EP1740738B1 - Method for application of a protective coating to a thermally-stressed component - Google Patents

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EP1740738B1
EP1740738B1 EP05742960A EP05742960A EP1740738B1 EP 1740738 B1 EP1740738 B1 EP 1740738B1 EP 05742960 A EP05742960 A EP 05742960A EP 05742960 A EP05742960 A EP 05742960A EP 1740738 B1 EP1740738 B1 EP 1740738B1
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Abstract

The invention relates to a method for application of a thermally-insulating layer (11, 12, 13), or a metallic protective layer to a thermally-stressed component (200), made from a base material (10), for the elimination of local damage (14) or faults in the coating, whereby, in a first step, the local damage (14) or faulty positions are pre-treated and, in a second step, the layers (17, 18), required to eliminate the local damage (14) or faults, are applied. According to the invention, in such a method, a significantly improved lifespan of the treated component can be achieved, whereby, in the first step, the boundary regions (15) of the layers (11, 12, 13), terminating at the local damage (14) or fault, are machined such as to form evenly-sloping, stepped boundary regions (16). A pre-characterisation of the total coated regions of the operationally-stressed components or critical points by means of FSECT permits a reduction in the risk of otherwise overlooked layer regions, the remaining lifespan of which would not meet the subsequent operating time.

Description

    TECHNISCHES GEBIETTECHNICAL AREA
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der thermischen Maschinen und Bauteilen, die im Einsatz thermisch hoch beansprucht werden und mit einer Wärmedämmschicht oder metallischen Schutzschicht versehen sind. Sie betrifft insbesondere ein Verfahren zum Reparieren von Schadstellen an diesen Schichten.The present invention relates to the field of thermal machines and components, which are subjected to high thermal stress in use and are provided with a thermal barrier coating or metallic protective layer. It relates in particular to a method for repairing damaged areas on these layers.
  • STAND DER TECHNIKSTATE OF THE ART
  • Thermisch stark beanspruchte Bauteile, wie sie beispielsweise bei der Beschaufelung, der Brennkammerauskleidung oder als Schutzschilde im Heissgaskanal einer Gasturbine eingesetzt sind, werden häufig mit einer metallischen Schutzschicht oder einer mehrschichtigen Wärmedämmschicht überzogen, um das darunterliegende Basismaterial vor den hohen Heissgastemperaturen zu schützen. Die mehrschichtige Wärmedämmschicht umfasst dabei eine auf das Basismaterial aufgebrachte Haftschicht (Bond Coating BC) und die eigentliche Wärmedämmschicht (Thermal Barrier Coating TBC), die meist aus einem keramischen Material besteht. Im Betrieb bildet sich an der Grenze zwischen der Haftschicht und der Wärmedämmschicht noch eine thermisch gewachsene Oxidschicht (Thermally Grown Oxide TGO) aus, welche die Haftschicht gegen weitere Oxidation und Korrosion schützt und die Haftung der Wärmedämmschicht für einen bestimmten Lebensdauerbereich weiter verbessert.Highly stressed components, such as those used in blading, the combustion chamber lining or shields in the hot gas duct of a gas turbine are often with a coated metallic protective layer or a multi-layer thermal barrier coating to protect the underlying base material from the high hot gas temperatures. The multi-layer thermal barrier coating comprises an adhesive layer applied to the base material (Bond Coating BC) and the actual thermal barrier coating (Thermal Barrier Coating TBC), which usually consists of a ceramic material. In operation, a thermally grown oxide layer (Thermally Grown Oxide TGO) forms on the boundary between the adhesive layer and the thermal barrier coating, which protects the adhesive layer against further oxidation and corrosion and further improves the adhesion of the thermal barrier coating for a certain service life.
  • Durch die ständige thermische Wechselbelastung und den Einfluss der strömenden Heissgase und im Heissgasstrom mitgeführter Fremdkörper kann es bei längerem Betrieb zu lokalen Abplatzungen (sowie Verbrauch, zum Beispiel durch Erosion) der Schutzbeschichtung kommen, die dann möglichst rasch und zuverlässig ausgebessert werden müssen, um den Betrieb möglichst schnell wieder aufnehmen und möglichst lange ungestört aufrechterhalten zu können. Zur Ausbesserung muss in den Bereichen der lokalen Beschädigung die Abfolge der Schichten der Schutzbeschichtung wieder sukzessive aufgebaut werden, sodass das Bauteil wieder vollumfänglich geschützt ist.Due to the constant thermal cycling and the influence of the flowing hot gases and foreign bodies entrained in the hot gas stream, prolonged operation can lead to local flaking (and consumption, for example due to erosion) of the protective coating, which must then be repaired as quickly and reliably as possible resume as quickly as possible and maintain undisturbed as long as possible. For repair, in the areas of local damage, the sequence of layers of the protective coating must be built up again successively, so that the component is fully protected again.
  • Es ist aber auch denkbar, dass an einem Bauteil, das ansonsten mit einer Schutzbeschichtung versehen ist, von vornherein schutzbeschichtungsfreie Fehlstellen, z.B. Schweissnähte oder dergleichen, vorhanden sind, die nachträglich lokal mit einer Schutzbeschichtung in Form einer metallischen Schutzschicht oder einer keramischen Wärmedämmschicht versehen werden müssen.However, it is also conceivable that on a component which is otherwise provided with a protective coating, from the outset protective coating-free defects, e.g. Weld seams or the like, are present, which must be provided later locally with a protective coating in the form of a metallic protective layer or a ceramic thermal barrier coating.
  • In der Druckschrift US-A-6,569,492 ist bereits ein Verfahren zur Ausbesserung einer metallischen Schutzschicht beschrieben worden. Die EP-B1-0 808 913 offenbart ein Verfahren zum Ausbessern einer keramischen Wärmedämmschicht.In the publication US-A-6,569,492 A method for repairing a metallic protective layer has already been described. The EP-B1-0 808 913 discloses a method of repairing a ceramic thermal barrier coating.
