EP2032745A1 - Verfahren zum elektrochemischen entfernen einer metallischen beschichtung von einem bauteil - Google Patents

Verfahren zum elektrochemischen entfernen einer metallischen beschichtung von einem bauteil

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Publication number
EP2032745A1
EP2032745A1 EP07727199A EP07727199A EP2032745A1 EP 2032745 A1 EP2032745 A1 EP 2032745A1 EP 07727199 A EP07727199 A EP 07727199A EP 07727199 A EP07727199 A EP 07727199A EP 2032745 A1 EP2032745 A1 EP 2032745A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
turbine blade
current
electrochemical
coating
duty cycle
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Withdrawn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
EP07727199A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Jens Dahl Jensen
Ursus KRÜGER
Daniel Körtvelyessy
Ralph Reiche
Gabriele Winkler
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 EP07727199A priority Critical patent/EP2032745A1/de
Publication of EP2032745A1 publication Critical patent/EP2032745A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/005—Repairing methods or devices
    • 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
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T50/00—Aeronautics or air transport
    • Y02T50/60—Efficient propulsion technologies, e.g. for aircraft

Definitions

  • the invention relates to a method for electrochemical
  • the invention further relates to a method for removing a metallic coating from a turbine blade.
  • Protective coating systems for turbine blades are often formed at least in two layers, wherein as the first layer directly on the component an adhesive layer is applied, which in many cases has a composition of the type MCrAlX.
  • a thermal barrier coating On the surface of the adhesive layer is located as a second layer, a thermal barrier coating, for example based on ceramic.
  • the upper ceramic thermal barrier coating mechanically removed, for example by means of sand blasting.
  • the metallic adhesive layer is then removed from the surface of the component. This can be done by the use of electrochemical methods, wherein the turbine blade is immersed in an electrolyte solution and to the turbine blade and a likewise arranged in the electrolyte solution auxiliary electrode, a suitable voltage is applied.
  • the current is pulsed with a routine having a duty cycle of> 0% to ⁇ 100%, in particular from 20% to 80%, two current densities between 5mA / cm 2 to lOOOmA / cm 2 , in particular lOmA / cm 2 to 300mA / cm 2 and a frequency of 5Hz to 1000Hz, in particular 25Hz to 300Hz.
  • the pulsed current alternately has an upper current density and a lower current density, and thus does not fall back to zero.
  • the time in which the current has the upper current density within a pulse sequence is denoted by t as the plus duration, and the time in which the current passes through both current densities within a pulse sequence is denoted by T as the period duration.
  • the duty cycle is again the ratio of pulse duration and period t / T.
  • the duty cycle may be 25% to 75%, especially 50% to 75%.
  • the current densities can be in the range between 50 mA / cm 2 to 250 mA / cm 2 , in particular between 100 mA / cm 2 to 200 mA / cm 2 and in particular between 150 mA / cm 2 to 200 mA / cm 2 . It has also been shown that the frequency should be in the range between 50 Hz to 275 Hz, in particular between 150 Hz to 275 Hz.
  • Turbine blade coatings have proven to be advantageous in the following power routines: duty cycle 50%, current densities 100 mA / cm 2 and 150 mA / cm 2 and frequency 150 Hz; Duty cycle 75%, current densities lOOmA / cm 2 and 150mA / cm 2 and frequency 250Hz; Duty cycle 75%, current densities 150mA / cm 2 and 200mA / cm 2 and frequency 50Hz and duty cycle 50%, current densities 150mA / cm 2 and 200mA / cm 2 and frequency 250Hz.
  • the following power routines duty cycle 50%, current densities 100 mA / cm 2 and 150 mA / cm 2 and frequency 150 Hz; Duty cycle 75%, current densities lOOmA / cm 2 and 150mA / cm 2 and frequency 250Hz; Duty cycle 75%, current densities 150mA / cm 2 and 200mA / cm 2 and frequency 50Hz and duty cycle 50%, current densities 150mA / cm 2 and 200mA
  • Electrolytic solution contain or consist of an inorganic or an organic acid or an inorganic or organic base or a mixture of inorganic and organic acids and bases.
  • HCl is suitable as acid, with a concentration of less than 20% by weight, especially less than 10% by weight and in particular less than 6% by weight of HCl in the electrolyte solution being advantageous.
  • the electrolyte solution contains an alkanolamine compound or a salt containing this compound as an inhibitor.
  • Triethanolamine or one of its salts has proved to be a particularly suitable inhibitor.
  • the protection can also be increased if, in addition, further inhibitors such as carboxylic acids and / or aldehyde compounds and / or unsaturated alcohols are contained in the electrolyte solution.
  • At least one mechanical cleaning step may be provided by sandblasting, for example, immediately after the electrochemical
  • Stripping step can be carried out to remove any remaining residues of the coating. It has proved to be advantageous if an insoluble MCrAlX mass per area of the device in the range of 30mg / cm 2 to 160 mg / cm 2 is removed at the sand blasting. In this case, a rapid layer removal takes place without damaging the component.
  • a further electrochemical decoating step with direct current may be provided in the cleaning method.
  • another electrochemical stripping step may be performed with another pulsed current.
  • the duty cycle of the further pulsed current may be higher than the duty cycle of the first pulsed current for the first stripping step. In particular, it can be at least 20% higher.
  • the further pulsed current may have a duty cycle of 50-99%, two currents between 0, lmA / cm 2 and 30mA / cm 2 and a frequency of 10 ⁇ 2 Hz to 100 Hz.
  • the duty cycle of the further pulsed current may be 75-99%, more preferably 95-99%.
  • the two current levels of the further pulsed current may be between 0.5mA / cm 2 and 20mA / cm 2 and preferably between 1 mA / cm 2 and 16mA / cm 2 .
  • the frequency of the further pulsed current may be between 10 ⁇ 2 - 1 Hz and preferably between 10 ⁇ 2 - 10 "1 Hz.
  • Stripping step for a period of 1 - 60 minutes, and preferably for a period of 5 - 20 minutes are performed.
  • the additional pulsed current according to a particularly preferred embodiment, a duty cycle of 99%, two current densities between LMA / cm 2 and 16mA / cm 2 and have a frequency of 10 -2 Hz, and the further Electrochemical Enthusungs Republic can use this stream in particular 8 minutes be performed.
  • Turbine blades is suitable. These often have as a metallic coating an MCrAlX layer, wherein M is selected from the group Fe, Co and / or Ni and X is selected from the group Y, La or rare earths. It has been found that these layers can be removed quickly and completely by the method according to the invention.
  • An embodiment of this aspect of the invention provides for covering areas within the turbine blade. This way, especially interior-sensitized areas can be protected from damage. For covering wax can be used in particular, since this can be easily removed without residue by burning out.
  • Corundum can be used as blasting material. This may have a mesh size of 46 mesh or less.
  • the first jet step can be carried out with a maximum jet pressure of 5 bar and all other jet steps with a maximum jet pressure of max. 3 bar. This ensures that a sufficiently large proportion the metallic coating is removed without damaging the turbine blade itself.
  • Wax is particularly suitable here as it can be removed easily and without residue by burnout.
  • HCl can be used as the electrolyte solution.
  • concentration of HCl may be less than 20% by weight, especially less than 10% by weight and in particular less than 6% by weight.
  • the main electrochemical decoating step may be carried out by a method according to any one of claims 1 to 8. It is advantageous that parts of the metallic coating are removed quickly and without damaging the turbine blade. Alternatively, in the electrochemical
  • the duration of the electrochemical stripping step can be a maximum of 60 minutes.
  • a further embodiment of this aspect of the invention provides that in the electrochemical post-stripping step, a pulsed current is passed through the turbine blade and the auxiliary electrode.
  • a direct current can be used.
  • the electrochemical post-stripping step can be carried out for a maximum of 30 minutes.
  • the turbine blade may be at a temperature in the range of 500-700 0 C, are heat tinted in particular 550-650 0 C, in order to check whether the coating has been completely removed. It can also be heat-treated for 20-40 minutes, especially for 30 minutes.
  • any existing residues of the metallic coating can be removed by grinding.
  • the turbine blade can be marked after removal of the coating.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating a first routine pulsed current.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating a second routine pulsed current.
  • FIG. 4 shows a flow diagram of a method according to the invention for removing a metallic one
  • FIG. 5 shows a gas turbine
  • FIG. 7 shows a combustion chamber
  • FIG. 1 shows a device for carrying out the method according to the invention.
  • the device consists of an electrolyte container 1, which is filled with an electrolyte solution 2, wherein it is preferably an aqueous 4 wt .-% to 6 wt .-% HCl solution, which additionally contains, for example, triethanolamine as an inhibitor ,
  • an auxiliary electrode 3 and a turbine blade 4 which has on its surface a MCrAlX coating dipped.
  • the auxiliary electrode 3 and the component 4 are electrically conductively connected to a generator 5.
  • coatings to free a mechanically applied on the MCrAlX layer thermal barrier coating in a first step. This can preferably be done by sand or water jets or dry ice blasting.
  • the turbine blade 4 is still activity-blasted, ie subjected to a mechanical treatment of the surface, in particular by sandblasting.
  • the now only with the MCrAlX layer provided turbine blade 4 is immersed in the electrolyte solution 2 until the McrAlX layer is completely in contact with the electrolyte solution 2 and electrically connected to the generator 5.
  • the generator 5 then conducts a pulsed current through the auxiliary electrode 3 and the turbine blade 4 during the electrochemical removal of the MCrAlX layer.
  • the pulsed current is characterized by a duty cycle of> 10% to ⁇ 90%, two current densities between 5mA / cm 2 to lOOOmA / cm 2 and a frequency of 5Hz to 1000Hz.
  • FIG. 2 shows a diagram of such a pulsed current.
  • t the pulse duration, i. the time in which the current has the upper current density
  • T the period in which the current once passes through the upper and lower current density.
  • the ratio of pulse duration and duration of the duration gives the duty cycle.
  • the pulsed current shown in Figure 2 has an upper current density of 150mA / cm 2 and a lower current density of 50mA / cm 2 and its duty cycle is 50%.
