A1 EP04004892A EP04004892A EP1570921A1 EP 1570921 A1 EP1570921 A1 EP 1570921A1 EP 04004892 A EP04004892 A EP 04004892A EP 04004892 A EP04004892 A EP 04004892A EP 1570921 A1 EP1570921 A1 EP 1570921A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
component
crack
plasma
distance
chamber
Prior art date
Legal status (The legal status 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 status listed.)
Withdrawn
Application number
EP04004892A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Ursus Dr. Krüger
Ralph Reiche
Jan Dr. Steinbach
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 EP04004892A priority Critical patent/EP1570921A1/en
Priority to CN200580006606A priority patent/CN100586586C/en
Priority to PCT/EP2005/001301 priority patent/WO2005084830A1/en
Priority to EP05701389A priority patent/EP1722901B1/en
Priority to US10/591,512 priority patent/US7513955B2/en
Priority to DE502005007139T priority patent/DE502005007139D1/en
Publication of EP1570921A1 publication Critical patent/EP1570921A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B08—CLEANING
    • B08B—CLEANING IN GENERAL; PREVENTION OF FOULING IN GENERAL
    • B08B7/00—Cleaning by methods not provided for in a single other subclass or a single group in this subclass
    • 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
    • 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 plasma cleaning a component according to claim 1.
  • the contaminants can be dust grains, Oil or grease films or even corrosion products on the Be surface of the component.
  • Plasma-assisted vacuum etching processes of components within known PVD or CVD coating processes immediately prior to vapor deposition are known.
  • the basic principle of this surface treatment is the sputtering or sputtering of adhering impurities and the upper atomic layers of the material to be removed into particles of atomic size by bombardment with inert gas ions.
  • the very finely atomized impurity has virtually passed into the gas phase and can be sucked off.
  • Such plasmas can be achieved by coupling suitable electrode arrangements to high voltage high frequency generators. However, these methods are only used for cleaning flat surfaces.
  • the distance d of the electrode 10 to the surface 22 is varied so that the plasma 7 migrates from the crack tip to the surface 22 or from the surface 22 of the component 1 to the crack tip 37 of the crack 4.
  • the distance d in particular continuously, can be lowered so that the plasma 7 migrates from the surface 22 into the crack 4.
  • a reactive gas 31 is present be, for example, with a corrosion product in the Crack 4 reacts and thus promotes a cleaning of the crack 4.
  • the component 1 may be metallic or ceramic.
  • the component 1 is an iron, cobalt or nickel-based superalloy, for example, for manufacturing a turbine blade 12, 130 (Fig. 3, 5) or Combustion chamber liner 155 (FIG. 4) of a turbine 100 (FIG. 5) is used.
  • Other components of a gas or steam turbine can be cleaned with this method. Cracks 4 in the Component 1 can already exist directly after manufacture be or have become after the operational use of the Component 1 formed.
  • Such worn components 1, 120, 130, 155 are often refurbished. In this case 22 corrosion products are removed from the surface. Corrosion products in the crack 4 are more difficult to remove. After the crack 4 has been cleaned by the method according to the invention, the crack 4 can be welded or soldered, since the solder can adhere very well to a cleaned surface.
  • FIG. 2 shows a further device 25 'with which the method according to the invention can be carried out.
  • the device 25 ' has a control unit 19 which regulates the pressure p in the chamber 13. Since for the maintenance of a plasma 7 the condition "distance times pressure equal to constant" applies, the pressure p can also be varied in order to initiate and maintain a plasma 7 in the crack 4 at a fixed distance d between electrode 10 and surface 22 , By, for example, a constant decrease in the pressure p, the plasma 7 moves ever deeper to the crack tip 34 of the crack 4.
  • a reactive gas 31 is present be, for example, with a corrosion product in the Crack 4 reacts and thus promotes a cleaning of the crack 4.
  • Another possibility is to simultaneously vary the pressure and distance so that the plasma 7 is maintained, but the condition for the maintenance of a plasma 7 (distance times equal pressure constant) is maintained.
  • the distance d and the pressure p can be varied simultaneously or alternately.
  • an inert gas may be present (Ar, H 2 , N 2 ).
  • FIG. 3 is a perspective view of a blade 120, 130, which extends along a longitudinal axis 121.
  • the blade 120 may be a blade for plasma generation 120 or guide vane 130 of a turbomachine.
  • the Turbomachine can be a gas turbine of an airplane or a power plant for electricity generation, a Be a steam turbine or a compressor.
  • the blade 120, 130 has along the longitudinal axis 121 consecutively a fastening region 400, a blade platform 403 adjoining thereto and an airfoil 406.
  • the blade at its blade tip 415 may have another platform (not shown).
  • a blade root 183 is formed, which serves for attachment of the blades 120, 130 to a shaft or a disc (not shown).
  • the blade root 183 is designed, for example, as a hammer head. Other designs as Christmas tree or Schwalbenschwanzfuß are possible.
  • the blade 120, 130 has a leading edge 409 and a trailing edge 412 for a medium flowing past the airfoil 406.
  • the blade 120, 130 can be made by a casting process, also by directional solidification, by a forging process, by a milling process or combinations thereof.
  • directionally rigid structures so This means both single crystals that do not have grain boundaries or at most small angle grain boundaries, as well Stem crystal structures, probably in the longitudinal direction grain boundaries running, but no transverse grain boundaries exhibit.
  • second-mentioned crystalline Structures are also known as directionally rigidified structures (directionally solidified structures).
  • Refurbishment means that components 120, 130 after their use, if necessary from Protective layers must be freed (for example by Sandblasting). Thereafter, a removal of the corrosion and / or oxidation layers or products. Possibly Cracks in the component 120, 130 are also repaired. After that a re-coating of the component 120, 130 and a renewed use of the component 120, 130.
  • the blade 120, 130 may be hollow or solid. If the blade 120, 130 is to be cooled, it is hollow and possibly still has film cooling holes (not shown). As protection against corrosion, the blade 120, 130 bspw. corresponding mostly metallic coatings on and as Protection against heat mostly still a ceramic Coating.
  • FIG. 4 shows a combustion chamber 110 of a gas turbine.
  • the combustion chamber 110 is configured, for example, as a so-called annular combustion chamber, in which a plurality of burners 102 arranged around the turbine shaft 103 in the circumferential direction open into a common combustion chamber space.
  • the combustion chamber 110 is configured in its entirety as an annular structure, which is positioned around the turbine shaft 103 around.
  • the working medium M of about 1000 ° C to 1600 ° C designed.
  • the combustion chamber wall 153 on its the working medium M facing side with one of heat shield elements 155 formed inner lining provided.
  • Each heat shield element 155 is working medium side with a particularly heat-resistant Protective layer equipped or made of high temperature resistant Material made. Because of the high Temperatures inside the combustion chamber 110 is also for the Heat shield elements 155 or for their holding elements Cooling system provided.
  • the materials of the combustion chamber wall and their coatings can be similar to the turbine blades.
  • the combustion chamber 110 is in particular for a detection of Losses of the heat shield elements 155 designed. These are between the combustion chamber wall 153 and the heat shield elements 155, a number of temperature sensors 158 are positioned.
  • FIG. 5 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 suction housing 104 Along the rotor 103 follow one another a suction housing 104, a compressor 105, 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, for example, from 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 fastened to an inner housing 138 of a stator 143, whereas the moving blades 120 of a row 125 are attached to the rotor 103 by means of a turbine disk 133, for example. Coupled to the rotor 103 is a generator or work machine (not shown).
  • the gas turbine 100 During operation of the gas turbine 100 is from the compressor 105 sucked through the intake housing 104 air 135 and compacted. 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. From there it flows Working fluid 113 along the hot gas passage 111 past the Vanes 130 and the blades 120. To the Blades 120 relaxes the working fluid 113th momentum transferring, so that the blades 120 the rotor 103 drive and this the 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. To withstand the prevailing temperatures, they can be cooled by means of a coolant.
  • substrates of the components can have a directional structure, ie they are monocrystalline (SX structure) or have only longitudinal grains (DS structure).
  • As the material for the components, in particular for the turbine blade 120, 130 and components of the combustion chamber 110 for example, iron-, nickel- or cobalt-based superalloys are used. Such superalloys are known, for example, from EP 1204776, EP 1306454, EP 1319729, 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 an active element and is yttrium (Y) and / or silicon and / or at least one element of the rare earths) and 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 here shown) and a Leitschaufelfuß 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