  • Dokument EP1408134 offenbart ein Verfahren zum Reparieren einer Multischicht-Wärmedämmschicht, wobei eine Maske benutzt wird, damit nur ein begrenztes Gebiet zu beschichten ist. Die benutzten Maske hat jedoch dieselbe Grösse der Maskenöffnungen für den ganzen Prozess, und die Randbereiche der Schichten inder beschädigten Beschichtungsfläche werden nicht stufenförmig bearbeitet.document EP1408134 discloses a method of repairing a multi-layer thermal barrier coating using a mask to coat only a limited area. However, the mask used has the same size of mask openings for the whole process, and the marginal areas of the layers in the damaged coating area are not stepped.
  • Bei den bekannten Ausbesserungsverfahren für Schutzbeschichtungen ergeben sich die folgenden Probleme:
    • Es liegt in der Natur der metallischen Schutzschichten oder BC/TBC-Mehrschichtsysteme, dass die Ränder der beschädigten oder abgeplatzten Stellen eine beliebige Gestalt ohne eine bestimmte Form aufweisen. Es ist bisher keine Klassifizierung der Schäden als Voraussetzung für eine Entscheidung über die Reparierbarkeit und den Einsatz einer entsprechenden standardisierten Vorbereitung der Schadensstelle vorgeschlagen worden.
      Bereiche, die während des Betriebs in der metallischen Schutzschicht oder dem BC/TBC-Mehrschichtsystem vorgeschädigt worden sind, jedoch nicht sichtbar in Erscheinung treten, können bei den bekannten Verfahren nicht erkannt und damit auch nicht repariert werden. Daraus ergibt sich ein hohes Risiko für einen Ausfall des Bauteils, selbst wenn die Beschichtung lokal ausgebessert worden ist. Um einen vollen Lebensdauerzyklus garantieren zu können, müssen die gesamte beschichtete Fläche oder speziell die gefährdeten Bereiche, das heisst thermomechanisch besonders belastete Bereiche, mittels einer geeigneten zerstörungsfreien Prüfmethode auf ihre mechanische Integrität hin untersucht werden.
    • Da die Randbereiche der beschädigten Beschichtungsflächen unregelmässig sind, können sie sehr steil sein und keine ausreichende Abschrägung zwischen dem Basismaterial, der BC-Schicht und der TBC-Schicht aufweisen. Wenn keine speziellen Vorkehrungen getroffen werden, kann sich daraus eine unkontrollierte Vorbereitung während der Reinigung ergeben (einschliesslich des Risikos, die angrenzenden intakten Beschichtungsflächen zu beschädigen), und es kann ein Überlappungseffekt während der anschliessenden Neubeschichtung auftreten. Dies kann zu Fehlanpassungen im BC/TBC-Mehrschichtsystem führen. Solcherart reparierte Bauteile sind einem hohen Risiko des lokalen Abplatzens wegen lokaler Fehlanpassung der thermischen Ausdehnungskoeffizienten bei thermischer Wechselbelastung ausgesetzt. Gemäss den bekannten Ausbesserungsmethoden wird die lokale Reparatur von Schutzbeschichtungen ausserhalb der thermischen Maschine vorgenommen. Dies erfordert den Ausbau und Transport der zu reparierenden Bauteile und führt zu Zeitverlusten und erhöhten Kosten.
    In the known repair methods for protective coatings, the following problems arise:
    • It is in the nature of the metallic protective layers or BC / TBC multilayer systems that the edges of the damaged or chipped areas have any shape without a particular shape. So far, no classification of the damage has been proposed as a prerequisite for a decision on the reparability and the use of a corresponding standardized preparation of the damage site.
      Areas that have been damaged during operation in the metallic protective layer or the BC / TBC multi-layer system, but do not appear visible, can not be detected in the known methods and thus can not be repaired. This results in a high risk of failure of the component, even if the coating has been locally repaired. In order to guarantee a full life cycle, the entire coated surface or especially the hazardous areas, ie thermo-mechanically particularly stressed areas, must be examined for their mechanical integrity by means of a suitable non-destructive testing method.
    • Since the edge portions of the damaged coating surfaces are irregular, they may be very steep and may not have sufficient taper between the base material, the BC layer, and the TBC layer. Failure to take any special precautions may result in uncontrolled preparation during cleaning (including the risk of damaging the adjacent intact coating surfaces), and may result in an overlap effect during the subsequent recoating occur. This can lead to mismatches in the BC / TBC multilayer system. Components repaired in this way are subject to a high risk of local spalling due to local mismatching of thermal expansion coefficients under thermal cycling. According to the known repair methods, the local repair of protective coatings is performed outside the thermal machine. This requires the removal and transport of the components to be repaired and leads to loss of time and increased costs.
  • DARSTELLUNG DER ERFINDUNGPRESENTATION OF THE INVENTION
  • Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Ausbessern von lokalen Beschädigungen oder Auffüllen von lokalen Fehlstellen anzugeben, welches die Nachteile bekannter Verfahren vermeidet und sich insbesondere durch eine hohe Qualität und Belastbarkeit der bearbeiteten Bereiche auszeichnet. Insbesondere soll das Verfahren vor Ort an in der Maschine eingebauten Bauteilen (on-site) sowie an aus der Maschine ausgebauten Bauteilen (off-site) durchgeführt werden können.It is an object of the invention to provide a method for repairing local damage or filling local defects, which avoids the disadvantages of known methods and is characterized in particular by a high quality and resilience of the machined areas. In particular, the method should be able to be carried out locally on components installed on the machine (on-site) and on components removed from the machine (off-site).
  • Die Aufgabe wird durch die Gesamtheit der Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Der Kern der Erfindung besteht darin, bei der Vorbehandlung der zu bearbeitenden Stellen die Randbereiche der an der lokalen Beschädigung bzw. Fehlstelle endenden Schichten derart zu bearbeiten, dass die Schichten in den Randbereichen stufenweise abgetragen werden, indem der Umfang der abgetragenen Fläche der einzelnen Schichten von der äussersten Schicht des Bauteils bis zur Oberfläche des Basismaterials hin sich stufenförmig verkleinert und zur Festlegung der Grösse der abzutragenden Fläche jeder Schicht eine Maske entsprechender Grösse verwendet wird. Die Randbereiche der einzelnen Schichten werden also nacheinander bearbeitet, indem jede Schicht mittels einer ihr zugeordneten Maske hindurch abgetragen wird. Durch die Verwendung der Masken, die mit der Grösse ihrer Maskenöffnung an jede Schicht der Schichtfolge angepasst sind, können Geometrie und Form der kritischen Randschichten bei der Bearbeitung sicher und genau eingestellt werden.
