EP1573095B1 - Verfahren zum entfernen von zumindest einem oberflächenbereich zumindest zweier bauteile - Google Patents

Verfahren zum entfernen von zumindest einem oberflächenbereich zumindest zweier bauteile Download PDF

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EP1573095B1 EP03788843A EP03788843A EP1573095B1 EP 1573095 B1 EP1573095 B1 EP 1573095B1 EP 03788843 A EP03788843 A EP 03788843A EP 03788843 A EP03788843 A EP 03788843A EP 1573095 B1 EP1573095 B1 EP 1573095B1
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gas
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components
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Ursus KRÜGER
Ursula Michelsen-Mohammadein
Ralph Reiche
Marc De Vogelaere
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Siemens AG
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25F—PROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC REMOVAL OF MATERIALS FROM OBJECTS; APPARATUS THEREFOR
    • C25F5/00—Electrolytic stripping of metallic layers or coatings
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25F—PROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC REMOVAL OF MATERIALS FROM OBJECTS; APPARATUS THEREFOR
    • C25F1/00—Electrolytic cleaning, degreasing, pickling or descaling

Definitions

  • the invention relates to a method for removing at least one surface region of a component according to claim 1.
  • WO 02/103088 A1 discloses a method for local stripping of components.
  • Surface areas of a component (substrate, layer) or portions of a component that are a layer that are, for example, corroded and that are to be removed can be removed in various ways. This can be done by sand blasting, chemical etching or other methods. However, these methods are very expensive and often undesirably damage the substrate or components.
  • the object is achieved by a method for removing at least one surface area according to claim 1.
  • FIG. 1 shows a device 1 with which an electrolytic process can be carried out.
  • an electrolyte 7 is arranged, in which in turn a component 10 (acts as an electrode), in which a surface area is to be removed, and an electrode 13 are arranged.
  • the component 10 and the electrode 13 are electrically connected to a current / voltage source 16 with each other.
  • the component 10 forms, for example, the cathode with a negative potential of, for example, -1.086 volts.
  • the electrode 13 is then the anode.
  • the component 10 may also be the anode and the electrode 13 may be the cathode.
  • the at least one component 10 does not necessarily have to be an electrode (ie part of a current or voltage circuit) which is operated in the electrolytic circuit. It is also possible to use two electrodes 13, 13 'for the electrolysis, wherein the at least one component 10 is arranged only in the electrolyte 7 (FIG. 6).
  • the component 10 interacts with the gas that forms during the electrolysis.
  • the electrolyte 7 is, for example, an aqueous solution of acids and / or bases.
  • the electrolyte 7 may also be a nonaqueous solution or melt (for example molten salt).
  • two components 10, 10 ' in which a surface area is to be removed, constitute the two electrodes necessary for the electrolysis (FIG. 7).
  • a chemical reaction takes place at both electrodes 13, 13 '(components 10, 10'), ie at one of them an oxidation and at the other a reduction.
  • gas can form which, according to the invention (FIGS. 2, 3, 4, 5), interacts with the component 10, 10'.
  • the gas that forms on the two electrodes 10, 10 '(components) may be the same or different.
  • the electrolyte salt for electrolysis nitrogen compounds such. As ammonium nitrite used.
  • both the cation and the anion in the electrolyte contains nitrogen atoms, according to the invention in the electrolysis at a suitably selected pH and potentials between the electrodes 13, 13 '(components 10, 10'), both at the cathode and at the anode nitrogen gas ,
  • the efficiency of the method is increased.
  • nitrogen as a gas is less dangerous than oxygen and hydrogen or their mixtures.
  • the component 10, 1ü ' is for example a nickel- or cobalt-based superalloy, in particular for gas turbine parts, such as. As turbine blades, with corroded areas on the surface.
  • the component 10, 10 ' may be a substrate 31 (FIG. 3) having an MCrAlY layer 34 (FIG. 3) that is oxidized or degraded.
  • This layer 34 then represents at least one surface area 19 to be removed. Due to their degradation, the surface areas 19, which are present multiple times, exhibit defects 28 such as undercuts, notches, cracks, microcracks, lattice defects, grain boundaries and others (FIG. 2).