The method involves observing specific parameters of the plasma whereby a crack (4) which emanates from the surface (22)of the component is cleaned through the plasma (7) based on the variation of at least one of the parameters. The component part can be arranged in a chamber (13) with an electrode (10) for initiating a plasma whereby a constant pressure prevails and a distance of the electrode from the surface of the component is varied in dependence on the depth of the crack.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Plasmareinigung eines Bauteils gemäss Anspruch 1.The invention relates to a method for plasma cleaning a component according to claim 1.

Oberflächen von Bauteilen müssen für die Anwendung oder in Zwischenschritten verschiedener Verfahren oft von Verunreinigungen gereinigt werden. Die Verunreinigen können Staubkörner, Öl oder Fettfilme oder auch Korrosionsprodukte auf der Oberfläche des Bauteils sein.Surfaces of components must be for the application or in Intermediate steps of various procedures often of impurities getting cleaned. The contaminants can be dust grains, Oil or grease films or even corrosion products on the Be surface of the component.

Als Stand der Technik sind einfache Verfahren des Wischens oder des Trockeneisstrahlens bekannt.
Wenn jedoch eine Vertiefung oder ein Riss gereinigt werden soll, so müssen aufwändigere Verfahren angewendet werden. Dies geschieht beispielsweise durch Fluorid-Ionen-Reinigung (FIC), Wasserstoffglühung oder Salzbadreinigung. Bei diesen Prozessen, die erheblichen apparativen Aufwand bedeuten, werden auch die nicht zu reinigenden Flächen teilweise erheblich beeinträchtigt.As the prior art, simple methods of wiping or dry ice blasting are known.
However, if a depression or a crack is to be cleaned, more complex procedures must be used. This is done for example by fluoride ion cleaning (FIC), hydrogen annealing or salt bath cleaning. In these processes, which mean considerable expenditure on equipment, even the areas not to be cleaned are in some cases significantly impaired.