    Innerhalb des zweiten Schritts des erfindungsgemässen Verfahrens werden zwecks Wiederauffüllung der Schadstelle die neuen Schichten durch Masken entsprechend der Grösse der abgetragenen Schicht aufgetragen. Die Verwendung der Masken verschiedener Grössen nacheinander vermeidet Überlappungen der aufgebrachten Schichten mit den vorhandenen, angrenzenden Schichten. Durch die Masken lässt sich die laterale Ausdehnung der aufgetragenen Schichtenbereiche so begrenzen, dass die aufgetragenen Schichten am Rand nicht signifikant die bereits vorhandenen Schichten überlappen und so Randbereiche mit reduzierter Festigkeit und Stabilität bilden, in denen ein späteres Abplatzen begünstigt wird. Die beim Aufbringen der Schichten benutzten Masken haben Maskenöffnungen, die in der gleichen Weise sukzessiv zunehmen, wie dies bei den Masken für die Bearbeitung der Fall ist.
    The object is solved by the entirety of the features of claim 1. The core of the invention is, in the pretreatment of the points to be machined, to process the edge regions of the layers ending at the local damage, such that the layers in the edge regions are removed step by step, by reducing the circumference of the ablated surface of the individual layers the outermost layer of the component is stepped down to the surface of the base material and a mask of corresponding size is used to determine the size of the surface to be removed of each layer. The edge regions of the individual layers are thus processed one after the other by removing each layer by means of a mask assigned to it. By using the masks with the size of their mask opening to each layer of the layer sequence are adapted, the geometry and shape of the critical surface layers during machining can be set safely and accurately.
    Within the second step of the process according to the invention, the new layers are applied by masks according to the size of the removed layer in order to replenish the damaged area. The use of the masks of different sizes in succession avoids overlaps of the applied layers with the existing adjacent layers. The masks limit the lateral extent of the applied layer areas so that the applied layers on the edge do not significantly overlap the already existing layers and thus form marginal areas with reduced strength and stability, in which later flaking is favored. The masks used in the application of the layers have mask openings which increase successively in the same way as is the case with the masks for processing.
  • Vorzugsweise werden die einzelnen Schichten in den Randbereichen der lokalen Beschädigungen derart abgetragen, dass die Enden der einzelnen Schichten gleichmässig abgeschrägt sind. Eine gleichmässige Abschrägung der Schichtenden wird beispielsweise durch ein Sandstrahlverfahren erreicht Das Ausmass der Abschrägung, d.h. der Winkel der Abschrägung relativ zur Oberflächennormalen hängt dabei von den Sandstrahlparametem und den Materialparametern der abzutragenden Schichten ab. Die Abschrägung bildet einen Winkel relativ zur Oberflächennormalen in einem Bereich von 30° bis 75°, vorzugsweise von 60°. Die erreichte Abschrägung ist insofern gleichmässig, dass der Winkel der Abschrägung innerhalb einer Schicht und über den gesamten Umfang der Schadstelle im wesentlichen gleich ist, das heisst insofern gleich ist wie es durch ein Sandstrahlverfahren oder anderes Strahlverfahren erreichbar ist. Die gleichmässig abgeschrägten Randbereiche treten somit im Verlauf der Schichtenfolge von unten nach oben, das heisst von der Oberfläche des Basismaterials zur äussersten Schicht der Schichtenfolge hin, zunehmend nach aussen und stufenweise zurück, sodass eine Serie von "Terrassen" mit abgeschrägten Wänden zwischen den Terrassenebenen entsteht.Preferably, the individual layers are removed in the edge regions of the local damage in such a way that the ends of the individual layers are chamfered uniformly. The extent of the bevel, ie the angle of the bevel relative to the surface normal, depends on the sandblasting parameters and the material parameters of the layers to be removed. The taper forms an angle relative to the surface normal in a range of 30 ° to 75 °, preferably 60 °. The chamfering achieved is uniform in that the angle of chamfer within a layer and over the entire circumference of the damaged area is substantially the same, that is, is the same as it is achievable by a sandblast method or other beam method. The uniformly bevelled edge areas thus come in the course of the layer sequence from bottom to top, that is from the surface of the base material to the outermost layer of the layer sequence, increasingly outward and gradually back, so that a series of "terraces" with beveled walls between the terrace levels ,
  • Die Abstufung der Schichtabtragung erbringt den Vorteil, dass bei der Auftragung der entsprechenden neuen Schichten zwecks Auffüllung der Schadstelle Überlappungen von Schicht zu Schicht vermieden werden und neues Schichtmaterial nur auf der dafür bestimmten Schicht aufgetragen wird und nicht auf die darauffolgende Schicht gelangt.
    Die abgeschrägten Enden der Schichten erbringen den zusätzlichen Vorteil einer verbesserten Haftung der neu aufgetragenen Schichten.
    The gradation of the layer removal provides the advantage that when applying the corresponding new layers for the purpose of filling the damaged area, overlaps are avoided from layer to layer and new layer material is applied only to the specific layer and does not reach the subsequent layer.
    The beveled ends of the layers provide the added benefit of improved adhesion of the newly applied layers.
  • Vorzugsweise wird aus Sicherheitsgründen ein hinreichend breit gewählter Bereich der an der lokalen Beschädigung bzw. Fehlstelle endenden Schichten abgetragen, um Unregelmässigkeiten in den kritischen Randbereichen sicher ausschliessen zu können. Das heisst, es werden nicht nur die offensichtlich beschädigten Stellen abgetragen, sondern auch Bereiche um die offensichtliche Schadstelle herum, die aufgrund von Rissen oder einer beschädigten Haftschicht (BC) ebenfalls repariert werden müssen. Es wird also die flächige Ausdehnung der Schadstelle festgestellt, die repariert werden muss. Ferner wird auch die Tiefenausdehnung der Schadstelle festgestellt, das heisst welche Teilbereiche des Schichtverbunds repariert werden müssen, wie zum Beispiel nur TBC oder TBC/BC oder TBC/BC/BM. Das Ausmass des zur Reparatur gewählten Bereiches und das Vorhandensein von verborgenen Schadbereichen wird beispielsweise durch ein zerstörungsfreies Verfahren wie das FSECT (Frequency Scanning Eddy Current-Technik) festgestellt.For safety reasons, a sufficiently wide range of the layers ending at the local damage or defect is preferably removed in order to be able to reliably exclude irregularities in the critical edge regions. This means that not only the obviously damaged areas are removed, but also areas around the obvious damaged area, which also have to be repaired due to cracks or a damaged adhesive layer (BC). It is thus determined the areal extent of the damaged area, which must be repaired. Furthermore, the depth extent of the damaged area is also determined, that is to say which partial areas of the composite layer must be repaired, such as, for example, only TBC or TBC / BC or TBC / BC / BM. The extent of the area selected for repair and the presence of hidden areas of damage is determined, for example, by a non-destructive method such as the FSECT (Frequency Scanning Eddy Current technique).