  • Turbine blade 4 has been detached, the power is turned off and the turbine blade 4 is removed from the electrolyte solution 2.
  • a mechanical cleaning step is first carried out by sand blasting.
  • This is insoluble MCrAlX mass per area the turbine blade 4 in the range of 30mg / cm 2 to 160mg / cm 2 removed, wherein it has proved to be advantageous if the amount of 30mg / cm 2 to 70mg / cm 2 , in particular 34mg / cm 2 to 51mg / cm 2 .
  • the pulsed electrochemical stripping process can be interrupted to sandblast the turbine blade 4.
  • the pulsed electrochemical Enthusungsvon is not interrupted. After removal from the electrolyte solution 2, a cleaning, especially in a liquid, in particular in water can also be carried out.
  • Tables 1 and 2 show feature combinations that have been tested for their suitability and each show good results.
  • another electrochemical stripping step can be carried out with direct current.
  • the arrangement shown in FIG. 1 can be used for this purpose if the generator 5 is also designed to supply a corresponding direct current to the
  • Turbine blade 4 is attacked even in their base material. As a process time in particular 8 minutes are suitable.
  • another electrochemical stripping step may be performed with a pulsed current.
  • This pulsed current may, for example, have a duty cycle of 99%, two current intensities between 1 mA / cm 2 to 16 mA / cm 2 and a frequency of 10 ⁇ 2 Hz.
  • FIG. 3 shows such a pulsed current having a lower current density of 5 mA / cm 3 , an upper current density of 10 mA / cm 3 and a duty cycle of 80%.
  • the method according to the invention may preferably include the following steps:
  • Second electrochemical stripping with a further pulsed current (eg with a duty cycle of 99%, two current strengths between 1 mA / cm 2 to 16 mA / cm 2 and a frequency of 10 2 Hz for about 8 minutes)
  • first electrochemical stripping with a pulsed current 3.
  • second electrochemical stripping with direct current eg approx. 16mA / cm 2 for approx. 8 minutes
  • Activity beams in particular sand blasting 2.
  • First electrochemical stripping with a pulsed current 3.
  • Sand blasting 4.
  • second electrochemical stripping with direct current eg approx. 16mA / cm 2 for approx. 8 minutes
  • FIG. 4 illustrates in the form of a flow chart a method according to the invention for removing a metallic coating from a turbine blade.
  • a method for removing a metallic coating from a turbine blade.
  • first an aluminized region located within the turbine blade is masked with wax.
  • a cap is placed on the blade root of the turbine blade.
  • the turbine blade is blasted in the area of the coating with a blasting material, wherein the blasting material may be corundum with a grain size of 46 mesh or less.
  • the jet pressure in this first jet step is a maximum of 5 bar.
  • the cap protects the blade root from the impact of blasting material.
  • the cap is removed again.
  • external parts of the turbine blade may be further masked with wax prior to the subsequent electrochemical stripping step to protect it from unwanted electrochemical attack.
  • the turbine blade is dipped in the area of the coating in an aqueous electrolyte solution containing 6% by weight of HCl. It is particularly important that the blade root does not come into contact with the electrolyte solution.
  • the metal ion concentration, in particular the iron ion concentration is monitored in the electrolyte solution and at too high a value, for example, a Fe ion concentration greater than 100 ppm, the electrolyte solution is replaced.
  • the current conducted through the turbine blade and the auxiliary electrode is here pulsed with a routine and may for example have two currents in the range between 5-1000 mA / cm 2 , a duty cycle of> 10% and ⁇ 90% and a frequency of 5-1000 Hz , Alternatively, but also a
  • Electrolyte solution removed and the blade root is covered in the manner described above again with the cap. Then, a second blasting step with corundum mesh size 46 or less takes place, wherein here and in all other beam steps, the jet pressure is a maximum of 3 bar.
  • the cap is removed again and the masks applied externally on the turbine blade are checked and renewed if necessary.
  • Post-stripping step performed.
  • the procedure is analogous to the electrochemical main layering step, in which case a pulsed current is passed through the turbine blade and the auxiliary electrode for a maximum of 30 minutes which has two densities of 5 mA / cm 2 and 10 mA / cm 2 and a duty cycle of 80%.
  • the temperature of the aqueous HCl-containing Elektoyltaria should not exceed 25 0 C and the process duration should be less than 30 minutes.
  • a direct current can also be used.
  • a third blasting step is performed.
  • the blade root is covered and the same beam parameters as described above are used.
  • the inner and outer masks are removed by burning out the wax.
  • a further blasting step is carried out analogously to the third blasting step.
  • the turbine blade for 20-40 minutes is heat tinted at 500-700 0 C.
  • a uniform blue coloration of the stratified surface indicates complete removal of the coating.
  • any remains of the coating are found during heat-treatment, they can optionally be removed by grinding.
  • the turbine blade can be marked, wherein in particular for each performed EntSchichtung a corresponding mark can be attached. This ensures that the maximum permissible number of stratifications is not exceeded.
  • 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 with a shaft 101, which is also referred to as a turbine runner.
  • an intake housing 104 a compressor 105, for example, a toroidal combustion chamber 110, in particular annular combustion chamber, with a plurality of coaxially arranged burners 107, a turbine 108 and the exhaust housing 109th
  • a compressor 105 for example, a toroidal combustion chamber 110, in particular annular combustion chamber, with a plurality of coaxially arranged burners 107, a turbine 108 and the exhaust housing 109th
  • the annular combustion chamber 110 communicates with an annular annular hot gas channel 111, for example.
  • annular annular hot gas channel 111 for example.
  • turbine stages 112 connected in series form the turbine 108.
  • Each turbine blade 112 is formed, for example, from two blade rings.
  • 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.
  • air 105 is sucked in and compressed by the compressor 105 through the intake housing 104.
  • the compressed air provided at the turbine end of the compressor is fed to the burners 107 where it is mixed with a fuel.
  • the mixture is then burned to form the working fluid 113 in the combustion chamber 110. From there it flows
  • Working medium 113 along the hot gas channel 111 past the guide vanes 130 and the blades 120.
  • the working medium 113 relaxes momentum transmitting, so that the blades 120 drive the rotor 103 and this coupled to him working machine.
  • the components exposed to the hot working medium 113 are subject to thermal loads during operation of the gas turbine 100.
  • Blades 120 of the first turbine stage 112 seen in the direction of flow of the working medium 113 are subjected to the greatest thermal stress in addition to the heat shield elements lining the annular combustion chamber 110.
  • substrates of the components can have a directional structure, ie they are monocrystalline (SX structure) or have only longitudinal grains (DS structure).
  • Turbine blades 120, 130 and components of the combustion chamber 110 are used, for example, iron-, nickel- or cobalt-based superalloys.
  • Such superalloys are known, for example, from EP 1 204 776 B1, EP 1 306 454, EP 1 319 729 A1, WO 99/67435 or WO 00/44949; These writings are part of the disclosure regarding the chemical composition of the alloy.
  • blades 120, 130 may be anti-corrosion coatings (MCrAlX; M is at least one member of the group
  • Iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni), X is an active element and stands for yttrium (Y) and / or silicon, sc Scanium (Sc) and / or at least one element of the rare earths or
  • MCrAlX can still be a thermal barrier layer is present, and consists in game swei se from ZrO 2 , Y 2 O 3 -ZrO 2 , d. H . It is not, partially or completely stabilized by
  • Yttrium oxide and / or calcium oxide and / or magnesium oxide are Yttrium oxide and / or calcium oxide and / or magnesium oxide.
  • Electron beam evaporators e.g. Electron beam evaporators (EB-PVD) are produced stalk-shaped grains in the thermal barrier coating.
  • the vane 130 has a guide vane foot (not shown here) facing the inner housing 138 of the turbine 108 and a vane head opposite the vane foot.
  • the vane head faces the rotor 103 and fixed to a mounting ring 140 of the stator 143.
  • FIG. 6 shows a perspective view of a moving blade 120 or guide blade 130 of a turbomachine that extends along a longitudinal axis 121.
  • the turbomachine may be a gas turbine of an aircraft or a power plant for power generation, 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 adjacent thereto and an airfoil 406 and a blade tip 415.
  • the blade 130 may have at its blade tip 415 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.
  • Such superalloys are known, for example, from EP 1 204 776 B1, EP 1 306 454, EP 1 319 729 A1, WO 99/67435 or WO 00/44949 known; These documents are part of the disclosure regarding the chemical composition of the alloy.
  • 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.
  • 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.
  • Such monocrystalline workpieces takes place e.g. by directed solidification from the melt.
  • These are casting processes in which the liquid metallic alloy is transformed into a monocrystalline structure, i. to the single-crystal workpiece, or directionally solidified.
  • dendritic crystals are aligned along the heat flow and form either a columnar crystalline
  • Grain structure (columnar, i.e. grains which extend over the entire length of the workpiece and here, in common usage, are referred to as directionally solidified) or a monocrystalline structure, i. the whole workpiece consists of a single crystal.
  • directionally solidified i.e. grains which extend over the entire length of the workpiece and here, in common usage, are referred to as directionally solidified
  • monocrystalline structure i. the whole workpiece consists of a single crystal.
  • directionally solidified microstructures which means both single crystals that have no grain boundaries or at most small angle grain boundaries, and stem crystal structures that have probably longitudinal grain boundaries but no transverse grain boundaries.
  • stem crystal structures that have probably longitudinal grain boundaries but no transverse grain boundaries.
  • second-mentioned crystalline Structures are also called directionally solidified structures.
  • vanes 120, 130 may have coatings against corrosion or oxidation, e.g. (MCrAlX; M is at least one element of the group iron (Fe), cobalt (Co),
  • Nickel (Ni) is an active element and stands for yttrium (Y) and / or silicon and / or at least one element of the rare earths, or hafnium (Hf)).
  • Such alloys are known from EP 0 486 489 B1, EP 0 786 017 B1, EP 0 412 397 B1 or EP 1 306 454 A1, which relates to the chemical
  • Composition of the alloy should be part of this disclosure.