  • FIG. 3 shows the diffusion of the gas forming, for example, in the electrolyte 7 into the component 10. Due to the electrolysis, a gas is formed, for example hydrogen, which surrounds the component 10 as an electrode or as an additional arrangement in the electrolyte 7. The hydrogen can diffuse into the component 10, in particular into closed pores 37. The pore 37 likewise forms a gas bubble 25, the pressure of which continues to increase until it leads to the formation of cracks 22.
  • a gas for example hydrogen
  • FIG. 4 shows surface regions 19 of a component 10 which has a layer 34.
  • the component 10 consists for example of a substrate 31 and the layer 34.
  • the layer 34 or parts of the layer 34 represent, for example, the surface area 19 which is to be removed.
  • the substrate 31 is, for example, a superalloy and has at least one layer 34, such as an MCrAlY and / or a ceramic layer.
  • the degradation of the layer 34 can also lead to defects 28, such as cracks or separations in the boundary region between substrate 31 and layer 34, in which the gas can accumulate and weakens the material around the crack or flaw 28, so that the crack can continue to grow until the crack growth leads to flaking of the layer 34 in the boundary region between the substrate 31 and layer 34.
  • FIG. 5 shows the effect of the diffusion of a gas from the electrolyte into a component 10.
  • the surface area 19 to be removed may be part of a substrate 31 or a layer 34.
  • the gas for example hydrogen, which forms in the electrolyte 7 and / or already exists or is supplied, diffuses into the metallic regions of the component 10 and can locally recombine.
  • projections 37 which are formed by notches and undercuts, form a large surface area with the electrolyte 7 or the environment and thus a large contact area for the gas, for example hydrogen.
  • the gas can diffuse into the protrusion 37 from all sides, and the protrusion 37 is gas enriched much faster than other regions.
  • the diffusion of gas into the component 10 leads to a loosening of the metallic structure in the component 10 up to crack formation 22.
  • the component 10 with the surface region 19 can be taken out and in particular quickly heated by laser or inductive heating so that diffusion of the gas from the material of the component 10 does not occur due to the short time of heating or hardly takes place.
  • the gas pressure also increases without the need for further gas supply. The effect is the same, namely that cracks 22 are generated in the surface area 19.
  • the component 10 can additionally, for example. For heating, exposed to a vacuum, so that the pressure difference between the gas bubble 25 and component 10 is greater and the process is accelerated.

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Entfernen von zumindest einem Oberflächenbereich eines Bauteils gemäß Anspruch 1.
  • Die WO 02/103088 A1 offenbart ein Verfahren zum lokalen Entschichten von Bauteilen.
  • Aus den Werkstoffblättern 500 (12.77) der Mannesmann Röhren Werke über druckwasserstoffbeständige Stähle ist bekannt, dass aus wässrigen Lösungen unter bestimmten Bedingungen Wasserstoff ohne weitere chemische Reaktion ins Metall aufgenommen wird, wobei eine Versprödung des Metalls und eine Lockerung des Gefüges auftreten können.
  • Oberflächenbereiche eines Bauteils (Substrat, Schicht) oder Teilbereiche eines Bauteils, die eine Schicht sind, die beispielsweise korrodiert sind und die entfernt werden sollen, können auf verschiedene Art und Weise entfernt werden.
    Dies kann durch Sandstrahlen, chemisches Ätzen oder andere Verfahren erfolgen.
    Diese Verfahren sind jedoch sehr aufwändig und beschädigen oft in unerwünschter Weise das Substrat oder Bauteile.
  • Es ist daher Aufgabe der Erfindung ein Verfahren der eingangs genannten Art aufzuzeigen, das die obengenannten Probleme überwindet.
  • Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zum Entfernen von zumindest einem Oberflächenbereich gemäß Anspruch 1.
  • Weitere vorteilhafte Verfahrensschritte oder Parameter sind in den Unteransprüchen aufgelistet.
    Die Verfahrensschritte in den Unteransprüchen können miteinander in vorteilhafter Weise kombiniert werden.
  • Es zeigen
    • Figur 1, 6 und 7 jeweils eine Vorrichtung, mit der ein elektrolytisches Verfahren durchgeführt werden kann, und
    • Figur 2 eine Gasblase in einer Fehlstelle eines Oberflächenbereichs,
    • Figur 3 Gasblasenbildung in geschlossenen Poren eines Oberflächenbereichs,
    • Figur 4 eine Fehlstelle zwischen einer Schicht und einem Substrat, und
    • Figur 5 den Effekt von Gasdiffusion in Oberflächenbereiche eines Bauteils.