  • Vorzugsweise werden Masken mit einer abgerundeten, insbesondere kreisrunden, Maskenöffnung verwendet. Die Verwendung einer solchen Maskenform im Gegensatz zu einer Form mit Ecken vermeidet Spannungen, die von spitzen Ecken ausgehen könnten.Preferably, masks are used with a rounded, in particular circular, mask opening. The use of such a mask shape as opposed to a shape with corners avoids stresses that could emanate from sharp corners.
  • Eine besondere hohe Qualität des ausgebesserten bzw. aufgefüllten Bereiches ergibt sich, wenn innerhalb des zweiten Schritts vor dem Aufbringen einer Schicht die Oberfläche der darunterliegenden Schicht zur Verbesserung der Haftung der aufzubringenden Schicht bearbeitet, z.B. aufgerauht wird. Dies erfolgt vorzugsweise mittels Sandstrahlen oder Strahlen mit keramischen Strahlgut.A particular high quality of the patched area results when, within the second step, before the application of a layer, the surface of the underlying layer for improving the adhesion of the processed layer to be applied, for example, roughened. This is preferably done by sandblasting or blasting with ceramic blasting material.
  • Um nach und trotz der Reparatur eine möglichst glatte Oberfläche des beschichteten Bauteils zu erhalten, ist es von Vorteil, wenn nach dem Aufbringen der Schichten die Oberfläche im Bereich der vormaligen lokalen Beschädigung bzw. Fehlstelle zur Beseitigung von Unebenheiten bearbeitet wird, wobei dies vorzugsweise mittels Schleifen und/oder Polieren erfolgt.In order to obtain the smoothest possible surface of the coated component after and despite the repair, it is advantageous if, after the application of the layers, the surface is processed in the region of the previous local damage or defect for the removal of unevenness, preferably by means of grinding and / or polishing takes place.
  • Um sichere Aussagen über den Erfolg einer Reparatur zu erhalten, ist es von Vorteil, wenn nach dem Beseitigen der lokalen Beschädigung bzw. Fehlstelle der Bereich der vormaligen lokalen Beschädigung oder Fehlstelle einer Qualitätsprüfung unterzogen wird. Dies erfolgt vorzugsweise mittels zerstörungsfreier Verfahren, insbesondere der Thermographie oder der FSECT (Frequency Scanning Eddy Current-Technik).In order to obtain reliable information about the success of a repair, it is advantageous if, after removal of the local damage or defect, the area of the former local damage or defect is subjected to a quality inspection. This is preferably done by non-destructive methods, in particular thermography or the FSECT (Frequency Scanning Eddy Current technique).
  • Bewährt hat sich das erfindungsgemässe Verfahren bei einer Beschichtung, die ein Wärmedämmschicht-System darstellt, welche eine auf das Basismaterial aufgetragene Haftschicht und eine auf die Haftschicht aufgetragene Wärmedämmschicht umfasst.The process according to the invention has proved to be successful in the case of a coating which represents a thermal barrier coating system which comprises an adhesive layer applied to the base material and a thermal barrier coating applied to the adhesive layer.
  • Vorteilhafterweise wird das Verfahren vor Ort an eingebauten Bauteilen durchgeführt, wobei zum Bearbeiten der lokalen Beschädigung oder Fehlstelle kleine, tragbare Bearbeitungssysteme, insbesondere zum Reinigen und Plasmaspritzen, verwendet werden. Desgleichen ist das Verfahren selbstverständlich auch für off-site Reparaturen an ausgebauten Bauteilen, geeignet.Advantageously, the method is performed on-site on built-in components using small, portable processing systems, especially for cleaning and plasma spraying, to process the local damage or defect. Likewise, the method is of course also suitable for off-site repairs to removed components.
  • Das erfindungsgemässe Verfahren eignet sich sowohl für Bauteile, die im Betriebseinsatz beschädigt worden sind als auch für Neu-Bauteile, die beispielsweise während der Montage oder während des Transports beschädigt worden sind.The inventive method is suitable both for components that have been damaged during operation and for new components that have been damaged, for example during assembly or during transport.
  • Damit ein Bauteil im Rahmen des erfindungsgemässen Verfahrens in vollem Umfang behandelt werden kann, ist es von Vorteil, wenn zunächst die Oberfläche des Bauteils zumindest in besonders gefährdeten Bereichen, wie zum Beispiel die Druckseite und Vorderkante von Turbinenschaufeln, mittels eines zerstörungsfreien Prüfverfahrens auf ihre mechanische Integrität untersucht und dabei die zu reparierenden Gebiete identifiziert und in ihrer Ausdehnung festgelegt werden. Hierzu wird vorzugsweise die FSECT (Frequency Scanning Eddy Current-Technik) verwendet.In order to be able to fully treat a component in the context of the method according to the invention, it is advantageous if the surface of the component is initially at least in particularly endangered areas, such as the pressure side and leading edge of turbine blades, by means of a non-destructive testing method for their mechanical integrity examines the areas to be repaired and determines their extent. For this purpose, preferably the FSECT (Frequency Scanning Eddy Current technique) is used.