  • the density is preferably 95% of the theoretical density.
  • thermal barrier coating which is preferably the outermost layer, and consists for example of ZrO 2 , that is, it is not, partially or completely stabilized by yttria and / or calcium oxide and / or magnesium oxide.
  • the thermal barrier coating covers the entire MCrAlX layer.
  • suitable coating methods e.g. Electron beam evaporators (EB-PVD) earth stalk-shaped grains produced in the thermal barrier coating.
  • EB-PVD Electron beam evaporators
  • the Thermal barrier coating may have porous, micro or macro cracked grains for better thermal shock resistance.
  • the thermal barrier coating is therefore preferably more porous than the MCrAlX layer.
  • Refurbishment means that components 120, 130 may need to be deprotected after use (e.g., by sandblasting). Thereafter, removal of the corrosion and / or oxidation layers or products by the aforementioned method. Optionally, even cracks in the component 120, 130 are repaired. This is followed by 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.
  • the blade 120, 130 is to be cooled, it is hollow and may still film cooling holes 418 (indicated by dashed lines) on.
  • FIG. 7 shows a combustion chamber 110 of a gas turbine.
  • the combustion chamber 110 is designed, for example, as a so-called annular combustion chamber, in which a plurality of burners 107 arranged around a rotation axis 102 in the circumferential direction open into a common combustion chamber space 154, which generate flames 156.
  • the combustion chamber 110 is configured in its entirety as an annular structure, which is positioned around the axis of rotation 102 around.
  • the combustion chamber 110 is designed for a comparatively high temperature of the working medium M of about 1000 ° C. to 1600 ° C.
  • the combustion chamber wall 153 on its side facing the working medium M with a off Heat shield elements 155 formed inner lining provided.
  • Each heat shield element 155 made of an alloy is equipped on the working medium side with a particularly heat-resistant protective layer (MCrAlX layer and / or ceramic coating) or is made of high-temperature-resistant material (solid ceramic blocks).
  • M is at least one element of the group iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni), X is an active element and stands for yttrium (Y) and / or silicon and / or at least one element of the rare earths, or hafnium (Hf).
  • MCrAlX means: M is at least one element of the group iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni), X is an active element and stands for yttrium (Y) and / or silicon and / or at least one element of the rare earths, or hafnium (Hf).
  • Such alloys are known from EP 0 486 489 B1, EP 0 786 017 B1, EP 0 412 397 B1 or EP 1 306 454 A1, which should
  • Thermal insulation layer may be present and consists for example of ZrO 2 , Y 2 O 3 -ZrO 2 , that is, it is not, partially or completely stabilized by yttria and / or calcium oxide and / or magnesium oxide.
  • Electron beam evaporation produces stalk-shaped grains in the thermal barrier coating.
  • Other coating methods are conceivable, e.g. atmospheric plasma spraying (APS), LPPS, VPS or CVD.
  • the thermal barrier coating may have porous, micro- or macro-cracked grains for better thermal shock resistance.
  • Heat shield elements 155 may have to be freed of protective layers after their use (eg by sandblasting). This is followed by removal of the corrosion and / or oxidation layers or products. Possibly Cracks in the heat shield element 155 are also repaired. This is followed by a recoating of the heat shield elements 155 and a renewed use of the heat shield elements 155.
  • the heat shield elements 155 are then, for example, hollow and possibly still have cooling holes (not shown) which open into the combustion chamber space 154.

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Abstract

Verfahren zum elektrochemischen Entfernen einer metallischen Beschichtung von einem Bauteil Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum elektrochemischen Entfernen einer metallischen Beschichtung von einem Bauteil (4, 120, 130), bei dem das Bauteil (4, 120, 130) in eine Elektrolytlösung (2) getaucht wird und durch das Bauteil (4, 120, 130) und eine mit dem Elektrolyt (2) in Kontakt befindliche Hilfselektrode (3) ein Strom geleitet wird. Der Strom ist mit einer Routine gepulst, die einen Duty Cycle von > 10 bis < 90%, zwei Stromdichten zwischen 5mA/cm2 bis 1000mA/cm2 und eine Frequenz von 5Hz bis 1000Hz aufweist.

Description

Beschreibung
Verfahren zum elektrochemischen Entfernen einer metallischen Beschichtung von einem Bauteil
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum elektrochemischen
Entfernen einer metallischen Beschichtung von einem Bauteil, bei dem das Bauteil in eine Elektrolytlösung getaucht wird und durch das Bauteil und eine mit der Elektrolytlösung in Kontakt befindliche Hilfselektrode ein Strom geleitet wird. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Entfernen einer metallischen Beschichtung von einer Turbinenschaufel.
Viele Bauteile, die hohen Temperaturen und korrosiven Bedingungen ausgesetzt werden, sind heute teils mit mehrlagigen Schutzbeschichtungen versehen. Dies trifft u.a. auf Bauteile von Gasturbinen wie Turbinenschaufeln zu, die in korrosiven Umgebungen bei Temperaturen über 10000C eingesetzt werden. Aufgrund der extremen Belastung nutzen sich die Beschichtungen jedoch ab und müssen in regelmäßigen Abständen erneuert werden (Refurbishment ) . Dazu ist es nötig, zunächst die alten, beschädigten Schutzschichten vollständig von dem Bauteil zu entfernen, ohne dass dabei das Bauteil selbst beschädigt wird. Dieser Vorgang ist ein Teil des Refurbishment-Prozesses für Turbinenschaufeln.
Schutzbeschichtungssysteme für Turbinenschaufeln sind häufig zumindest zweilagig ausgebildet, wobei als erste Lage unmittelbar auf dem Bauteil eine Haftschicht aufgebracht ist, die in vielen Fällen eine Zusammensetzung des Typs MCrAlX hat. Auf der Oberfläche der Haftschicht befindet sich als zweite Lage eine Wärmedämmschicht, beispielsweise auf Keramikbasis. Um im Rahmen des Refurbishments eine Neubeschichtung einer entsprechenden Turbinenschaufel vornehmen zu können, wird zunächst in einem ersten Schritt die obere keramische Wärmedämmschicht mechanisch, etwa mit Hilfe von Sandstrahlen entfernt. In einem weiteren Schritt wird dann die metallische Haftschicht von der Oberfläche des Bauteils abgetragen. Dies kann durch den Einsatz elektrochemischer Verfahren geschehen, wobei die Turbinenschaufel in eine Elektrolytlösung getaucht wird und an die Turbinenschaufel und eine ebenfalls in der Elektrolytlösung angeordnete Hilfselektrode eine geeignete Spannung angelegt wird.
In der DE 102 59 365 Al ist beispielsweise eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Entfernen von metallischen Beschichtungen von der Oberfläche eines Bauteils mit Hilfe eines elektrochemischen Prozesses unter Einsatz von gepulstem Strom beschrieben.
Allerdings treten bei dem im Stand der Technik bekannten Verfahren verschiedene Probleme auf. So kann es einerseits bei der Verwendung von zu starken Strömen leicht zu einer
Beschädigung des Grundmaterials der Turbinenschaufel kommen und andererseits ist es ebenfalls möglich, dass im Laufe der Betriebszeit der Turbinenschaufel entstandene Verunreinigungen, beispielsweise in der Form komplexer kristalliner Verbindungen, nicht vollständig entfernt werden, was eine Neubeschichtung erschwert oder gar unmöglich macht.
Es ist deshalb eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum elektrochemischen Entfernen einer metallischen Beschichtung bereit zu stellen, bei dem einerseits ein zügiger und vollständiger Schichtabtrag, unter Einschluss von kristallinen Verunreinigungen stattfindet, es aber andererseits nicht zu einer Beschädigung des Grundmaterials des Bauteils kommt.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass der Strom mit einer Routine gepulst ist, die einen Duty Cycle von > 0% bis < 100%, insbesondere von 20% bis 80%, zwei Stromdichten zwischen 5mA/cm2 bis lOOOmA/cm2, insbesondere lOmA/cm2 bis 300mA/cm2 und eine Frequenz von 5Hz bis 1000Hz, insbesondere 25Hz bis 300Hz, aufweist.
Der gepulste Strom weist also alternierend eine obere Stromdichte und eine untere Stromdichte auf und fällt demzufolge nicht auf null zurück. Die Zeit, in welcher der Strom die obere Stromdichte innerhalb einer Pulsfolge aufweist, wird mit t als Plusdauer, und die Zeit, in der der Strom innerhalb einer Pulsfolge beide Stromdichten durchläuft, mit T als Periodendauer bezeichnet. Der Duty Cycle ist wiederum das Verhältnis von Pulsdauer und Periodendauer t/T.
Es hat sich gezeigt, dass durch die Verwendung eines gepulsten Stroms, der durch die oben genannten Parameter definiert ist, einerseits ein zügiger und vollständiger Schichtabtrag der metallischen Beschichtung erzielt und andererseits eine Beschädigung des Bauteils vermieden wird.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung kann der Duty Cycle 25% bis 75%, besonders 50% bis 75% betragen. Die Stromdichten können im Bereich zwischen 50mA/cm2 bis 250mA/cm2, insbesondere zwischen lOOmA/cm2 bis 200mA/cm2 und hier insbesondere zwischen 150mA/cm2 bis 200mA/cm2 liegen. Es hat sich außerdem gezeigt, dass die Frequenz im Bereich zwischen 50Hz bis 275Hz, insbesondere zwischen 150Hz bis 275Hz liegen sollte .
Insbesondere bei der Entfernung von metallischen
Beschichtungen von Turbinenschaufeln haben sich folgende Stromroutinen als vorteilhaft erwiesen: Duty Cycle 50%, Stromdichten lOOmA/cm2 und 150mA/cm2 und Frequenz 150Hz; Duty Cycle 75%, Stromdichten lOOmA/cm2 und 150mA/cm2 und Frequenz 250Hz; Duty Cycle 75%, Stromdichten 150mA/cm2 und 200mA/cm2 und Frequenz 50Hz und Duty Cycle 50%, Stromdichten 150mA/cm2 und 200mA/cm2 und Frequenz 250Hz. Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die
Elektrolytlösung eine anorganische oder eine organische Säure oder eine anorganische oder organische Base oder eine Mischung aus anorganischen und organischen Säuren und Basen enthalten bzw. daraus bestehen.