Plasma-gestützte Vakuumätzprozesse von Bauteilen innerhalb bekannter PVD- oder CVD-Beschichtungsverfahren unmittelbar vor der Dampfabscheidung sind bekannt. Grundprinzip dieser Oberflächenbehandlung ist das Zerstäuben oder auch Sputtern anhaftender Verunreinigungen und der oberen Atomlagen des zu entfernenden Werkstoffes zu Partikeln in atomarer Größenordnung durch den Beschuss mit Inertgasionen. Die sehr fein zerstäubte Verunreinigung ist quasi in die Gasphase übergetreten und kann abgesaugt werden.
Solche Plasmen können durch die Kopplung geeigneter Elektrodenanordnungen mit Hochspannungs-Hochfrequenz-Generatoren erreicht werden. Diese Verfahren werden jedoch nur zur Reinigung ebener Flächen angewendet. Plasma-assisted vacuum etching processes of components within known PVD or CVD coating processes immediately prior to vapor deposition are known. The basic principle of this surface treatment is the sputtering or sputtering of adhering impurities and the upper atomic layers of the material to be removed into particles of atomic size by bombardment with inert gas ions. The very finely atomized impurity has virtually passed into the gas phase and can be sucked off.
Such plasmas can be achieved by coupling suitable electrode arrangements to high voltage high frequency generators. However, these methods are only used for cleaning flat surfaces.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung ein Verfahren aufzuzeigen, mit dem ein Riss einfacher und schneller von Verunreinigungen gereinigt werden kann, ohne dass andere Bereiche des Bauteils beeinträchtigt werden.It is therefore an object of the invention to provide a method with a crack easier and faster of impurities can be cleaned without affecting other areas of the component be affected.

Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Plasmareinigung gemäss Anspruch 1.The problem is solved by a method for plasma cleaning according to claim 1.

In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Verfahrensschritte des erfindungsgemäßen Verfahrens aufgelistet.
Die in den Unteransprüchen aufgelisteten Maßnahmen können in vorteilhafter Art und Weise miteinander kombiniert werden.In the subclaims, further advantageous method steps of the method according to the invention are listed.
The measures listed in the subclaims can be combined with each other in an advantageous manner.

Es zeigenShow it

Figur 1, 2FIG. 1, 2
Vorrichtungen, um das erfindungsgemäße Verfahren durchzuführen,Devices to the inventive method perform,
Figur 3FIG. 3
eine Turbinenschaufel,a turbine blade,
Figur 4FIG. 4
eine Brennkammer unda combustion chamber and
Figur 5FIG. 5
eine Gasturbine.a gas turbine.

Figur 1 zeigt eine beispielhafte Vorrichtung 25 um das erfindungsgemäße Verfahren durchzuführen. Sie besteht aus einer Kammer 13, in der ein Vakuum p herrscht. Das Vakuum p wird durch eine Pumpe 16 erzeugt, die an die Kammer 13 angeschlossen ist.
In der Kammer 13 ist ein Bauteil 1 vorhanden, das einen Riss 4 ausgehend von einer Oberfläche 22 aufweist. Ebenso ist eine Elektrode 10 oberhalb der Oberfläche 22 eines Bauteils 1 angeordnet, um ein Plasma 7 zu initiieren und aufrechtzuerhalten.
Diese Elektrode 10 weist einen bestimmten Abstand d zur Oberfläche 22 des Bauteils 1 auf. Für die Aufrechterhaltung eines Plasmas 7 gilt die Bedingung, dass das Produkt aus Abstand mal Druck konstant ist (d x p = const.). FIG. 1 shows an exemplary device 25 for carrying out the method according to the invention. It consists of a chamber 13, in which a vacuum p prevails. The vacuum p is generated by a pump 16 which is connected to the chamber 13.
In the chamber 13, a component 1 is present, which has a crack 4, starting from a surface 22. Likewise, an electrode 10 is arranged above the surface 22 of a component 1 in order to initiate and maintain a plasma 7.
This electrode 10 has a certain distance d from the surface 22 of the component 1. For the maintenance of a plasma 7 the condition applies that the product of distance times pressure is constant (dxp = const.).