  • Figur 1 nach Stand der Technik zeigt eine Vorrichtung 1, mit der ein elektrolytisches Verfahren durchgeführt werden kann.
  • In einem Behälter 4 ist ein Elektrolyt 7 angeordnet, in dem wiederum ein Bauteil 10 (wirkt als Elektrode), bei dem ein Oberflächenbereich entfernt werden soll, und eine Elektrode 13 angeordnet sind.
    Das Bauteil 10 und die Elektrode 13 sind elektrisch leitend mit einer Strom/Spannungsquelle 16 miteinander verbunden. Das Bauteil 10 bildet bspw. die Kathode mit einem negativen Potenzial von beispielsweise -1,086 Volt.
    Die Elektrode 13 ist dann die Anode.
    Das Bauteil 10 kann auch die Anode und die Elektrode 13 die Kathode sein.
  • Das zumindest eine Bauteil 10 muss nicht notwendigerweise eine Elektrode (also Teil eines Strom- oder Spannungskreises) sein, die in dem elektrolytischen Stromkreis betrieben wird. Es können auch zwei Elektroden 13, 13' für die Elektrolyse verwendet werden, wobei das zumindest eine Bauteil 10 nur in dem Elektrolyt 7 angeordnet ist (Fig. 6).
  • In allen Fällen ist es wesentlich, dass das Bauteil 10 mit dem Gas, das sich bei der Elektrolyse bildet, in Wechselwirkung tritt.
  • Der Elektrolyt 7 ist beispielsweise eine wässrige Lösung aus Säuren und/oder Basen.
    Der Elektrolyt 7 kann auch eine nichtwässrige Lösung oder Schmelze (bspw. Salzschmelze) sein.
  • Erfindungsgemäss stellen zwei Bauteile 10, 10', bei denen ein Oberflächenbereich entfernt werden soll, die zwei für die Elektrolyse notwendigen Elektroden dar (Fig. 7).
  • An beiden Elektroden 13, 13' (Bauteile 10, 10') läuft eine chemische Reaktion ab, d.h. an der einen eine Oxidation und an der anderen eine Reduktion. Bei beiden Bauteilen 10, 10' kann sich Gas bilden, das erfindungsgemäss (Fig. 2, 3, 4, 5) mit dem Bauteil 10, 10' in Wechselwirkung tritt. Das Gas, das sich an den beiden Elektroden 10, 10' (Bauteilen) bildet kann dasselbe sein oder auch verschieden sein.
    Als Elektrolytsalz für die Elektrolyse werden hier Stickstoffverbindungen, wie z. B. Ammoniumnitrit, verwendet. Da sowohl das Kation als auch das Anion im Elektrolyten Stickstoffatome beinhaltet, entsteht erfindungsgemäß bei der Elektrolyse bei geeignet gewähltem pH-Wert und Potenzialen zwischen den Elektroden 13, 13' (Bauteilen 10, 10') sowohl an der Kathode als auch an der Anode Stickstoffgas.
  • Da die Bauteile 10, 10', die zu entfernende Oberflächenbereiche 19 aufweisen, gleichzeitig als Anode und Kathode verwendet werden, wird die Effizienz des Verfahrens erhöht.
    Darüber ist Stickstoff als Gas weniger gefährlich als Sauerstoff und Wasserstoff bzw. deren Gemische.
  • Das Bauteil 10, 1ü' ist beispielsweise eine Nickel- oder Kobaltbasierte Superlegierung, insbesondere für Gasturbinenteile, wie z. B. Turbinenschaufeln, mit korrodierten Bereichen an der Oberfläche.
    Ebenso kann das Bauteil 10, 10' ein Substrat 31 (Fig. 3) mit einer MCrAlY-Schicht 34 (Fig. 3) sein, die oxidiert oder degradiert ist. Diese Schicht 34 stellt dann zumindest einen zu entfernenden Oberflächenbereich 19 dar.