Als Säure ist beispielsweise HCl geeignet, wobei eine Konzentration von weniger als 20 Gew.-%, besonders weniger als 10 Gew.-% und insbesondere weniger als 6 Gew.-% HCl in der Elektrolytlösung vorteilhaft sind.
Es hat sich außerdem gezeigt, dass ein effektiver Schutz vor einem unbeabsichtigten Angriff auf das Grundmaterial des Bauteils erzielt werden kann, wenn die Elektrolytlösung eine Alkanolamin-Verbindung oder eine diese Verbindung enthaltenes Salz als Inhibitor enthält. Als besonders geeigneter Inhibitor hat sich dabei Triethanolamin oder eines seiner Salze erwiesen. Der Schutz kann außerdem erhöht werden, wenn zusätzlich weitere Inhibitoren wie Carbonsäuren und/oder Aldehydverbindungen und/oder ungesättigte Alkohole in der Elektrolytlösung enthalten sind.
In dem Verfahren kann zumindest ein mechanischer Reinigungsschritt durch Sandstrahlen vorgesehen sein, der beispielsweise unmittelbar nach dem elektrochemischen
Entschichtungsschritt durchgeführt werden kann, um eventuell noch anhaftende Reste der Beschichtung zu entfernen. Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn beim Sandstrahlen eine unlösliche MCrAlX-Masse pro Fläche des Bauteils im Bereich von 30mg/cm2 bis 160mg/cm2 abgetragen wird. In diesem Fall erfolgt ein zügiger Schichtabtrag, ohne dass es zu einer Beschädigung des Bauteils kommt.
Gemäß einer Ausführungsform kann in dem Reinigungsverfahren ein weiterer elektrochemischer Entschichtungsschritt mit Gleichstrom vorgesehen sein. Alternativ kann auch ein weiterer elektrochemischer Entschichtungsschritt mit einem weiteren gepulsten Strom durchgeführt werden.
Vorteilhafterweise kann dabei der Duty Cycle des weiteren gepulsten Stroms höher als der Duty Cycle des ersten gepulsten Stroms für den ersten Entschichtungsschritt sein. Insbesondere kann er mindestens 20% höher sein.
Der weitere gepulste Strom kann einen Duty Cycle von 50 - 99%, zwei Stromstärken zwischen 0,lmA/cm2 und 30mA/cm2 und eine Frequenz von 10~2 Hz bis 100 Hz aufweisen. Der Duty Cycle des weiteren gepulsten Stroms kann 75 - 99%, besonders bevorzugt 95 - 99% betragen. Die zwei Stromstärken des weiteren gepulsten Stroms können zwischen 0,5mA/cm2 und 20mA/cm2 und bevorzugt zwischen 1 mA/cm2 und 16mA/cm2 betragen. Die Frequenz des weiteren gepulsten Stroms kann zwischen 10~2 - 1 Hz und bevorzugt zwischen 10~2 - 10"1 Hz betragen .
Außerdem kann der weitere elektrochemische
Entschichtungsschritt für eine Zeitdauer von 1 - 60 Minuten und bevorzugt für eine Zeitdauer von 5 - 20 Minuten durchgeführt werden. Der zusätzliche gepulste Strom kann gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform einen Duty Cycle von 99%, zwei Stromdichten zwischen lmA/cm2 und 16mA/cm2 und eine Frequenz von 10~2 Hz aufweisen und der weitere elekrochemische Entschichtungsschritt kann mit diesem Strom insbesondere 8 Minuten durchgeführt werden.
Wenn der weitere elektrochemische Entschichtungsschritt direkt nach dem zuvor beschriebenen Sandstrahlen durchgeführt wird, können auf diese Weise immer noch auf dem Bauteil vorhandene geringste Reste der metallischen Beschichtung entfernt werden. Vorteilhafterweise ist dabei eine unbeabsichtigte Beschädigung des Bauteils aufgrund der geringen Aggressivität des Verfahrensschritts ausgeschlossen. Nach diesem Verfahrensschritt kann erneut eine Sandstrahlung vorgenommen werden.
Versuche haben gezeigt, dass das erfindungsgemäße Verfahren insbesondere für Bauteile von Gasturbinen wie
Turbinenschaufeln geeignet ist. Diese weisen häufig als metallische Beschichtung eine MCrAlX-Schicht auf, wobei M aus der Gruppe Fe, Co und/oder Ni und X aus der Gruppe Y, La oder Seltene Erden ausgewählt ist, auf. Es hat sich gezeigt, dass diese Schichten schnell und vollständig durch das erfindungsgemäße Verfahren entfernt werden können.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Entfernen einer metallischen Beschichtung von einer Turbinenschaufel mit den Merkmalen des Anspruch 34 bereitgestellt .
Eine Ausführungsform dieses Aspektes der Erfindung sieht vor, dass innerhalb der Turbinenschaufel liegende Bereiche abgedeckt werden. So können besonders innenalitierte Bereiche vor einer Beschädigung geschützt werden. Zum Abdecken kann insbesondere Wachs verwendet werden, da dieses leicht rückstandsfrei durch Ausbrennen entfernt werden kann.
Es ist ebenfalls möglich vor dem Strahlen den Schaufelfuß der Turbinenschaufel mit einer Kappe abzudecken. Auf diese Weise wird der Schaufelfuß vor dem Aufprall von Strahlgut geschützt. Nach dem Strahlen wird die Kappe wieder entfernt, so dass sie bei der weiteren Bearbeitung nicht stört.
Als Strahlgut kann Korund verwendet werden. Dieses kann eine Körngröße von mesh 46 oder weniger aufweisen.
Der erste Strahlschritt kann mit einem maximalen Strahldruck von 5 bar und alle weiteren Strahlschritte mit einem maximalen Strahldruck von maximal 3 bar durchgeführt werden. Damit wird sichergestellt, dass ein genügend großer Anteil der metallischen Beschichtung abgetragen wird, ohne dass die Turbinenschaufel selbst beschädigt wird.
Äußere Bereiche der Turbinenschaufel können abgedeckt werden, um eine Beschädigung zu verhindern. Hier eignet sich insbesondere Wachs, da diese leicht und rückstandsfrei durch Ausbrennen entfernt werden kann.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform dieses Aspektes der Erfindung ist vorgesehen, die Turbinenschaufel im
Hauptentschichtungsschritt und im Nachentschichtungsschritt im Bereich der Beschichtung in eine Elektrolytlösung zu tauchen. Dann wird durch die Turbinenschaufel, welche als Anode geschaltet ist, und eine mit der Elektrolytlösung in Kontakt stehende Hilfelektrode ein Strom geleitet.
Als Elektrolytlösung kann HCl verwendet werden. Die Konzentration der HCl kann weniger als 20 Gew.-%, besonders weniger als 10 Gew.-% und insbesondere weniger als 6 Gew.-% betragen.
Der Hauptentschichtungsschritt und der
Nachentschichtungsschritt können bei einer Temperatur der Elektrolytlösung im Bereich von 15-250C, insbesondere im Bereich von 18-220C durchgeführt werden.
Es ist ebenfalls möglich die Metallionenkonzentration in der Elektrolytlösung zu überwachen, um bei einer zu hohen Konzentration die Elektolytlösung auszutauschen. Dies gilt insbesondere bei einer Eisenionenkonzentration > 100 ppm.
Der elektrochemische Hauptentschichtungsschritt kann mit einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8 durchgeführt werden. Hierbei ist vorteilhaft, dass Teile der metallischen Beschichtung schnell und ohne Beschädigung der Turbinenschaufel abgetragen werden. Alternativ kann bei dem elektrochemischen
Hauptentschichtungsschritt durch die Turbinenschaufel und die Hilfs- elektrode ein Gleichstrom geleitet werden.
Die Dauer des elektrochemischen Entschichtungsschrittes kann maximal 60 Minuten betragen.
Eine weitere Ausführungsform dieses Aspektes der Erfindung sieht vor, dass bei dem elektrochemischen Nachentschichtungsschritt ein gepulster Strom durch die Turbinenschaufel und die Hilfselektrode geleitet wird. Alternativ kann auch ein Gleichstrom verwendet werden.
Der elektrochemische Nachentschichtungsschritt kann für eine Dauer von maximal 30 Minuten durchgeführt werden.
Die Turbinenschaufel kann bei einer Temperatur im Bereich von 500-7000C, insbesondere von 550-6500C wärmegetönt werden, um zu überprüfen, ob die Beschichtung vollständig entfernt wurde. Sie kann auch für 20-40 Minuten, insbesondere für 30 Minuten wärmegetönt werden.
Eventuell vorhandene Reste der metallischen Beschichtung können durch Schleifen entfernt werden. Außerdem kann die Turbinenschaufel nach der Entfernung der Beschichtung gekennzeichnet werden.
Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 eine Einrichtung für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens in schematischer Darstellung,
Figur 2 ein Diagramm, das einen ersten mit einer Routine gepulsten Strom veranschaulicht, Figur 3 ein Diagramm, das einen zweiten mit einer Routine gepulsten Strom veranschaulicht,
Figur 4 ein Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahren zum Entfernen einer metallischen
Beschichtung von einer Turbinenschaufel,
Figur 5 eine Gasturbine,
Figur 6 eine Turbinenschaufel, und
Figur 7 eine Brennkammer.
In der Figur 1 ist erst eine Vorrichtung für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahren gezeigt.
Die Vorrichtung besteht aus einem Elektrolytbehälter 1, der mit einer Elektrolytlösung 2 gefüllt ist, wobei es sich hier bevorzugt um eine wässrige 4 Gew.-%ige bis 6 Gew.-%ige HCl- Lösung handelt, die zusätzlich zum Beispiel Triethanolamin als Inhibitor enthält. In die Elektrolytlösung 2 sind eine Hilfselektrode 3 und eine Turbinenschaufel 4, welche auf ihrer Oberfläche eine MCrAlX-Beschichtung aufweist, eingetaucht. Die Hilfselektrode 3 und das Bauteil 4 sind elektrisch leitend mit einem Generator 5 verbunden.