Da der Riss 4 eine bestimmte Tiefe t bis zur Rissspitze 34 aufweist, wird die Innenfläche 28 des Risses 4 nicht vollständig von dem Plasma 7 erfasst, da der Abstand der Elektrode 10 zu der äußeren Oberfläche 22 des Bauteils 1 und der Abstand bis zur Rissspitze 34 des Risses 4 verschieden sind.
Daher wird beispielsweise der Abstand d der Elektrode 10 zu der Oberfläche 22 variiert, so dass das Plasma 7 von der Rissspitze zur Oberfläche 22 oder von der Oberfläche 22 des Bauteils 1 zur Rissspitze 37 des Risses 4 wandert.
So kann der Abstand d, insbesondere stetig, erniedrigt werden, so dass das Plasma 7 von der Oberfläche 22 in den Riss 4 hineinwandert.Since the crack 4 has a certain depth t to the crack tip 34, the inner surface 28 of the crack 4 is not completely covered by the plasma 7, since the distance of the electrode 10 to the outer surface 22 of the component 1 and the distance to the crack tip 34th of the tear 4 are different.
Therefore, for example, the distance d of the electrode 10 to the surface 22 is varied so that the plasma 7 migrates from the crack tip to the surface 22 or from the surface 22 of the component 1 to the crack tip 37 of the crack 4.
Thus, the distance d, in particular continuously, can be lowered so that the plasma 7 migrates from the surface 22 into the crack 4.

Ebenso kann in der Kammer 13 ein Reaktivgas 31 vorhanden sein, das beispielsweise mit einem Korrosionsprodukt in dem Riss 4 reagiert und so eine Reinigung des Risses 4 fördert.Likewise, in the chamber 13, a reactive gas 31 is present be, for example, with a corrosion product in the Crack 4 reacts and thus promotes a cleaning of the crack 4.

Das Bauteil 1 kann metallisch oder keramisch sein. Insbesondere ist das Bauteil 1 eine eisen-, kobalt- oder nickel-basierte Superlegierung, die beispielsweise zur Herstellung einer Turbinenschaufel 12, 130 (Fig. 3, 5)oder Brennkammerauskleidung 155 (Fig. 4) einer Turbine 100 (Fig. 5) dient. Weitere Bauteile einer Gas- oder Dampfturbine können mit diesem Verfahren gereinigt werden. Risse 4 in dem Bauteil 1 können bereits direkt nach dem Herstellen vorhanden sein oder haben sich nach dem betrieblichen Einsatz des Bauteils 1 gebildet.The component 1 may be metallic or ceramic. In particular, the component 1 is an iron, cobalt or nickel-based superalloy, for example, for manufacturing a turbine blade 12, 130 (Fig. 3, 5) or Combustion chamber liner 155 (FIG. 4) of a turbine 100 (FIG. 5) is used. Other components of a gas or steam turbine can be cleaned with this method. Cracks 4 in the Component 1 can already exist directly after manufacture be or have become after the operational use of the Component 1 formed.

Solche abgenutzten Bauteile 1, 120, 130, 155 werden oft wieder aufgearbeitet (Refurbishment). Dabei werden von der Oberfläche 22 Korrosionsprodukte entfernt. Korrosionsprodukte in dem Riss 4 lassen sich schwieriger entfernen.
Nachdem der Riss 4 mit dem erfindungsgemäßen Verfahren gereinigt worden ist, kann der Riss 4 zugeschweißt oder zugelötet werden, da das Lot sehr gut auf einer gereinigten Oberfläche haften kann. Such worn components 1, 120, 130, 155 are often refurbished. In this case 22 corrosion products are removed from the surface. Corrosion products in the crack 4 are more difficult to remove.
After the crack 4 has been cleaned by the method according to the invention, the crack 4 can be welded or soldered, since the solder can adhere very well to a cleaned surface.

Figur 2 zeigt eine weitere Vorrichtung 25' mit der das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt werden kann.
Die Vorrichtung 25' weist eine Steuerungseinheit 19 auf, die den Druck p in der Kammer 13 regelt. Da für die Aufrechterhaltung eines Plasmas 7 die Bedingung "Abstand mal Druck gleich konstant" gilt, kann auch der Druck p variiert werden, um bei einem festen Abstand d zwischen von Elektrode 10 und Oberfläche 22 ein Plasma 7 in dem Riss 4 zu initiieren und aufrechtzuerhalten. Durch beispielsweise stetige Erniedrigung des Drucks p wandert das Plasma 7 immer tiefer bis zur Rissspitze 34 des Risses 4.FIG. 2 shows a further device 25 'with which the method according to the invention can be carried out.
The device 25 'has a control unit 19 which regulates the pressure p in the chamber 13. Since for the maintenance of a plasma 7 the condition "distance times pressure equal to constant" applies, the pressure p can also be varied in order to initiate and maintain a plasma 7 in the crack 4 at a fixed distance d between electrode 10 and surface 22 , By, for example, a constant decrease in the pressure p, the plasma 7 moves ever deeper to the crack tip 34 of the crack 4.

Ebenso kann in der Kammer 13 ein Reaktivgas 31 vorhanden sein, das beispielsweise mit einem Korrosionsprodukt in dem Riss 4 reagiert und so eine Reinigung des Risses 4 fördert.Likewise, in the chamber 13, a reactive gas 31 is present be, for example, with a corrosion product in the Crack 4 reacts and thus promotes a cleaning of the crack 4.