  • KURZE ERLÄUTERUNG DER FIGURENBRIEF EXPLANATION OF THE FIGURES
  • Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen
  • Fig. 1
    eine photographische Darstellung der Draufsicht auf eine gereinigte und nach dem erfindungsgemässen Verfahren für die Neubeschichtung vorbereitete lokale Beschädigung eines mit einer Wärmedämmschicht versehenen Bauteils bzw. Substrats;
    Fig. 2
    das Bauteil aus Fig. 1 nach der Neubeschichtung und abschliessenden Behandlung der Oberfläche;
    Fig. 3
    in einer schematischen, perspektivischen Darstellung der Einsatz einer typischen Maske zur Vorbehandlung und Neubeschichtung einer lokalen Beschädigung bzw. Fehlstelle;
    Fig. 4
    ein Schliffbild durch eine reparierte lokale Beschädigung mit aufgrund fehlender Maskierung auftretender Überlappung der erneuerten Haftschicht, die durch das erfindungsgemässe Verfahren vermieden würden;
    Fig. 5
    eine vergrösserte Darstellung des Schliffbildes aus Fig. 4;
    Fig. 6
    ein Schliffbild einer Überlappung der erneuerten Haftschicht entlang einer angeschrägten Kante der Wärmedämmschicht, das sich ergibt, wenn ohne oder mit ungeeigneten Masken gearbeitet wird.
    Fig. 7
    in verschiedenen Teilfiguren verschiedene Schritte bei der Ausbesserung vor Ort oder off-site einer lokalen Beschädigung eines mit einer Wärmedämmschicht versehenen, betriebsbeanspruchten Bauteils gemäss einem bevorzugten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemässen Verfahrens; und
    Fig. 8
    in verschiedenen Teilfiguren verschiedene Schritte bei der lokalen Applikation vor Ort oder off-site einer neuen Wärmedämmschicht zwecks Wiederauffüllen einer Schadstelle oder einer lokalen Fehlstelle.
    The invention will be explained in more detail with reference to embodiments in conjunction with the drawings. Show it
    Fig. 1
    a photographic representation of the top view of a cleaned and prepared according to the inventive method for recoating local damage to a provided with a thermal barrier coating component or substrate;
    Fig. 2
    the component off Fig. 1 after re-coating and final treatment of the surface;
    Fig. 3
    in a schematic, perspective view of the use of a typical mask for pretreatment and recoating a local damage or defect;
    Fig. 4
    a micrograph by a repaired local damage with overlap of the renewed adhesive layer occurring due to missing masking, which would be avoided by the method according to the invention;
    Fig. 5
    an enlarged view of the microsection Fig. 4 ;
    Fig. 6
    a micrograph of an overlap of the renewed adhesive layer along a beveled edge of the thermal barrier coating, which results when working with or without unsuitable masks.
    Fig. 7
    in various sub-figures, various steps in the repair on-site or off-site local damage to a provided with a thermal barrier coating, operating-loaded component according to a preferred embodiment of the inventive method; and
    Fig. 8
    in different subfigures different steps in the local application on site or off-site a new thermal barrier coating for the purpose of replenishing a damaged area or a local defect.
  • WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNGWAYS FOR CARRYING OUT THE INVENTION
  • Ein erster Schritt zur Ausbesserung einer beschädigten metallischen oder BC/TBC-Beschichtung auf dem Basismaterial eines Bauteils umfasst eine Einteilung der Defekte in bestimmte Kategorien, gefolgt von der Entscheidung, welcher defekte Beschichtungsteilbereich und mit welchen standardisierten Methoden ausgebessert werden können. Dazu werden die ganze beschichtete Oberfläche des Bauteils oder zumindest die besonders gefährdeten Gebiete mittels zerstörungsfreier Prüfmethoden auf ihre mechanische Integrität hin untersucht. Als zerstörungsfreie Prüfmethode kommt dabei insbesondere die FSECT (Frequency Scanning Eddy Current-Technik) in Betracht, bei der die im Bauteil induzierten Wirbelströme in Abhängigkeit von der Frequenz untersucht und ausgewertet werden.A first step in repairing a damaged metallic or BC / TBC coating on the base material of a component involves classifying the defects into particular categories, followed by deciding which defective coating portion and which standardized methods can be repaired. For this purpose, the entire coated surface of the component or at least the most vulnerable areas are examined for their mechanical integrity by means of nondestructive testing methods. As a non-destructive test method is in particular the FSECT (Frequency Scanning Eddy Current technique) into consideration, in which the im Component-induced eddy currents as a function of frequency are examined and evaluated.
  • Wenn diese vorbereitenden Untersuchungen abgeschlossen sind, werden Masken 21 der in Fig. 3 dargestellten Art ausgewählt, deren Maskenöffnungen 22 der Ausdehnung des Defektes entsprechen. Das heisst, die Maskenöffnungen umfassen die Grösse der offensichtlichen Schadstelle sowie weitere Bereiche um diese offensichtliche Schadstelle, die aufgrund einer zerstörungsfreien Inspektion als beschädigt gewertet worden sind (inkl. eines Sicherheitszuschlags). Die Grösse der Maskenöffnung 22 wird dabei so gewählt, dass bei der abzutragenden Schicht aus Sicherheitsgründen immer ein Randbereich hinreichender Breite abgetragen wird, um alle beschädigten Gebiete sicher zu entfernen, ohne jedoch die unbeschädigten Gebiete der Schicht zu beeinträchtigen. Die Masken 21 werden auf das Substrat bzw. Bauteil 20 aufgelegt, worauf durch die Maskenöffnung 22 hindurch die beschädigte Beschichtung sukzessive abgetragen wird. Es werden nacheinander Masken 21 mit unterschiedlich grossen Maskenöffnungen 22, genauer mit sukzessiver kleinerer Grösse eingesetzt, um die metallische Schutzschicht bzw. die TBC-Schicht, die BC-Schicht und allfälliges oxidiertes Basismaterial des Substrats zu entfernen. Mit der Verwendung der Masken 21 wird bei jeder Schicht eine neue Stufe oder "Terrassen-ebene" erzeugt. In Figur 7b sind die daraus resultierenden Stufen dargestellt.
    Das Verfahren ist auch durchführbar, indem die nacheinander eingesetzten Masken sukzessive grösser werden, also zuerst die kleinste Maske und zuletzt die grösste Maske verwendet wird. Bei Verwendung von beispielsweise Sandstrahlen als Abtragungsverfahren werden gleichmässig abgeschrägte Randbereiche16 in Fig. 1, 7 und 8 erzeugt. Diese sind für den nachfolgenden Ausbesserungs- bzw. Auffüllprozess, insbesondere für die Haftung der neu aufgetragenen Schichten, entscheidend.