Um die Turbinenschaufel 4 etwa im Rahmen der
Wiederaufbereitung von Beschichtungen (Beschichtungsmasse) zu befreien, wird in einem ersten Schritt eine eventuell auf der MCrAlX-Schicht aufgebrachte Wärmedämmschicht mechanisch entfernt. Dies kann vorzugsweise durch Sand- oder Wasserstrahlen oder Trockeneisbestrahlen erfolgen.
Anschließend kann die Turbinenschaufel 4 noch aktivitätsgestrahlt , d.h. einer mechanischen Behandlung der Oberfläche, insbesondere durch Sandstrahlen unterzogen werden . Die jetzt nur noch mit der MCrAlX-Schicht versehene Turbinenschaufel 4 wird in die Elektrolytlösung 2 eingetaucht bis die McrAlX-Schicht vollständig mit der Elektrolytlösung 2 im Kontakt steht und elektrisch leitend mit dem Generator 5 verbunden.
Der Generator 5 leitet anschließend während der elektrochemischen Entfernung der MCrAlX-Schicht einen gepulsten Strom durch die Hilfselektrode 3 und die Turbinenschaufel 4.
Der gepulste Strom ist dabei durch einen Duty Cycle von > 10% bis < 90%, zwei Stromdichten zwischen 5mA/cm2 bis lOOOmA/cm2 und eine Frequenz von 5Hz bis 1000Hz charakterisiert.
Die Figur 2 zeigt ein Diagramm eines derartigen gepulsten Stroms. In dem Diagramm ist mit t die Pulsdauer, d.h. die Zeit in welcher der Strom die obere Stromdichte aufweist, und mit T die Periodendauer in der der Strom einmal die obere und einmal die untere Stromdichte durchläuft, bezeichnet. Die
Dauer der so erzeugten Pulse ist durch die Frequenz l/T = f bestimmt. Das Verhältnis aus Pulsdauer und Peridendauer ergibt den Duty Cycle.
Der in der Figur 2 gezeigte gepulste Strom weist eine obere Stromdichten von 150mA/cm2 und eine untere Stromdichte von 50mA/cm2 auf und sein Duty Cycle beträgt 50%.
Nachdem die MCrAlX-Schicht durch den elktrochemischen Entschichtungsschritt nahezu vollständig von der
Turbinenschaufel 4 abgelöst worden ist, wird der Strom abgeschaltet und die Turbinenschaufel 4 aus der Elektrolytlösung 2 entfernt.
Um eventuell noch auf der Turbinenschaufel 4 vorhandene Reste der Beschichtung zu entfernen, wird vorzugsweise zunächst ein mechanischer Reinigungsschritt durch Sandstrahlen durchgeführt. Dabei wird unlösliche MCrAlX-Masse pro Fläche der Turbinenschaufel 4 im Bereich von 30mg/cm2 bis 160mg/cm2 entfernt, wobei es sich als vorteilhaft erwiesen hat, wenn die Menge 30mg/cm2 bis 70mg/cm2, insbesondere 34mg/cm2 bis 51mg/cm2 beträgt.
Ebenso kann das gepulste elektrochemische Entschichtungsverfahren unterbrochen werden, um die Turbinenschaufel 4 sandzustrahlen.
Bevorzugt wird das gepulste elektrochemische Entschichtungsverfahren nicht unterbrochen. Nach dem Entfernen aus der Elektrolytlösung 2 kann auch eine Säuberung, besonders in einer Flüssigkeit, insbesondere in Wasser erfolgen.
Die Tabellen 1 und 2 zeigen Merkmalskombinationen, die auf ihre Eignung untersucht wurden und jeweils gute Ergebnisse zeigen .
Tabelle 1
Tabe l le 2
Es hat sich gezeigt, dass insbesondere mit den Merkmalskombinationen 2, 3, 5, 7, 8 und 9 eine hohe Abtragungsrate für Beschichtungen erzielt werden kann.
Im Anschluss an das erste Sandstrahlen und/oder nach dem elektrochemischen Entschichtungsschritt kann noch ein weiterer elektrochemischer Entschichtungsschritt mit Gleichstrom durchgeführt werden.
Grundsätzlich kann dafür die in der Figur 1 gezeigte Anordnung verwendet werden, wenn der Generator 5 auch dazu ausgelegt ist, einen entsprechenden Gleichstrom an die
Hilfselektrode 3 und die Turbinenschaufel 4 abzugeben. Es hat sich dabei gezeigt, dass insbesondere ein Gleichstrom mit ca. 16mA/cm2 gute Ergebnisse liefert, da hierdurch noch immer auf der Oberfläche der Turbinenschaufel 4 vorhandene Reste der Beschichtung schonend entfernt werden können, ohne dass die
Turbinenschaufel 4 selbst in ihrem Grundwerkstoff angegriffen wird. Als Prozessdauer sind insbesondere 8 Minuten geeignet.
Alternativ kann auch ein weiterer elektrochemischer Entschichtungsschritt mit einem gepulsten Strom durchgeführt werden. Dieser gepulste Strom kann beispielsweise einen Duty Cycle von 99%, zwei Stromstärken zwischen lmA/cm2 bis 16mA/cm2 und einer Frequenz von 10~2 Hz aufweisen. In der Figur 3 ist eine derartiger gepulster Strom gezeigt, der eine untere Stromdichten von 5mA/cm3, eine obere Stromdichte von lOmA/cm3 und einen Dutycycle von 80% aufweist .
Es hat sich weiterhin gezeigt, dass als Prozessdauer für den weiteren elektrochemischen Entschichtungsschritt mit dem gepulsten Strom insbesondere 8 Minuten geeignet sind.
Durch diesen weiteren elektrochemischen Entschichtungsschritt mit dem gepulsten Strom werden immer noch auf der Oberfläche der Turbinenschaufel 4 vorhandene Reste der Beschichtung schonend entfernt, ohne das die Turbinenschaufel 4 selbst in ihrem Grundwerkstoff angegriffen wird.
Zuletzt können noch zwei abschließende Verfahrensschritte durchgeführt werden, nämlich ein weiteres Sandstrahlen und Wärmetönen (Heat Tint) .
Damit kann das erfindungsgemäße Verfahren vorzugsweise die folgenden Schritte beinhalten:
1. Entfernung der TBC-Schicht
2. Aktivitätsstrahlen, insbesondere Sandstrahlen 3. erstes elektrochemisches Entschichten mit einem gepulsten Strom
4. erstes Sandstrahlen
5. zweites elektrochemisches Entschichten mit Gleichstrom (z.B. ca. 16mA/cm2 für ca. 8 Minuten) 6. zweites Sandstrahlen 7. Wärmetönen
oder
1. Entfernung der TBC-Schicht
2. Aktivitätsstrahlen, insbesondere Sandstrahlen
3. erstes elektrochemisches Entschichten mit einem gepulsten Strom 4. erstes Sandstrahlen
5. zweites elektrochemisches Entschichten mit einem weiteren gepulsten Strom (z.B. mit einem Duty Cycle von
99%, zwei Stromstärken zwischen lmA/cm2 bis 16mA/cm2 und einer Frequenz von ICT2 Hz für ca. 8 Minuten)
6. zweites Sandstrahlen
7. Wärmetönen oder
1. elektrochemisches Entschichten mit einem gepulsten Strom
oder
1. Aktivitätsstrahlen, insbesondere Sandstrahlen 2. elektrochemisches Entschichten mit einem gepulsten Strom
oder
1. erstes elektrochemisches Entschichten mit einem gepulsten Strom
2. zweites elektrochemisches Entschichten mit Gleichstrom (z.B. ca. 16mA/cm2 für ca. 8 Minuten)
oder
1. erstes elektrochemisches Entschichten mit einem gepulsten Strom
2. zweites elektrochemisches Entschichten mit einem weiteren gepulsten Strom (z.B. mit einem Duty Cycle von 99%, zwei Stromstärken zwischen lmA/cm2 bis 16mA/cm2 und einer Frequenz von 10~2 Hz für ca. 8 Minuten)
oder
1. Aktivitätsstrahlen, insbesondere Sandstrahlen
2. erstes elektrochemisches Entschichten mit einem gepulsten Strom 3. zweites elektrochemisches Entschichten mit Gleichstrom (z.B. ca. 16mA/cm2 für ca. 8 Minuten)
oder
1. Aktivitätsstrahlen, insbesondere Sandstrahlen
2. erstes elektrochemisches Entschichten mit einem gepulsten Strom
3. zweites elektrochemisches Entschichten mit einem weiteren gepulsten Strom (z.B. mit einem Duty Cycle von 99%, zwei Stromdichten zwischen lmA/cm2 bis 16mA/cm2 und einer Frequenz von ICT2 Hz für ca. 8 Minuten)
oder
1. erstes elektrochemisches Entschichten mit einem gepulsten Strom
2. Sandstrahlen
3. zweites elektrochemisches Entschichten mit Gleichstrom (z.B. ca. 16mA/cm2 für ca. 8 Minuten)
oder
1. erstes elektrochemisches Entschichten mit einem gepulsten Strom
2. Sandstrahlen
3. zweites elektrochemisches Entschichten mit einem weiteren gepulsten Strom (z.B. mit einem Duty Cycle von 99%, zwei Stromstärken zwischen lmA/cm2 bis 16mA/cm2 und einer Frequenz von 10~2 Hz für ca. 8 Minuten)
oder
1. Aktivitätsstrahlen, insbesondere Sandstrahlen 2. erstes elektrochemisches Entschichten mit einem gepulsten Strom 3. Sandstrahlen 4. zweites elektrochemisches Entschichten mit Gleichstrom (z.B. ca. 16mA/cm2 für ca. 8 Minuten)
oder
1. Aktivitätsstrahlen, insbesondere Sandstrahlen
2. erstes elektrochemisches Entschichten mit einem gepulsten Strom
3. Sandstrahlen 4. zweites elektrochemisches Entschichten mit einem weiteren gepulsten Strom (z.B. mit einem Duty Cycle von
99%%,, zwei Stromdichten zwischen lmA/cm2 bis 16mA/cm2 und einer Frequenz von 102 Hz für ca. 8 Minuten]
oder
1. erstes elektrochemisches Entschichten mit einem gepulsten Strom
2. erstes Sandstrahlen 3. zweites elektrochemisches Entschichten mit Gleichstrom
(z.B. ca. 16mA/cm2 für ca. 8 Minuten) 4. zweites Sandstrahlen.