Eine weitere Möglichkeit besteht darin, gleichzeitig Druck und Abstand so zu variieren, dass das Plasma 7 aufrechterhalten wird, wobei aber die Bedingung für die Aufrechterhaltung eines Plasmas 7 (Abstand mal Druck gleich konstant) eingehalten wird.
Der Abstand d und der Druck p können gleichzeitig oder abwechselnd variiert werden.Another possibility is to simultaneously vary the pressure and distance so that the plasma 7 is maintained, but the condition for the maintenance of a plasma 7 (distance times equal pressure constant) is maintained.
The distance d and the pressure p can be varied simultaneously or alternately.

In der Kammer 13 kann ein Inertgas vorhanden sein (Ar, H2, N2...)In the chamber 13, an inert gas may be present (Ar, H 2 , N 2 ...)

Figur 3 zeigt in perspektivischer Ansicht eine Schaufel 120, 130, die sich entlang einer Längsachse 121 erstreckt.FIG. 3 is a perspective view of a blade 120, 130, which extends along a longitudinal axis 121.

Die Schaufel 120 kann zur Plasmaerzeugung eine Laufschaufel 120 oder Leitschaufel 130 einer Strömungsmaschine sein. Die Strömungsmaschine kann eine Gasturbine eines Flugzeugs oder eines Kraftwerks zur Elektrizitätserzeugung, eine Dampfturbine oder ein Kompressor sein. The blade 120 may be a blade for plasma generation 120 or guide vane 130 of a turbomachine. The Turbomachine can be a gas turbine of an airplane or a power plant for electricity generation, a Be a steam turbine or a compressor.

Die Schaufel 120, 130 weist entlang der Längsachse 121 aufeinander folgend einen Befestigungsbereich 400, eine daran angrenzende Schaufelplattform 403 sowie ein Schaufelblatt 406 auf.
Als Leitschaufel 130 kann die Schaufel an ihrer Schaufelspitze 415 eine weitere Plattform aufweisen (nicht dargestellt).The blade 120, 130 has along the longitudinal axis 121 consecutively a fastening region 400, a blade platform 403 adjoining thereto and an airfoil 406.
As a guide blade 130, the blade at its blade tip 415 may have another platform (not shown).

Im Befestigungsbereich 400 ist ein Schaufelfuß 183 gebildet, der zur Befestigung der Laufschaufeln 120, 130 an einer Welle oder einer Scheibe dient (nicht dargestellt).
Der Schaufelfuß 183 ist bspw. als Hammerkopf ausgestaltet. Andere Ausgestaltungen als Tannenbaum- oder Schwalbenschwanzfuß sind möglich. Die Schaufel 120, 130 weist für ein Medium, das an dem Schaufelblatt 406 vorbeiströmt, eine Anströmkante 409 und eine Abströmkante 412 auf.In the mounting region 400, a blade root 183 is formed, which serves for attachment of the blades 120, 130 to a shaft or a disc (not shown).
The blade root 183 is designed, for example, as a hammer head. Other designs as Christmas tree or Schwalbenschwanzfuß are possible. The blade 120, 130 has a leading edge 409 and a trailing edge 412 for a medium flowing past the airfoil 406.

Bei herkömmlichen Schaufeln 120, 130 werden in allen Bereichen 400, 403, 406 der Schaufel 120, 130 bspw. massive metallische Werkstoffe verwendet.
Die Schaufel 120, 130 kann hierbei durch ein Gussverfahren, auch mittels gerichteter Erstarrung, durch ein Schmiedeverfahren, durch ein Fräsverfahren oder Kombinationen daraus gefertigt sein.In conventional blades 120, 130, massive metallic materials are used in all regions 400, 403, 406 of the blade 120, 130, for example.
The blade 120, 130 can be made by a casting process, also by directional solidification, by a forging process, by a milling process or combinations thereof.

Werkstücke mit einkristalliner Struktur oder Strukturen werden als Bauteile für Maschinen eingesetzt, die im Betrieb hohen mechanischen, thermischen und/oder chemischen Belastungen ausgesetzt sind.
Die Fertigung von derartigen einkristallinen Werkstücken erfolgt z.B. durch gerichtetes Erstarren aus der Schmelze. Es handelt sich dabei um Gießverfahren, bei denen die flüssige metallische Legierung zur einkristallinen Struktur, d.h. zum einkristallinen Werkstück, oder gerichtet erstarrt. Dabei werden dendritische Kristalle entlang dem Wärmefluss ausgerichtet und bilden entweder eine stängelkristalline Kornstruktur (kolumnar, d.h. Körner, die über die ganze Länge des Werkstückes verlaufen und hier, dem allgemeinen Sprachgebrauch nach, als gerichtet erstarrt bezeichnet werden) oder eine einkristalline Struktur, d.h. das ganze Werkstück besteht aus einem einzigen Kristall. In diesen Verfahren muss man den Übergang zur globulitischen (polykristallinen) Erstarrung meiden, da sich durch ungerichtetes Wachstum notwendigerweise transversale und longitudinale Korngrenzen ausbilden, welche die guten Eigenschaften des gerichtet erstarrten oder einkristallinen Bauteiles zunichte machen.Workpieces with a monocrystalline structure or structures are used as components for machines which are exposed to high mechanical, thermal and / or chemical stresses during operation.
The production of such monocrystalline workpieces, for example, by directed solidification from the melt. These are casting methods in which the liquid metallic alloy solidifies into a monocrystalline structure, ie a single-crystal workpiece, or directionally. Here, dendritic crystals are aligned along the heat flow and form either a columnar grain structure (columnar, ie grains that run the entire length of the workpiece and here, in common parlance, referred to as directionally solidified) or a monocrystalline structure, ie the whole Workpiece consists of a single crystal. In these processes, it is necessary to avoid the transition to globulitic (polycrystalline) solidification, since non-directional growth necessarily produces transverse and longitudinal grain boundaries which negate the good properties of the directionally solidified or monocrystalline component.