    When these preliminary examinations are completed, masks 21 of the in Fig. 3 selected type, the mask openings 22 correspond to the extent of the defect. That is, the mask apertures include the size of the apparent patch, as well as other areas around this apparent patch that have been deemed damaged due to a nondestructive inspection (including a safety penalty). The size of the mask opening 22 is chosen so that in the layer to be removed for safety reasons always an edge region of sufficient width is removed to safely remove all damaged areas, but without affecting the undamaged areas of the layer. The masks 21 are placed on the substrate or component 20, whereupon the damaged coating is successively removed through the mask opening 22. Masks 21 with differently sized mask openings 22, or more precisely with a successively smaller size, are used successively to remove the metallic protective layer or the TBC layer, the BC layer and any oxidized base material of the substrate. With the use of the masks 21, a new level or "terrace level" is created for each layer. In FIG. 7b the resulting levels are shown.
    The method can also be carried out by successively increasing the masks used one after the other, ie first using the smallest mask and finally the largest mask. When using, for example, sandblasting as ablation process uniformly bevelled edge areas16 in Fig. 1 . 7 and 8th generated. These are crucial for the subsequent repair or filling process, in particular for the adhesion of the newly applied layers.
  • Beim nachfolgenden Aufbringen neuer TBC/BC-Schichtfolgen bzw. metallischer Schutzschichten werden gleichartige oder identische Masken benutzt, um die laterale Ausdehnung der neu aufgebrachten Schichten zu begrenzen und so zu verhindern, dass randseitige Überlappungen der neu aufgebrachten Schichten und der bestehenden Schichten auftreten. Beispiele für derartige Überlappungen sind in den Fig. 4, 5 und 6 gezeigt. Fig. 4 und 5 zeigen in unterschiedlicher Vergrösserung Schliffbilder einer randseitigen Überlappung 25 einer nachträglich aufgebrachten Haftschicht 17, die dazu führt, dass die darüberliegende keramische Wärmedämmschicht 13 dort eine mechanische Schwächung erfährt. Fig. 6 zeigt eine Überlappung 25 an einem schrägen Randbereich der Wärmedämmschicht 13, die ebenfalls zu einer mechanischen Schwächung führt.In the subsequent application of new TBC / BC layer sequences or metallic protective layers, identical or identical masks are used in order to limit the lateral extent of the newly applied layers and thus to prevent marginal overlaps of newly applied layers and existing layers. Examples of such overlaps are in the 4, 5 and 6 shown. 4 and 5 show in different magnification micrographs of a marginal overlap 25 of a subsequently applied adhesive layer 17, which causes the overlying ceramic thermal barrier coating 13 there undergoes a mechanical weakening. Fig. 6 shows an overlap 25 at an oblique edge region of the thermal barrier coating 13, which also leads to a mechanical weakening.
  • In Fig. 7 sind in verschiedenen Teilfiguren verschiedene Schritte bei der Ausbesserung einer lokalen Beschädigung eines mit einem BC/TBC-Wärmedämmschicht-System versehenen Bauteils 200 gemäss einem bevorzugten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemässen Verfahrens wiedergegeben. Gemäss Fig. 7a ist zum Schutz des Bauteils 200 auf dem Basismaterial 10 des Bauteils 200 eine Schichtenfolge aus einer Haftschicht 11, einer thermisch gewachsenen Oxidschicht 12 und einer keramischen Wärmedämmschicht 13 aufgebracht, die eine lokale Beschädigung 14 aufweist. Die einzelnen Schichten 11, 12 und 13 weisen im Bereich der lokalen Beschädigung 14 unregelmässig ausgebildete Randbereiche 15 auf.In Fig. 7 different steps in the repair of local damage of a provided with a BC / TBC thermal barrier coating system component 200 according to a preferred embodiment of the inventive method are shown in different sub-figures. According to Fig. 7a To protect the component 200 on the base material 10 of the component 200, a layer sequence comprising an adhesion layer 11, a thermally grown oxide layer 12 and a ceramic thermal insulation layer 13 is applied, which has a local damage 14. The individual layers 11, 12 and 13 have irregular edge regions 15 in the region of the local damage 14.
  • Wenn die lokale Beschädigung 14 entdeckt und zur Reparatur ausgewählt ist, werden gemäss Fig. 7b in einem ersten Schritt durch geeignete Masken 23 hindurch die unregelmässigen Randbereiche 15 der Schichten sukzessive abgetragen, sodass alle Schichten 11,12,13 gleichmässig abgeschrägte Randbereiche 16 aufweisen, die eine Öffnung in der Schichtenfolge mit nach aussen zunehmendem Durchmesser beranden. In Fig. 7b ist nur eine Maske 23 eingezeichnet. Tatsächlich werden die einzelnen Schichten 11,12,13 in Teilschritten nacheinander unter Einsatz einer jeweils auf die Schicht abgestimmten Maske abgetragen, so dass bei den 3 Schichten 11,12,13 wenigstens 3 Masken 23 zum Einsatz kommen.
    Für die Abtragung der Schicht 13 wird eine erste Maske verwendet mit einer Grösse der grössten Öffnung, d.h. der Öffnung 14 an der oberen Oberfläche der Schicht 13. Es wird sodann bis zur Oberfläche der Schicht 12 abgetragen. Die nächste Maske besitzt eine Öffnung mit leicht kleinerer Grösse, d.h. der Öffnung 14 an der oberen Oberfläche der Schicht 12. Es wird sodann bis zur Oberfläche der Schicht 12 abgetragen. Die nächste Maske ist wiederum kleiner mit einer Öffnung gleich der Öffnung 14 an der Oberfläche der Schicht 11.
    Die gestaffelte Abtragung der einzelnen Schichten zur Herstellung einer terrassenförmigen Öffnung 14 wie in Figur 7b kann auch durch Verwendung der erwähnten Masken in umgekehrter Grössen-Reihenfolge durchgeführt werden, indem mit der kleinsten Maske begonnen und mit der grössten Maske geendet wird.
    If the local damage 14 is detected and selected for repair, then Fig. 7b In a first step, the irregular edge regions 15 of the layers are successively removed by suitable masks 23, so that all layers 11, 12, 13 have edge regions 16 which are uniformly chamfered and which cover an opening in the layer sequence with an outwardly increasing diameter. In Fig. 7b only one mask 23 is shown. In fact, the individual layers 11, 12, 13 are removed in partial steps one after the other using a mask matched to the respective layer, so that at least 3 masks 23 are used in the 3 layers 11, 12, 13.