    Die beispielsweise mehrfach vorhandenen Oberflächenbereiche 19 weisen durch ihre Degradation Fehlstellen 28 wie z.B. Hinterschneidungen, Kerben, Risse, Mikrorisse, Gitterfehlstellen, Korngrenzen u.a. auf (Figur 2).
  • Bei geeigneter Wahl des Elektrolyts 7 sowie dessen Konzentration und der Potenziale der Elektroden 13, 13' (bzw. 10', 10') erfolgt an den Bauteilen 10, 10' in den Fehlstellen 28 eine Gasbildung. Einige der im Elektrolyt 7 enthaltenen Ionenarten entladen sich an den Bauteile 10, 10' und bilden dabei ein Gas, erfindungsgemäß stickstoff, das innerhalb der Fehlstellen 28 Gasblasen 25 bildet. Stickstoff bildet sich aus einem beispielsweise nichtwässrigen Elektrolyten 7.
    Der Gasdruck in den Gasblasen 25 steigt mit der Zeit an, insbesondere dynamisch (überproportional), solange eine Spannung an den Elektroden 13, 13' (Bauteile 10, 10') anliegt, da immer mehr Gas gebildet wird. Der Gasdruck erzeugt in dem Oberflächenbereich 19 mechanische Spannungen, die zur Bildung von Rissen 22 in dem Oberflächenbereich 19 führen. Durch diese Rissbildung kommt es zum Abplatzen von Teilen des Oberflächenbereichs 19 und zur Entfernung des Oberflächenbereichs 19.
  • Figur 3 zeigt die Diffusion des sich bspw. im Elektrolyt 7 bildenden Gases in das Bauteil 10.
    Aufgrund der Elektrolyse bildet sich ein Gas, beispielsweise Wasserstoff, das das Bauteil 10 als Elektrode oder als zusätzliche Anordnung im Elektrolyt 7 umgibt.
    Der Wasserstoff kann in das Bauteil 10 hineindiffundieren, insbesondere in geschlossene Poren 37. In der Pore 37 bildet sich ebenfalls eine Gasblase 25, deren Druck immer weiter ansteigt bis dieser zur Bildung von Rissen 22 führt.
  • Figur 4 zeigt Oberflächenbereiche 19 eines Bauteils 10, das eine Schicht 34 aufweist.
    Das Bauteil 10 besteht beispielsweise aus einem Substrat 31 und der Schicht 34. Die Schicht 34 oder Teile der Schicht 34 stellen bspw. den Oberflächenbereich 19 dar, der entfernt werden soll.
    Das Substrat 31 ist bspw. eine Superlegierung und weist zumindest eine Schicht 34 auf, wie z.B. eine MCrAlY und/oder eine keramische Schicht.
  • Insbesondere kann es durch die Degradation der Schicht 34 auch zu Fehlstellen 28, wie Risse oder Trennungen im Grenzbereich zwischen Substrat 31 und Schicht 34 kommen, in dem sich das Gas ansammeln kann und das Material um den Riss oder Fehlstelle 28 schwächt, so dass der Riss weiterwachsen kann bis das Risswachstum zum Abplatzen der Schicht 34 im Grenzbereich zwischen Substrat 31 und Schicht 34 führt.
  • Figur 5 zeigt den Effekt der Diffusion eines Gases aus dem Elektrolyten in ein Bauteil 10.
  • Der Oberflächenbereich 19, der entfernt werden soll, kann Teil eines Substrats 31 oder einer Schicht 34 sein.
  • Das Gas, beispielsweise Wasserstoff, das sich in dem Elektrolyt 7 bildet und/oder bereits vorhanden ist oder zugeleitet wird, diffundiert in die metallischen Bereiche des Bauteils 10 ein und kann örtlich rekombinieren.
    Insbesondere Vorsprünge 37, die durch Einkerbungen und Hinterschneidungen gebildet werden, bilden eine große Oberfläche mit dem Elektrolyten 7 oder der Umgebung und damit eine große Berührungsfläche für das Gas, bspw. Wasserstoff. Somit kann das Gas von allen Seiten in den Vorsprung 37 hineindiffundieren und der Vorsprung 37 ist sehr viel schneller mit Gas angereichert als andere Bereiche. Die Diffusion von Gas in das Bauteil 10 führt zu einer Lockerung des metallischen Gefüges im Bauteil 10 bis hin zur Rissbildung 22.