Ist allgemein von gerichtet erstarrten Gefügen die Rede, so sind damit sowohl Einkristalle gemeint, die keine Korngrenzen oder höchstens Kleinwinkelkorngrenzen aufweisen, als auch Stängelkristallstrukturen, die wohl in longitudinaler Richtung verlaufende Korngrenzen, aber keine transversalen Korngrenzen aufweisen. Bei diesen zweitgenannten kristallinen Strukturen spricht man auch von gerichtet erstarrten Gefügen (directionally solidified structures).Is generally speaking of directionally rigid structures, so This means both single crystals that do not have grain boundaries or at most small angle grain boundaries, as well Stem crystal structures, probably in the longitudinal direction grain boundaries running, but no transverse grain boundaries exhibit. In these second-mentioned crystalline Structures are also known as directionally rigidified structures (directionally solidified structures).

Solche Verfahren sind aus der US-PS 6,024,792 und der EP 0 892 090 A1 bekannt.Such methods are known from US Pat. No. 6,024,792 and EP 0 892 090 A1.

Wiederaufarbeitung (Refurbishment) bedeutet, dass Bauteile 120, 130 nach ihrem Einsatz gegebenenfalls von Schutzschichten befreit werden müssen (z.B. durch Sandstrahlen). Danach erfolgt eine Entfernung der Korrosions- und/oder Oxidationsschichten bzw. -produkte. Gegebenenfalls werden auch noch Risse im Bauteil 120, 130 repariert. Danach erfolgt eine Wiederbeschichtung des Bauteils 120, 130 und ein erneuter Einsatz des Bauteils 120, 130.Refurbishment means that components 120, 130 after their use, if necessary from Protective layers must be freed (for example by Sandblasting). Thereafter, a removal of the corrosion and / or oxidation layers or products. Possibly Cracks in the component 120, 130 are also repaired. After that a re-coating of the component 120, 130 and a renewed use of the component 120, 130.

Die Schaufel 120, 130 kann hohl oder massiv ausgeführt sein. Wenn die Schaufel 120, 130 gekühlt werden soll, ist sie hohl und weist ggf. noch Filmkühllöcher (nicht dargestellt) auf. Als Schutz gegen Korrosion weist die Schaufel 120, 130 bspw. entsprechende meistens metallische Beschichtungen auf und als Schutz gegen Wärme meistens noch eine keramische Beschichtung.The blade 120, 130 may be hollow or solid. If the blade 120, 130 is to be cooled, it is hollow and possibly still has film cooling holes (not shown). As protection against corrosion, the blade 120, 130 bspw. corresponding mostly metallic coatings on and as Protection against heat mostly still a ceramic Coating.

Die Figur 4 zeigt eine Brennkammer 110 einer Gasturbine.
Die Brennkammer 110 ist beispielsweise als so genannte Ringbrennkammer ausgestaltet, bei der eine Vielzahl von in Umfangsrichtung um die Turbinenwelle 103 herum angeordneten Brennern 102 in einen gemeinsamen Brennkammerraum münden. Dazu ist die Brennkammer 110 in ihrer Gesamtheit als ringförmige Struktur ausgestaltet, die um die Turbinenwelle 103 herum positioniert ist.FIG. 4 shows a combustion chamber 110 of a gas turbine.
The combustion chamber 110 is configured, for example, as a so-called annular combustion chamber, in which a plurality of burners 102 arranged around the turbine shaft 103 in the circumferential direction open into a common combustion chamber space. For this purpose, the combustion chamber 110 is configured in its entirety as an annular structure, which is positioned around the turbine shaft 103 around.