oder
1. erstes elektrochemisches Entschichten mit einem gepulsten Strom
2. erstes Sandstrahlen
3. zweites elektrochemisches Entschichten mit einem weiteren gepulsten Strom (z.B. mit einem Duty Cycle von 99%, zwei Stromdichten zwischen lmA/cm2 bis 16mA/cm2 und einer Frequenz von 10~2 Hz für ca. 8 Minuten)
Die Figur 4 illustriert in Form eines Ablaufdiagramms ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Entfernen einer metallischen Beschichtung von einer Turbinenschaufel. Bei dem Verfahren wird zunächst ein innerhalb der Turbinenschaufel liegender alitierter Bereich mit Wachs maskiert. Anschlißend wird auf den Schaufelfuß der Turbinenschaufel eine Kappe aufgesetzt. Dann wird die Turbinenschaufel im Bereich der Beschichtung mit einem Strahlgut gestrahlt, wobei es sich bei dem Strahlgut um Korund mit einer Körnung von 46 mesh oder weniger handeln kann. Der Strahldruck bei diesem ersten Strahlschritt beträgt maximal 5 bar. Beim Strahlen schützt die Kappe den Schaufelfuß vor dem Aufprall von Strahlgut. Nach dem Ende des ersten Strahlschrittes wird die Kappe wieder entfernt.
Vor dem nachfolgenden elektrochemischen Entschichtungsschritt können gegebenenfalls außen liegende Teile der Turbinenschaufel zusätzlich mit Wachs maskiert werden, um sie vor einem unerwünschten elektrochemischen Angriff zu schützen .
Um den elktrochemischen Hauptentschichtungsschritt durchzuführen, wird die Turbinenschaufel im Bereich der Beschichtung in eine wässrige Elektrolytlösung getaucht, welche 6 Gew.-% HCl enthält. Dabei ist insbesondere wichtig, dass der Schaufelfuß nicht mit der Elektrolytlösung in Kontakt kommt.
Anschließend wird durch die Turbinenschaufel und eine mit der Elektrolytlösung im Kontakt stehende Hilfselektrode für maximal 60 Minuten ein Strom geleitet. Während dieses Vorgangs wird dafür Sorge getragen, dass die Temperatur der Elektrolytlösung im Bereich zwischen 15-250C liegt.
Insbesondere wird ein Ansteigen über 250C verhindert. Außerdem wird die Metallionenkonzentration, insbesondere die Eisenionenkonzentration in der Elektrolytlösung überwacht und bei einem zu hohen Wert, beispielsweise einer Fe- Ionenkonzentration größer 100 ppm, wird die Elektrolytlösung ausgetauscht . Der durch die Turbinenschaufel und die Hilfselektrode geleitete Strom ist hier mit einer Routine gepulst und kann beispielweise zwei Stromstärken im Bereich zwischen 5-1000 mA/cm2, einen Dutycycle von > 10% und ≤ 90% und eine Frequenz von 5-1000 Hz aufweisen. Alternativ kann aber auch ein
Gleichstrom durch die Turbinenschaufel und die Hilfselektrode geleitet werden.
Nachdem der elektrochemische Hauptentschichtungsschritt abgeschlossen ist, wird die Turbinenschaufel aus der
Elektrolytlösung entfernt und der Schaufelfuß wird in der oben beschriebenen Weise erneut mit der Kappe abgedeckt. Dann erfolgt ein zweiter Strahlschritt mit Korund der Körnung mesh 46 oder weniger, wobei hier und bei allen weiteren Strahlschritten der Strahldruck maximal 3 bar beträgt. Die Kappe wird wieder entfernt und die außen auf der Turbinenschaufel aufgebrachten Maskierungen werden überprüft und gegebenenfalls erneuert.
Anschließnd wird der elektrochemische
Nachentschichtungsschritt durchgeführt. Dabei wird analog wie bei dem elektrochemischen Hauptenschichtungsschritt vorgegangen, wobei hier durch die Turbinenschaufel und die Hilfelektrode für maximal 30 Minuten ein gepulster Strom geleitet wird, der zwei Stomdichten von 5mA/cm2 und lOmA/cm2 und einen Duty Cycle von 80% aufweist. Die Temperatur der wässrigen HCl-haltigen Elektoyltlösung sollte 250C nicht übersteigen und die Prozessdauer sollte unter 30 Minuten liegen. Anstelle eines gepulsten Stromes kann auch ein Gleichstrom verwendet werden.
Jetzt wird wiederum wie nach dem elektochemischen Hauptentschichtungsschritt ein dritter Strahlschritt durchgeführt. Dabei wird wiederum der Schaufelfuß abgedeckt und es werden die selben Strahlparameter wie oben beschrieben verwendet . Dann werden die Innen- und Außenmaskierungen durch Ausbrennen des Waches entfernt. Anschließend wird analog zu dem dritten Strahlschritt ein weiterer Strahlschritt durchgeführt.
Um zu überprüfen, ob die metallische Beschichtung vollständig entfernt ist, wird die Turbinenschaufel für 20-40 Minuten bei 500-7000C wärmegetönt. Dabei zeigt eine gleichmäßige Blaufärbung der entschichtenten Fläche eine vollständige Entfernung der Beschichtung an.
Falls noch Reste der Beschichtung beim Wärmetönen aufgefunden werden, können diese gegebenenfalls durch Schleifen entfernt werden .
Zuletzt kann die Turbinenschaufel gekennzeichent werden, wobei insbesondere für jede durchgeführte EntSchichtung eine entsprechende Markierung angebracht werden kann. Dadurch ist sichergestellt, dass die maximal zulässige Anzahl der EntSchichtungen nicht überschritten wird.
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 mit einer Welle 101 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, mit mehreren koaxial angeordneten Brennern 107, eine Turbine 108 und das Abgasgehäuse 109.
Die Ringbrennkammer 110 kommuniziert mit einem beispielsweise ringförmigen Heißgaskanal 111. Dort bilden beispielsweise vier hintereinander geschaltete Turbinenstufen 112 die Turbine 108. Jede Turbinenschaufel 112 ist beispielsweise aus zwei Schaufelringen gebildet. In Strömungsrichtung eines Arbeitsmediums 113 gesehen folgt im Heißgaskanal 111 einer Leitschaufelreihe 115 eine aus Laufschaufeln 120 gebildete Reihe 125.
Die Leitschaufeln 130 sind dabei an einem Innengehäuse 138 eines Stators 143 befestigt, wohingegen die Laufschaufeln 120 einer Reihe 125 beispielsweise mittels einer Turbinenscheibe 133 am Rotor 103 angebracht sind.
An dem Rotor 103 angekoppelt ist ein Generator oder eine Arbeitsmaschine (nicht dargestellt) .
Während des Betriebes der Gasturbine 100 wird vom Verdichter 105 durch das Ansauggehäuse 104 Luft 135 angesaugt und verdichtet. Die am turbinenseitigen Ende des Verdichters bereitgestellte verdichtete Luft wird zu den Brennern 107 geführt und dort mit einem Brennmittel vermischt. Das Gemisch wird dann unter Bildung des Arbeitsmediums 113 in der Brennkammer 110 verbrannt. Von dort aus strömt das
Arbeitsmedium 113 entlang des Heißgaskanals 111 vorbei an den Leitschaufeln 130 und den Laufschaufeln 120. An den Laufschaufeln 120 entspannt sich das Arbeitsmedium 113 impulsübertragend, so dass die Laufschaufeln 120 den Rotor 103 antreiben und dieser die an ihn angekoppelte Arbeitsmaschine .
Die dem heißen Arbeitsmedium 113 ausgesetzten Bauteile unterliegen während des Betriebes der Gasturbine 100 thermischen Belastungen. Die Leitschaufeln 130 und
Laufschaufeln 120 der in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums 113 gesehen ersten Turbinenstufe 112 werden neben den die Ringbrennkammer 110 auskleidenden Hitzeschildelementen 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 beispielsweise eisen-, nickel- oder kobaltbasierte Superlegierungen verwendet .
Solche Superlegierungen sind beispielsweise aus der EP 1 204 776 Bl, EP 1 306 454, EP 1 319 729 Al, WO 99/67435 oder Wo 00/44949 bekannt; diese Schriften sind bzgl. Der chemischen Zusammensetzung der Legierung Teil der Offenbarung.
Ebenso können die Schaufeln 120, 130 Beschichtungen gegen Korrosion (MCrAlX; M ist zumindest ein Element der Gruppe
Eisen (Fe) , Kobalt (Co) , Nickel (Ni) , X ist ein Aktivelement und steht für Yttrium (Y) und/oder Silizium, Scanium (Sc) und/oder zumindest ein Element der Seltenen Erden bzw.
Hafnium) . Solche Legierungen sind bekannt aus der EP 0 486 489 Bl, EP 0 786 017 Bl, EP 0 412 397 Bl oder EP 306 454 Al, die bzgl. Der chemischen Zusammensetzung Teil dieser
Offenbarung sein sollen.
Auf der MCrAlX kann noch eine Wärmedämmschicht vorhanden sein , und besteht bei spiel swei se aus ZrO2 , Y2O3-ZrO2 , d . h . s ie ist nicht, teilweise oder vollständig stabilisiert durch
Yttriumoxid und/oder Calciumoxid und/oder Magnesiumoxid.
Durch geeignete Beschichtungsverfahren wie z.B. Elektronenstrahlverdampfern (EB-PVD) werden stängelförmige Körner in der Wärmedämmschicht erzeugt.