    For the removal of the layer 13, a first mask is used with a size of the largest opening, ie the opening 14 on the upper surface of the Layer 13. It is then removed to the surface of the layer 12. The next mask has an opening of slightly smaller size, ie, the opening 14 on the upper surface of the layer 12. It is then ablated to the surface of the layer 12. The next mask is in turn smaller with an opening equal to the opening 14 on the surface of the layer 11.
    The staggered removal of the individual layers to produce a terraced opening 14 as in FIG. 7b can also be performed by using the mentioned masks in reverse order of magnitude by starting with the smallest mask and ending with the largest mask.
  • Ist die lokale Beschädigung 14 auf diese Weise vorbehandelt, können nacheinander die entfernten Schichten ergänzt werden. In Fig. 7c ist die Ergänzung der Haftschicht 11 durch eine erneuerte Haftschicht 17 gezeigt, die zur Vermeidung von Überlappungen durch eine Maske 24 hindurch geschieht. In gleicher Weise wird auch eine erneuerte Wärmedämmschicht 18 aufgetragen (Fig. 7d), die dann durch Schleifen und/oder Polieren der übrigen Oberfläche angepasst wird (Fig. 7e). Wird das so reparierte Bauteil 200 hohen Temperaturen ausgesetzt, bildet sich eine neu gewachsene Oxidschicht 19 (Fig. 7e), so dass die ursprüngliche Schichtenfolge vollständig wiederhergestellt ist.If the local damage 14 is pretreated in this way, the removed layers can be successively added. In Fig. 7c the addition of the adhesive layer 11 is shown by a renewed adhesive layer 17, which is done to avoid overlaps through a mask 24 therethrough. In the same way, a renewed thermal barrier coating 18 is applied ( Fig. 7d ), which is then adjusted by grinding and / or polishing the remaining surface ( Fig. 7e ). If the component 200 thus repaired is exposed to high temperatures, a newly grown oxide layer 19 (FIG. Fig. 7e ), so that the original layer sequence is completely restored.
  • Während sich die Fig. 7 auf die Ausbesserung einer lokalen Beschädigung 14 bezieht, sind in Fig. 8 in verschiedenen Teilfiguren verschiedene Schritte bei der Applikation einer neuen Wärmedämmschicht zum Wiederauffüllen einer lokalen Fehlstelle 14' eines mit einem BC/TBC-Wärmedämmschicht-System versehenen Bauteils 300 wiedergegeben. Eine solche lokale Fehlstelle 14' ergibt sich beispielsweise im Bereich einer Schweissnaht, wenn zwei bereits vorher beschichtete Teile miteinander verschweisst werden. Da ein solches Bauteil 300 noch vor dem ersten Einsatz bearbeitet werden muss, um die Wärmedämmschicht zu vervollständigen, ist in der Schichtenfolge hier noch keine thermisch gewachsene Oxidschicht vorhanden (Fig. 8a). Auch in diesem Fall werden zunächst durch Masken 23 hindurch die unregelmässigen Randbereiche 15 der Schichten 11, 13 durch gezieltes Abtragen in gleichmässig abgeschrägte Randbereiche 16 überführt (Fig. 8b). Dann werden durch entsprechende Masken 24 hindurch die Schichten 17 und 18 neu aufgebracht (Fig. 8c und d) und der Oberfläche angepasst (Fig. 8e). Durch Verwendung von Plasmaspritzen oder eines Spritzverfahrens, welches das aufzubringende Material in eine schmelzflüssiger-oder angeschmolzener Phase bringt, wird erreicht, dass die neuen Schichten 17, 18 die Öffnungen 14' entsprechend der Maskenöffnung aufgetragen werden.While the Fig. 7 related to the repair of a local damage 14 are in Fig. 8 in various sub-figures various steps in the application of a new thermal barrier coating for replenishing a local defect 14 'of a provided with a BC / TBC thermal barrier coating system component 300 reproduced. Such a local defect 14 'results, for example, in the region of a weld seam when two parts which have already been coated in advance are welded together. Since such a component 300 must be processed before the first use in order to complete the thermal barrier coating, there is still no thermally grown oxide layer in the layer sequence ( Fig. 8a ). In this case as well, the irregular edge areas 15 of the first through masks 23 through Layers 11, 13 transferred by targeted ablation in evenly tapered edge portions 16 ( Fig. 8b ). Then the layers 17 and 18 are applied through corresponding masks 24 ( Fig. 8c and d ) and the surface ( Fig. 8e ). By using plasma spraying or a spraying process which brings the material to be applied into a molten or molten phase, it is achieved that the new layers 17, 18 are applied to the openings 14 'corresponding to the mask opening.
  • Eine photographische Darstellung einer lokalen Beschädigung eines Bauteils 100 vor dem Aufbringen der Schichten und nach der Reparatur ist in Fig. 1 und 2 gezeigt. Fig. 1 zeigt in der Draufsicht von oben die vorbehandelte lokale Beschädigung 14 mit dem freigelegten Basismaterial 10, der Haftschicht 11 und der Wärmedämmschicht 13. Durch Einsatz von Masken der in Fig. 3 dargestellten Art mit kreisrunden Maskenöffnungen ergeben sich in Fig. 1 Randbereiche mit deutlich sichtbarer, gleichmässiger Abschrägung. Fig. 2 zeigt die durch Schleifen angepasste Oberfläche der erneuerten Wärmedämmschicht 18 nach der Reparatur (vergleichbar mit Fig. 7e & 8e).A photographic representation of a local damage of a component 100 before the application of the layers and after the repair is in Fig. 1 and 2 shown. Fig. 1 shows in plan view from above the pretreated local damage 14 with the exposed base material 10, the adhesive layer 11 and the thermal barrier coating 13. By using masks of in Fig. 3 shown with circular mask openings arise in Fig. 1 Edge areas with clearly visible, even bevel. Fig. 2 shows the loop-adapted surface of the renewed thermal barrier coating 18 after repair (comparable to FIG Fig. 7e & 8e ).