Zur Erzielung eines vergleichsweise hohen Wirkungsgrades ist die Brennkammer 110 für eine vergleichsweise hohe Temperatur des Arbeitsmediums M von etwa 1000°C bis 1600°C ausgelegt. Um auch bei diesen, für die Materialien ungünstigen Betriebsparametern eine vergleichsweise lange Betriebsdauer zu ermöglichen, ist die Brennkammerwand 153 auf ihrer dem Arbeitsmedium M zugewandten Seite mit einer aus Hitzeschildelementen 155 gebildeten Innenauskleidung versehen. Jedes Hitzeschildelement 155 ist arbeitsmediumsseitig mit einer besonders hitzebeständigen Schutzschicht ausgestattet oder aus hochtemperaturbeständigem Material gefertigt. Aufgrund der hohen Temperaturen im Inneren der Brennkammer 110 ist zudem für die Hitzeschildelemente 155 bzw. für deren Halteelemente ein Kühlsystem vorgesehen.To achieve a comparatively high efficiency the combustor 110 for a comparatively high temperature the working medium M of about 1000 ° C to 1600 ° C designed. Around even with these, for the materials unfavorable operating parameters to allow a comparatively long service life is the combustion chamber wall 153 on its the working medium M facing side with one of heat shield elements 155 formed inner lining provided. Each heat shield element 155 is working medium side with a particularly heat-resistant Protective layer equipped or made of high temperature resistant Material made. Because of the high Temperatures inside the combustion chamber 110 is also for the Heat shield elements 155 or for their holding elements Cooling system provided.

Die Materialien der Brennkammerwand und deren Beschichtungen können ähnlich der Turbinenschaufeln sein.The materials of the combustion chamber wall and their coatings can be similar to the turbine blades.

Die Brennkammer 110 ist insbesondere für eine Detektion von Verlusten der Hitzeschildelemente 155 ausgelegt. Dazu sind zwischen der Brennkammerwand 153 und den Hitzeschildelementen 155 eine Anzahl von Temperatursensoren 158 positioniert. The combustion chamber 110 is in particular for a detection of Losses of the heat shield elements 155 designed. These are between the combustion chamber wall 153 and the heat shield elements 155, a number of temperature sensors 158 are positioned.

Die Figur 5 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, 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 bspw. aus zwei Schaufelringen gebildet. In Strömungsrichtung eines Arbeitsmediums 113 gesehen folgt im Heißgaskanal 111 einer Leitschaufelreihe 115 eine aus Laufschaufeln 120 gebildete Reihe 125.FIG. 5 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.
Along the rotor 103 follow one another a suction housing 104, a compressor 105, 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. There, for example, four turbine stages 112 connected in series form the turbine 108.
Each turbine stage 112 is formed, for example, from 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.

Die Leitschaufeln 130 sind dabei an einem Innengehäuse 138 eines Stators 143 befestigt, wohingegen die Laufschaufeln 120 einer Reihe 125 bspw. mittels einer Turbinenscheibe 133 am Rotor 103 angebracht sind.
An dem Rotor 103 angekoppelt ist ein Generator oder eine Arbeitsmaschine (nicht dargestellt).The guide vanes 130 are fastened to an inner housing 138 of a stator 143, whereas the moving blades 120 of a row 125 are attached to the rotor 103 by means of a turbine disk 133, for example.
Coupled to the rotor 103 is a generator or work machine (not shown).

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.During operation of the gas turbine 100 is from the compressor 105 sucked through the intake housing 104 air 135 and compacted. 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. From there it flows Working fluid 113 along the hot gas passage 111 past the Vanes 130 and the blades 120. To the Blades 120 relaxes the working fluid 113th momentum transferring, so that the blades 120 the rotor 103 drive and this the coupled to him Working machine.

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, können diese mittels eines Kühlmittels gekühlt werden.
Ebenso können Substrate der Bauteile eine gerichtete Struktur aufweisen, d.h. sie sind einkristallin (SX-Struktur) oder weisen nur längsgerichtete Körner auf (DS-Struktur).
Als Material für die Bauteile, insbesondere für die Turbinenschaufel 120, 130 und Bauteile der Brennkammer 110 werden bspw. eisen-, nickel- oder kobaltbasierte Superlegierungen verwendet.
Solche Superlegierungen sind bspw. aus der EP 1204776, EP 1306454, EP 1319729, WO 99/67435 oder WO 00/44949 bekannt; diese Schriften sind Teil der Offenbarung.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.
To withstand the prevailing temperatures, they can be cooled by means of a coolant.
Likewise, substrates of the components can have a directional structure, ie they are monocrystalline (SX structure) or have only longitudinal grains (DS structure).
As the material for the components, in particular for the turbine blade 120, 130 and components of the combustion chamber 110, for example, iron-, nickel- or cobalt-based superalloys are used.
Such superalloys are known, for example, from EP 1204776, EP 1306454, EP 1319729, WO 99/67435 or WO 00/44949; these writings are part of the revelation.

Ebenso können die Schaufeln 120, 130 Beschichtungen gegen Korrosion (MCrAlX; M ist zumindest ein Element der Gruppe Eisen (Fe), Kobalt (Co), Nickel (Ni), X ist ein Aktivelement und steht für Yttrium (Y) und/oder Silizium 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. Also, 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 an active element and is yttrium (Y) and / or silicon and / or at least one element of the rare earths) and 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.
By means of suitable coating processes, such as electron beam evaporation (EB-PVD), stalk-shaped grains are produced in the thermal barrier coating.