  • Die in Zusammenhang mit den Figuren 2, 3, 4 und 5 beschrieben Wechselwirkungsarten eines Gases mit dem Bauteil 10 können separat aber auch gleichzeitig stattfinden.
  • In einem Zwischenschritt oder einem letztem Schritt kann einmal oder mehrmals das Bauteil 10 mit dem Oberflächenbereich 19 herausgenommen werden und insbesondere durch Laser- oder Induktivheizung schnell erwärmt werden, so dass eine Diffusion des Gases aus dem Material des Bauteils 10 aufgrund der zeitlichen Kürze der Erwärmung nicht oder kaum stattfindet.
    Durch die Erwärmung steigt ebenfalls der Gasdruck an, ohne dass eine weitere Gaszufuhr stattfinden muss. Der Effekt ist derselbe, nämlich dass Risse 22 im Oberflächenbereich 19 erzeugt werden.
  • Das Bauteil 10 kann zusätzlich, bspw. auch zur Erwärmung, einem Vakuum ausgesetzt werden, so dass der Druckunterschied zwischen Gasblase 25 und Bauteil 10 größer wird und das Verfahren beschleunigt wird.

Claims (15)

  1. Verfahren zum Entfernen von zumindest einem Oberflächenbereich (19) zumindest zweier Bauteile (10, 10'),
    wobei die zumindest zwei Bauteile (10, 10') in einem Elektrolyt (7) angeordnet sind
    und als Elektroden (13, 13') verwendet werden,
    wobei Stickstoff in dem Elektrolyt (7) erzeugt wird,
    so dass durch eine Wechselwirkung von Stickstoff und den zumindest zwei Bauteilen (10, 10') der zumindest eine Oberflächenbereich (19) aufgrund von Bildung von zumindest einem Riss (22) entfernt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    zusätzlich zu den zwei Elektroden (13, 13'),
    die für die Elektrolyse benutzt werden,
    in dem Elektrolyt (7) zumindest ein weiteres Bauteil (10) angeordnet ist.
  3. Verfahren nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    für den Elektrolyt (7) eine wässrige Lösung verwendet wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    für den Elektrolyt (7) eine nichtwässrige Lösung oder Schmelze verwendet wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der Elektrolyt (7) zumindest aus einer Stickstoffverbindung besteht.
  6. Verfahren nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das Bauteil (10, 10') als Kathode betrieben wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das Bauteil (10', 10) als Anode betrieben wird.
  8. Verfahren nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das Bauteil (10, 10') Fehlstellen (28) aufweist,
    wobei die Fehlstellen (28) insbesondere Risse, Kerben oder Hinterschneidungen sind,
    wobei sich in den Fehlstellen (28) Gas bildet,
    so dass sich bei entsprechend hohem Gasdruck des Gases zumindest ein Riss (22) innerhalb des Oberflächenbereichs (19) bildet,
    wodurch Teile des Oberflächenbereichs (19) entfernt werden.
  9. Verfahren nach Anspruch 1 oder 8,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der Oberflächenbereich (19) zumindest ein Teil einer Schicht (34) des Bauteils (10, 10') ist.
  10. Verfahren nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der Oberflächenbereich (19) zumindest teilweise korrodiert ist.
  11. Verfahren nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das Gas in die Oberflächenbereiche (19) hineindiffundiert und so dort das Gefüge lockert.
  12. Verfahren nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das Gas in die Oberflächenbereiche (19) hineindiffundiert und dort rekombiniert.
  13. Verfahren nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das Gas in mindestens eine geschlossene Pore (37) hineindiffundiert und dort mindestens eine Gasblase (25) bildet.
  14. Verfahren nach Anspruch 8,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass das Bauteil eine Schicht (34) und ein Substrat (31) aufweist, und
    dass sich eine Gasblase (25) an einer Fehlstelle (28) zwischen Substrat (31) und Schicht (34) bildet.
  15. Verfahren nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    in einem Verfahrenszwischenschritt oder in einem letzten Verfahrensschritt das Bauteil (10, 10') mit dem Oberflächenbereich (19) erwärmt wird,
    wobei durch die Wärmezufuhr der Gasdruck erhöht wird.
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