  • Die Bearbeitung der lokalen Beschädigungen 14 bzw. Fehlstellen 14' erfolgt vorzugsweise am eingebauten Bauteil "vor Ort", wobei zum Reinigen (& ähnliche Strahlprozesse) und zum Abtragen Strahlprozesse mit keramischen Strahlgut oder Sandstrahlen zum Einsatz kommen und zum Auftragen der neuen Schichten Spritzverfahren zum Einsatz kommen die das aufzubringende Material in einen schmelzflüssigen oder angeschmolzenen Zustand überführt wie z.B. durch das Plasma, Mikro-Plasma, Laser oder HVOF VerfahrenThe processing of the local damage 14 or defects 14 'is preferably carried out on the built-in component "on site", wherein for cleaning (& similar jet processes) and for ablating beam processes with ceramic grit or sandblasting are used and for applying the new layers spraying used come the material to be applied in a molten or molten state such as transferred by the plasma, micro-plasma, laser or HVOF process
  • BEZUGSZEICHENLISTELIST OF REFERENCE NUMBERS
  • 1010
    Basismaterialbase material
    1111
    Haftschichtadhesive layer
    1212
    Oxidschicht (thermisch gewachsen)Oxide layer (thermally grown)
    1313
    Wärmedämmschichtthermal barrier
    1414
    lokale Beschädigunglocal damage
    14'14 '
    lokale Fehlstellelocal defect
    1515
    Randbereich (unbehandelt)Border area (untreated)
    1616
    Randbereich (abgeschrägt)Border area (bevelled)
    1717
    Haftschicht (erneuert)Adhesive layer (renewed)
    1818
    Wärmedämmschicht (erneuert)Thermal insulation layer (renewed)
    1919
    Oxidschicht (neu gewachsen)Oxide layer (newly grown)
    2020
    Substrat (Bauteil)Substrate (component)
    2121
    Maskemask
    2222
    Maskenöffnungmask opening
    23.2423:24
    Maskemask
    2525
    Überlappungoverlap
    100,200,300100,200,300
    Bauteilcomponent

Claims (18)

  1. Method for the elimination of local damage (14) or an untreated place (14') in a heat insulation layer (11, 12, 13) or in a metallic protective layer on a component for use under high thermal stress, which consists of a basic material (10), in a first step the local damage (14) or an untreated place (14') being pretreated, and, in a second step, layers (17, 18) necessary for eliminating the local damage (14) or untreated place (14') being applied, characterized in that, in the first step, the edge regions (15) of the individual layers of the heat insulation layer (13, 12, 11) are stripped away one after the other in steps by means of masks (23) of different size, the size of the mask aperture used corresponding to the size of the stripped-away surface of each layer, the size of the mask apertures being adapted to each layer and the size of the masks (23) used becoming successively smaller from step to step so that the extent of the stripped-away surface of the individual layers of the heat insulation layer (11, 12, 13) decreases in steps from the outermost layer (13) of the heat insulation layer of the component (100, 200, 300) up to the surface of the basic material (10), and, in the second step, the layers (17, 18) necessary for eliminating the local damage (14) or untreated place (14') are applied one after the other through masks (24) with mask apertures of different size, the size of the mask apertures (24) being assigned to each individual layer (11, 12, 13) and corresponding to the size of the stripped-away surface.
  2. Method according to Claim 1, characterized in that the individual layers (11, 12, 13) are stripped away in the edge regions (15) of the local damage (14) in such a way that the ends of the individual layers are sloped uniformly, in that the angle of the slope is essentially identical within a layer and over the extent of the edge regions (15).
  3. Method according to Claim 1, characterized in that, before the first step, the extent of the local damage (14) is detected by means of a nondestructive method, and a region of the local damage (14) which is selected as being sufficiently large in area and depth for safety reasons and on the basis of this detection is eliminated.
  4. Method according to Claims 1 and 2, characterized in that, in the first step, the edge regions (15) of the layers (11, 12, 13) are stripped away by sandblasting or a blasting method which operates with ceramic blasting material.
  5. Method according to Claim 1, characterized in that, in the second step, the layers (17, 18) to be applied are applied by means of plasma spraying or a spraying method which changes the material to be applied into a fusible or molten phase.
  6. Method according to one of Claims 1 to 4, characterized in that, after the first step and before the second step, the surface of the layer lying underneath is processed in order to improve the bonding of the layer to be applied.
  7. Method according to Claim 6, characterized in that processing takes place by means of blasting processes, in particular sandblasting.
  8. Method according to one of Claims 1 to 6, characterized in that, after the application of the layers (17, 18), the surface in the region of the previous local damage (14) or untreated place (14') is processed in order to eliminate unevennesses.
  9. Method according to Claim 8, characterized in that processing takes place by means of grinding and/or polishing.
  10. Method according to one of Claims 1 to 9, characterized in that, after the elimination of the local damage (14) or untreated place (14'), the region of the previous local damage (14) or untreated place (14') is subjected to a quality test.
  11. Method according to Claim 1, characterized in that the quality test takes place by means of nondestructive methods, in particular thermography or FSECT (Frequency Scanning Eddy Current Technique).
  12. Method according to either one of Claims 3 and 4, characterized in that masks (21, 23, 24) with a rounded or circular mask aperture (22) are used.
  13. Method according to one of Claims 1 to 12, characterized in that the coating is a heat insulation system which comprises a bonding layer (11) applied to the basic material (10) and a heat insulation layer (13) applied to the bonding layer (11).
  14. Method according to one of Claims 1 to 13, characterized in that the method is carried out on the spot on components (100, 200, 300) installed in a machine or on components (100, 200, 300) demounted from a machine, and in that small portable processing systems, in particular for cleaning and plasma spraying, are used for processing the local damage (14) or untreated place (14').
  15. Method according to one of Claims 1 to 14, characterized in that, first, the surface of the component (100, 200, 300) is examined for mechanical integrity, at least in regions which are at particular risk, by means of a nondestructive test method and in this case the areas to be repaired are identified and their extent is defined.
  16. Method according to Claim 15, characterized in that the nondestructive test method used is FSECT (Frequency Scanning Eddy Current Technique).
  17. Method according to Claim 2, characterized in that the angle of the slope in relation to the surface normal of the component (100, 200, 300) lies in the range of 30° to 75°.
  18. Method according to Claim 17, characterized in that the angle of the slope in relation to the surface normal of the component (100, 200, 300) amounts to 60°.
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