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.The vane 130 has an inner housing 138 of the Turbine 108 facing Leitschaufelfuß (not here shown) and a Leitschaufelfuß opposite Guide vane head on. The vane head is the rotor 103 facing and on a mounting ring 140 of the stator 143rd established.

Claims (9)

Verfahren zur Plasmareinigung eines Bauteils (1),
wobei bestimmte Parameter (p, d) des Plasmas einzuhalten sind, um das Plasma (7) aufrechtzuerhalten,
dadurch gekennzeichnet, dass
ein Riss (4), der von der Oberfläche (22) des Bauteils (1) ausgeht, durch das Plasma (7) aufgrund der Variation zumindest eines der Parameter (p, d) gereinigt wird.Process for the plasma cleaning of a component (1),
wherein certain parameters (p, d) of the plasma are to be maintained in order to maintain the plasma (7),
characterized in that
a crack (4) emanating from the surface (22) of the component (1) is cleaned by the plasma (7) due to the variation of at least one of the parameters (p, d). Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (1) in einer Kammer (13) mit einer Elektrode (10) zur Initiierung eines Plasmas (7) angeordnet ist,
in der (13) ein konstanter Druck (p) herrscht, und dass ein Abstand (d) der Elektrode (10) zu der Oberfläche (22) in Abhängigkeit der Risstiefe (t) des Risses (4) variiert wird,
um den Riss (4) zu reinigen. Method according to claim 1,
characterized in that the component (1) is arranged in a chamber (13) with an electrode (10) for initiating a plasma (7),
in that (13) a constant pressure (p) prevails, and that a distance (d) of the electrode (10) from the surface (22) is varied as a function of the crack depth (t) of the crack (4),
to clean the crack (4). Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass ein Abstand (d) einer Elektrode (10) zur Initiierung eines Plasmas (7) zu der Oberfläche (22) des Bauteils (1) konstant gehalten wird, und
dass ein Druck (p) einer Kammer (13),
in der das Bauteil (1) angeordnet ist,
variiert wird,
um den Riss (4) zu reinigen.Method according to claim 1,
characterized in that a distance (d) of an electrode (10) for initiating a plasma (7) to the surface (22) of the component (1) is kept constant, and
that a pressure (p) of a chamber (13),
in which the component (1) is arranged,
is varied,
to clean the crack (4). Verfahren nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Abstand (d) der Elektrode (10) zur Oberfläche (22) des Bauteils (1), insbesondere stetig, erniedrigt wird,
um eine Plasmareinigung in dem Riss (4) zu erzielen.Method according to claim 2,
characterized in that
the distance (d) of the electrode (10) to the surface (22) of the component (1), in particular continuously, is lowered,
to achieve a plasma cleaning in the crack (4). Verfahren nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Druck (p), insbesondere stetig, erniedrigt wird,
um das Plasma (7), ausgehend von der Oberfläche (22),
um eine Plasmareinigung in dem Riss (4) zu erzielen. Method according to claim 3,
characterized in that
the pressure (p), in particular steadily, is lowered,
around the plasma (7), starting from the surface (22),
to achieve a plasma cleaning in the crack (4). Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
sowohl ein Abstand (d) einer Elektrode (10) zu der Oberfläche (22) des Bauteils (1),
als auch ein Druck (p) innerhalb einer Kammer (13),
in der das Bauteil (1) angeordnet ist,
variiert wird,
wobei das Produkt aus Abstand (d) und Druck (p) konstant bleibt,
um eine Plasmareinigung in dem Riss (4) zu erzielen.Method according to claim 1,
characterized in that
both a distance (d) of an electrode (10) from the surface (22) of the component (1),
as well as a pressure (p) within a chamber (13),
in which the component (1) is arranged,
is varied,
the product of distance (d) and pressure (p) remains constant,
to achieve a plasma cleaning in the crack (4). Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (1) in einer Kammer (13) angeordnet ist, und dass der Kammer (13) ein Reaktivgas (31) zugeführt wird,
das mit einem zu entfernenden Produkt in dem Riss (4) reagiert.Method according to one of the preceding claims,
characterized in that the component (1) is arranged in a chamber (13), and in that a reactive gas (31) is supplied to the chamber (13),
which reacts with a product to be removed in the crack (4). Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Bauteil (1) eine Turbinenschaufel (120, 130), eine Brennkammerwand (155) oder ein anderes Gehäuseteil einer Strömungsmaschine, insbesondere einer Turbine (100), insbesondere einer Gasturbine, ist. Method according to claim 1,
characterized in that
the component (1) is a turbine blade (120, 130), a combustion chamber wall (155) or another housing part of a turbomachine, in particular a turbine (100), in particular a gas turbine. Verfahren nach Anspruch 1 oder 8,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Bauteil (1) ein wieder aufzuarbeitendes Bauteil (1) ist.Method according to claim 1 or 8,
characterized in that
the component (1) is a component (1) to be reprocessed.
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