Die Leitschaufel 130 weist einen dem Innengehäuse 138 der Turbine 108 zugewandten Leitschaufelfuß (hier nicht dargestellt) und einen dem Leitschaufelfuß gegenüberliegenden Leitschaufelkopf auf. Der Leitschaufelkopf ist dem Rotor 103 zugewandt und an einem Befestigungsring 140 des Stators 143 festgelegt . Die Figur 6 zeigt in perspektivischer Ansicht eine Laufschaufel 120 oder Leitschaufel 130 einer Strömungsmaschine, die sich entlang einer Längsachse 121 erstreckt.
Die Strömungsmaschine kann eine Gasturbine eines Flugzeugs oder eines Kraftwerks zur Elektrizitätserzeugung, eine Dampfturbine oder ein Kompressor sein.
Die Schaufel 120, 130 weist entlang der Längsachse 121 aufeinander folgend einen Befestigungsbereich 400, eine daran angrenzende Schaufelplattform 403 sowie ein Schaufelblatt 406 und eine Schaufelspitze 415 auf.
Als Leitschaufel 130 kann die Schaufel 130 an ihrer Schaufelspitze 415 eine weitere Plattform aufweisen (nicht dargestellt) .
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 beispielsweise 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.
Bei herkömmlichen Schaufeln 120, 130 werden in allen Bereichen 400, 403, 406 der Schaufel 120, 130 beispielsweise massive metallische Werkstoffe, insbesondere Superlegierungen verwendet .
Solche Superlegierungen sind beispielsweise aus der EP 1 204 776 Bl, EP 1 306 454, EP 1 319 729 Al, WO 99/67435 oder WO 00/44949 bekannt; diese Schriften sind bzgl. der chemischen Zusammensetzung der Legierung Teil der Offenbarung. Die Schaufel 120, 130 kann hierbei durch ein Gussverfahren, auch mittels gerichteter Erstarrung, durch ein Schmiedeverfahren, durch ein Fräsverfahren oder Kombinationen daraus gefertigt sein.
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 diesem 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 Bauteils zunichte machen.
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 solidfied structures) .
Solche Verfahren sind aus der US-PS 6,024,792 und er EP 0 892 090 Al bekannt; diese Schriften sind bzgl. des Erstarrungsverfahrens Teil der Offenbarung.
Ebenso können die Schaufeln 120, 130 Beschichtungen gegen Korrosion oder Oxidation aufweisen, z.B. (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, bzw. Hafnium (Hf)). Solche Legierungen sind bekannt aus der EP ß 486 489 Bl, EP 0 786 017 Bl, EP 0 412 397 Bl oder EP 1 306 454 Al, die bzgl. der chemischen
Zusammensetzung der Legierung Teil dieser Offenbarung sein sollen .
Die Dichte liegt vorzugsweise bei 95% der theoretischen Dichte.
Auf der MCrAlX-Schicht (als Zwischenschicht oder als äußerste Schicht) bildet sich eine schützende Aluminiumoxidschicht (TGO = thermal grown oxide layer) .
Auf der MCrAlX kann noch eine Wärmedämmschicht vorhanden sein, die vorzugsweise die äußerste Schicht ist, und besteht beispielsweise aus ZrO2, d.h. sie ist nicht, teilweise oder vollständig stabilisiert durch Yttriumoxid und/oder Calciumoxid und/oder Magnesiumoxid.
Die Wärmedämmschicht bedeckt die gesamte MCrAlX-Schicht . Durch geeignete Beschichtungsverfahren wie z.B. Elektronenstrahlverdampfern (EB-PVD) erden stängelförmige Körner in der Wärmedämmschicht erzeugt.
Andere Beschichtungsverfahren sind denkbar, z.B. atmosphärisches Plasmaspritzen (APS), LPPS, VPS oder CVD. Die Wärmedämmschicht kann porös, mikro- oder makrorissbehaftete Körner zur besseren Thermoschockbeständigkeit aufweisen. Die Wärmedämmschicht ist also vorzugsweise poröser als die MCrAlX-Schicht .
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 durch das vorgenannte Verfahren. Gegebenenfalls werden auch noch Risse im Bauteils 120, 130 repariert. Danach erfolgt eine Wiederbeschichtung des Bauteils 120, 130 und ein erneuter Einsatz des Bauteils 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 418 (gestrichelt angedeutet) auf.
Die Figur 7 zeigt eine Brennkammer 110 einer Gasturbine. Die Brennkammer 110 ist beispielsweise als so genannte Ringbrennkammer ausgestaltet, bei der eine Vielzahl von in Umfangsrichtung um eine Rotationsachse 102 herum angeordneten Brennern 107 in einen gemeinsamen Brennkammerraum 154 münden, die Flammen 156 erzeugen. Dazu ist die Brennkammer 110 in ihrer Gesamtheit als ringförmige Struktur ausgestaltet, die um die Rotationsachse 102 herum positioniert ist.
Zur Erzielung eines vergleichsweise hohen Wirkungsgrades ist die Brennkammer 110 für ein e vergleichsweise hohe Temperatur des Arbeitsmediums M von etwa 10000C bis 16000C 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 aus einer Legierung ist arbeitsmediumsseitig mit einer besonders hitzebeständigen Schutzschicht (MCrAlX-Schicht und/oder keramische Beschichtung) ausgestattet oder ist aus hochtemperaturbeständigem Material (massive keramische Steine) gefertigt . Diese Schutzschichten können ähnlich der Turbinenschaufeln sein, also bedeutet beispielsweise 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, bzw. Hafnium (Hf) . Solche Legierungen sind bekannt aus der EP 0 486 489 Bl, EP 0 786 017 Bl, EP 0 412 397 Bl oder EP 1 306 454 Al, die bzgl. der chemischen Zusammensetzung der Legierung Teil dieser Offenbarung sein sollen.
Auf der MCrAlX kann noch eine beispielsweise keramische
Wärmedämmschicht vorhanden sein und besteht beispielsweise aus ZrO2, Y2O3-ZrO2, d.h. sie ist nicht, teilweise oder vollständig stabilisiert durch Yttriumoxid und/oder Calciumoxid und/oder Magnesiumoxid.
Durch geeignete Beschichtungsverfahren wie z.B. Elektronenstrahlverdampfen (EB-PVD) werden stängelförmige Körner in der Wärmedämmschicht erzeugt. Andere Beschichtungsverfahren sind denkbar, z.B. atmosphärisches Plasmaspritzen (APS), LPPS, VPS oder CVD. Die Wärmedämmschicht kann poröse, mikro- oder makrorissbehaftete Körner zur besseren Thermoschockbeständigkeit aufweisen.
Wiederaufarbeitung (Refurbishment ) bedeutet, dass Hitzeschildeelemente 155 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 in dem Hitzeschildelement 155 repariert. Danach erfolgt eine Wiederbeschichtung der Hitzeschildelemente 155 und ein erneuter Einsatz der Hitzeschildelemente 155.
Aufgrund der hohen Temperaturen im Inneren der Brennkammer 110 kann zudem für die Hitzeschildelemente 155 bzw. für deren Halteelemente ein Kühlsystem vorgesehen sein. Die Hitzeschildelemente 155 sind dann beispielsweise hohl und weisen ggf. noch in den Brennkammerraum 154 mündende Kühllöcher (nicht dargestellt) auf.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum elektrochemischen Entfernen einer metallischen Beschichtung von einem Bauteil (4, 120, 130), bei dem das Bauteil (4, 120, 130) in eine Elektrolytlösung (2) getaucht wird und durch das Bauteil (4, 120, 130) und eine mit der Elektrolytlösung (2) in Kontakt befindliche Hilfselektrode (3) ein Strom geleitet wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Strom mit einer Routine gepulst ist, die einen Duty Cycle von > 10% bis ≤ 90%, bevorzugt von > 20% bis ≤ 80%, zwei Stromdichten zwischen 5mA/cm2 bis lOOOmA/cm2, bevorzugt zwischen lOmA/cm2 bis 300mA/cm2, und eine Frequenz von 5Hz bis 1000Hz, bevorzugt 25Hz bis 300Hz aufweist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Duty Cycle 25% bis 75%, bevorzugt 50% bis 75% und insbesondere 50% beträgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromdichten zwischen 50mA/cm2 bis 250mA/cm2, bevorzugt zwischen lOOmA/cm2 bis 200mA/cm2 und besonders bevorzugt zwischen 150mA/cm2 bis 200mA/cm2 liegen.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz im Bereich zwischen 50Hz bis 275Hz, bevorzugt zwischen 150Hz bis 275Hz und insbesondere bei 260Hz liegt.
5. Verfahren nach den Ansprüchen 2, 3, oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Duty Cycle 50%, die Stromdichten lOOmA/cm2 und 150mA/cm2 und die Frequenz 150Hz betragen.
6. Verfahren nach den Ansprüchen 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Duty Cycle 75%, die Stromdichten lOOmA/cm2 und 150mA/cm2 und die Frequenz 250Hz betragen.
7. Verfahren nach den Ansprüchen 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Duty Cycle 75%, die Stromdichten 150mA/cm2 und 200mA/cm2 und die Frequenz 50Hz betragen.
8. Verfahren nach den Ansprüchen 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Duty Cycle 50%, die Stromdichten 150mA/cm2 und 200mA/cm2 und die Frequenz 250Hz betragen.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrolytlösung (2) eine anorganische Säure oder eine organische Säure oder eine organische Base oder eine anorganische Base oder Mischungen aus anorganischen und anorganischen Säuren und/oder Basen enthält oder daraus besteht.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Säure HCl ist.
11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass weniger als 20 Gew.-%, besonders weniger als 10 Gew.-% und insbesondere weniger als 6 Gew.-%, Säure, insbesondere HCl, in der Elektrolytlösung (2) enthalten sind.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrolytlösung (2) eine
Alkanolamin-Verbindung oder ein diese Verbindung enthaltendes Salz als Inhibitor enthält.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Inhibitor Triethanolamin oder eines seiner Salze ist oder in Mischungen mit anderen organischen oder anorganischen Inhibitoren enthalten ist, insbesondere nur Triethanolamin verwendet wird.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass als weitere Inhibitoren Carbonsäuren und/oder Aldehydverbindungen und/oder ungesättigte Alkohole in der Elektrolytlösung (2) enthalten sind.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein mechanischer Reinigungsschritt, bevorzugt durch Sandstrahlen, durchgeführt wird.
16. Verfahren nach Ansprüche 15, dadurch gekennzeichnet, dass der mechanische Reinigungsschritt vor dem elektrochemischen Entschichtungsschritt durchgeführt wird.
17. Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass von der Bauteiloberfläche eine Beschichtungsmasse pro Fläche des Bauteils (4) im Bereich von 20mg/cm2 bis 100mg/cm2, bevorzugt von 34mg/cm2 bis 68mg/cm2, besonders bevorzugt von 34mg/cm2 bis 51mg/cm2, mechanisch abgetragen wird.
18. Verfahren nach Anspruch 15 dadurch gekennzeichnet, dass nach dem elektrochemischen Entschichtungsschritt eine unlösliche Beschichtungsmasse pro Fläche des Bauteils (4, 120, 130) im Bereich von 30mg/cm2 bis 160mg/cm2, bevorzugt von 34mg/cm2 bis 68mg/cm2, besonders bevorzugt von 34mg/cm2 bis 51mg/cm2, mechanisch abgetragen wird.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich ein weiterer elektrochemischer Entschichtungsschritt mit Gleichstrom durchgeführt wird, um noch anhaftende Beschichtungsreste zu entfernen, wobei der Gleichstrom insbesondere eine Stromdichte von 16mA/cm2 aufweist und wobei die Prozessdauer insbesondere 8 Minuten beträgt.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich ein weiterer elektrochemischer Entschichtungsschritt mit einem weiteren gepulsten Strom durchgeführt wird.
21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass der weitere gepulste Strom einen Duty Cycle aufweist, welcher höher als der Duty Cycle des ersten gepulsten Stroms für den ersten elektrochemischen Entschichtungsschritt ist.
22. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass der Duty Cycle des weiteren gepulsten Stroms mindestens 20% höher als der Duty Cycle des ersten gepulsten Stroms für den ersten elektrochemischen Entschichtungsschritt ist.
23. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass der weitere gepulste Strom einen Duty Cycle von 50 - 99 %, zwei Stromstärken zwischen 0,1 mA/cm2 und 30 mA/cm2 und eine Frequenz von 10~2 bis 100 Hz aufweist.
24. Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass der Duty Cycle des weiteren gepulsten Stroms 75 - 99%, bevorzugt 95 - 99 % beträgt.
25. Verfahren nach Anspruch 23 oder 24, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei Stromstärken des weiteren gepulsten Stroms zwischen 0,5 mA/cm2 und 20 mA/cm2, bevorzugt zwischen 1 mA/cm2 und 16 mA/cm2 liegen.
26. Verfahren nach einem der Ansprüche 23 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz des weiteren gepulsten Stroms zwischen 10~2 bis 1 Hz, bevorzugt zwischen 10~2 bis 10"1 Hz liegt.
27. Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass der weitere elektrochemischen Entschichtungsschritt 1 bis 60 Minuten, bevorzugt 5 bis 20 Minuten durchgeführt wird.
28. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass der weitere gepulste Strom einen Duty Cycle von 99%, zwei Stromstärken zwischen lmA/cm2 bis 16mA/cm2 und eine Frequenz von 10~2 Hz aufweist, wobei der weitere elektrochemische Entschichtungsschritt insbesondere 8 Minuten durchgeführt wird.
29. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem weiteren elektrochemischen
Entschichtungsschritt sichtbare Beschichtungsrestmasse pro Fläche des Bauteils (4) im Bereich 5mg/cm2 bis 70mg/cm2, bevorzugt von 5mg/cm2 bis 34mg/cm2, mechanisch, insbesondere durch Sandstrahlen, abgetragen wird.
30. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (4, 120, 130) eine Turbinenschaufel oder eine Triebwerkschaufel ist.
31. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Beschichtung eine MCrAlX-Schicht ist, wobei M aus der Gruppe Fe, Co und/oder Ni und X aus der Gruppe Yttrium, Lanthan oder Seltene Erden ausgewählt ist.
32. Verfahren zum Entfernen einer metallischen Beschichtung von einer Turbinenschaufel (4, 120, 130), bei dem Teile des Turbinenschaufel (4, 120, 130) maskiert werden,
die Turbinenschaufel (4, 120, 130) im Bereich der Beschichtung mit einem Strahlgut gestrahlt wird,
die Turbinenschaufel (4, 120, 130) einem elektrochemischen Hauptenschichtungsschritt unterworfen wird,
die Turbinenschaufel (4, 120, 130) im Bereich der Beschichtung mit einem Strahlgut gestrahlt wird,
die Turbinenschaufel (4, 120, 130) einem elektrochemischen Nachentschichtungsschritt unterworfen wird,
die Turbinenschaufel (4, 120, 130) im Bereich der Beschichtung mit einem Strahlgut gestrahlt wird, die Turbinenschaufel (4, 120, 130) demaskiert wird,
die Turbinenschaufel (4, 120, 130) im Bereich der Beschichtung mit einem Strahlgut gestrahlt wird, und
die Turbinenschaufel (4, 120, 130) zur Überprüfung, ob die Beschichtung entfernt ist, wärmegetönt wird.
33. Verfahren nach Anspruch 32, bei dem innerhalb der
Turbinenschaufel (4, 120, 130) liegende Bereiche insbesondere mit Wachs abgedeckt werden.
34. Verfahren nach einem der Ansprüche 32 oder 33, bei dem der Schaufelfuß (183) der Turbinenschaufel (4,120,130) vor dem Strahlen mit einer Kappe abgedeckt wird, um ihn vor dem Aufprall von Strahlgut zu schützen, und die Kappe nach dem Strahlen wieder entfernt wird.
35. Verfahren nach einem der Ansprüche 32 bis 34, bei dem als Strahlgut Korund verwendet wird.
36. Verfahren nach Anspruch 35, bei dem Strahlgut mit einer Körnung von mesh 46 oder weniger verwendet wird.
37. Verfahren nach einem der Ansprüche 32 bis 36, bei dem der erste Strahlschritt mit einem Strahldurck von maximal 5 bar und alle weiteren Strahlschritte mit einem Strahldruck von maximal 3 bar durchgeführt werden.
38. Verfahren nach einem der Ansprüche 32 bis 37, bei dem nach dem ersten Strahlschritt äußere Bereiche der Turbinenschaufel (4, 120, 130) insbesondere mit Wachs abgedeckt werden.
39. Verfahren nach einem der Ansprüche 32 bis 38, bei dem im elektrochemischen Hauptentschichtungsschritt und im elektrochemischen Nachentschichtungsschritt die Turbinenschaufel (4, 120, 130) im Bereich der Beschichtung in eine Elektrolytlösung (2) getaucht und durch die als Anode geschaltete Turbinenschaufel (4, 120, 130) und eine mit der Elektrolytlösung (2) im Kontakt stehenden Hilfselektrode (3) ein Strom geleitet wird.
40. Verfahren nach Anspruch 39, bei dem als Elektrolytlösung (2) HCl verwendet wird.
41. Verfahren nach Anspruch 40, bei dem HCl mit einer
Konzentration von weniger als 20 Gew.-%, besondere weniger als 10 Gew.-% und insbesondere weniger als 6 Gew.-% verwendet wird.
42. Verfahren nach Anspruch 41, bei dem der
Hauptentschichtungsschritt und der Nachentschichtungsschritt bei einer Temperatur der Elektrolytlösung (2) im Bereich von 15-250C, insbesondere im von Bereich 18-220C durchgeführt wird.
43. Verfahren nach einem der Ansprüche 39 bis 42, bei dem die Metallionenkonzentration in der Elektrolytlösung (2) überwacht wird, wobei bei einer Metallionenkonzentration, insbesondere einer Eisenionenkonzentration > 100 ppm die Elektolytlösung (2) ausgetauscht wird.
44. Verfahren nach einem der Ansprüche 39 bis 43, bei dem der elektrochemische Hauptentschichtungsschritt mit einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8 durchgeführt wird.
45. Verfahren nach einem der Ansprüche 39 bis 43, bei dem im elektrochemischen Hauptentschichtungsschritt durch die Turbinenschaufel (4, 120, 130) und die Hilfselektrode (3) ein Gleichstrom geleitet wird.
46. Verfahren nach Anspruch 44 oder 45, bei dem der elektrochemische Hauptentschichtungsschritt für eine Dauer von maximal 60 Minuten durchgeführt wird.
47. Verfahren nach einem der Anspruch 39 bis 46, bei dem im elektrochemischen Nachentschichtungsschritt ein gepulster Strom durch die Turbinenschaufel (4, 120, 130) und die Hilfselektrode (3) geleitet wird.
48. Verfahren nach einem der Anspruch 39 bis 46, bei dem im elektrochemischen Nachentschichtungsgang ein Gleichstrom durch die Turbinenschaufel (4, 120, 130) und die Hilfselektrode (3) geleitet wird.
49. Verfahren nach Anspruch 47 oder 48, bei dem der elektrochemische Nachentschichtungsgang für eine Dauer von maximal 30 Minuten durchgeführt wird.
50. Verfahren nach einem der Ansprüche 32 bis 49, bei dem die Turbinenschaufel (4, 120, 130) bei einer Temperatur im Bereich von 500-7000C, insbesondere von 550-6500C wärmegetönt wird.
51. Verfahren nach Anspruch 50, bei dem die Turbinenschaufel (4, 120, 130) für 20-40 Minuten, insbesondere für 30 Minuten wärmegetönt wird.
52. Verfahren nach einem der Ansprüche 32 bis 51, bei dem
Reste der metallischen Beschichtung durch Schleifen entfernt werden .
53. Verfahren nach einem der Ansprüche 32 bis 52, bei dem die Turbinenschaufel (4, 120, 130) nach der Entfernung der Beschichtung gekennzeichnet wird.
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