EP2086715A1 - Komposit-lötpulver aus kern und metallischer hülle, zum löten von turbinenbauteilen - Google Patents

Komposit-lötpulver aus kern und metallischer hülle, zum löten von turbinenbauteilen

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Publication number
EP2086715A1
EP2086715A1 EP07821911A EP07821911A EP2086715A1 EP 2086715 A1 EP2086715 A1 EP 2086715A1 EP 07821911 A EP07821911 A EP 07821911A EP 07821911 A EP07821911 A EP 07821911A EP 2086715 A1 EP2086715 A1 EP 2086715A1
Authority
EP
European Patent Office
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core
powder particles
particles according
powder
component
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP07821911A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Brigitte Heinecke
Volker Vosberg
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 EP07821911A priority Critical patent/EP2086715A1/de
Publication of EP2086715A1 publication Critical patent/EP2086715A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • B23K35/00—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting
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    • B23K35/0222—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting characterised by mechanical features, e.g. shape for use in soldering, brazing
    • B23K35/0244—Powders, particles or spheres; Preforms made therefrom
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    • B23K35/368—Selection of non-metallic compositions of core materials either alone or conjoint with selection of soldering or welding materials
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y30/00—Nanotechnology for materials or surface science, e.g. nanocomposites

Definitions

  • the invention relates to a powder particle which consists of a core and a metallic shell, a component with the powder particles and a method for soldering, in which such powder particles are used.
  • the object is achieved by a powder particle according to claim 1, a component according to claim 21 and a method according to claim 25.
  • FIG. 2 shows a powder particle
  • FIG. 3 shows a modified powder particle
  • FIG. 4 shows a method for soldering
  • FIG. 5 shows a gas turbine
  • FIG. 6 is a perspective view of a turbomachine blade
  • a crack 7 (FIG. 1) is present in a substrate 4 of a component 120, 130 (FIGS. 5, 6), 155 (FIG. 7), which is filled with a solder material 1 during soldering.
  • the solder material 1 comprises a metallic material.
  • Fillers 2 are used to increase the strength of Lotma- te ⁇ als 1.
  • the substrate of the component 120, 130, 155 consists of a superalloy, as they are preferably listed in Figure 8.
  • the filler 2 does not melt or does not completely melt during soldering.
  • FIG. 2 shows a powder particle 10 for a component 120, 130, 155 for a soldering process.
  • the powder particle 10 consists of a core 13 and a shell 16.
  • the shell 16 encloses the core 13, in particular completely.
  • the matrix material of the shell 16 is metallic (also an alloy), preferably the shell 16 is only metallic.
  • the core 13 preferably comprises a non-metallic material.
  • the core 13 is preferably ceramic and / or aus Glass.
  • the core 13 may be a ceramic such as alumina, zirconia and / or yttria.
  • the core 13 is also metallic, preferably it may have the ⁇ 'phase Ni 3 Al or a superalloy (preferably Rene 80) (FIG. 8) which does not melt during soldering.
  • the material of the core 13 is a ⁇ '-hardened nickel base superalloy.
  • An example of the metallic core 13 is Rene 80.
  • the metallic shell 16 is a known solder of the prior art or a material having a, in particular by at least 10 Kelvin lower melting point than the core 13 or the substrate 26 of the component 120, 130, 155.
  • Examples of preferably used combinations of core 13 and shell 16 are:
  • Preferably 16 AMDRY solders (supplier: Sulzer Metco) are used for the sheath.
  • the diameter of the powder particle 10 may be in the nanometer range to allow filling of narrow, narrow gaps 25.
  • the powder particle 10 may consist of one or more grains.
  • FIG. 3 shows a further powder particle 18 in which a
  • Core 13 is present, which consists in particular of a nickel- or cobalt-based superalloy ( Figure 8), in the edge region preferably a melting point, such as boron (B), carbon (C), hafnium (Hf), silicon (Si) and / or zirconium (Zr) has been diffused or present.
  • a melting point such as boron (B), carbon (C), hafnium (Hf), silicon (Si) and / or zirconium (Zr) has been diffused or present.
  • a melting point such as boron (B), carbon (C), hafnium (Hf), silicon (Si) and / or zirconium (Zr) has been diffused or present.
  • a melting point such as boron (B), carbon (C), hafnium (Hf), silicon (Si) and / or zirconium (Zr) has been diffused or present.
  • the diffusion of this melting point can also be used to form ceramic phases.
  • the matrix of the sheath 19 remains metallic.
  • This powder particle 18 is therefore formed, for example, from a powder particle of a superalloy powder 22, in which a diffusion layer 19 is formed in the edge region.
  • a metallic element may be diffused (alitiert) in a superalloy particle, which lowers the melting point by an altered composition. Examples are aluminum (Al), titanium (Ti) and / or tantalum (Ta).
  • FIG. 4 shows an application of the powder particles as solder material.
  • the powder particles 10 are applied to the crack 25 in paste form or similar manner. Likewise, it is possible to apply the powder particles 10 by means of HVOF or cold gas spraying in or on the crack 25.
  • HVOF hot gas spraying
  • the method can be used in welding.
  • the core 13 may consist of a superalloy composition having the same composition as the substrate 26 of the component 120, 130, 155 to be repaired.
  • a component 26 is, for example, a turbine acting ⁇ blade 120, 130 ( Figure 4, 5) or a combustion chamber member 155 ( Figure 7), which preferably consists of a nickel- or kobaltba- overbased superalloy according to FIG. 8
  • FIG. 5 shows by way of example a gas turbine 100 in one embodiment
  • 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 turbine runner.
  • 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 stage 112 is formed, for example, from two blade rings.
  • a series of guide vanes 115 follows a series of vanes 120 in the hot gas duct 111 of a row of vanes 115.
  • the guide vanes 130 are fastened to an inner housing 138 of a stator 143, whereas the rotor blades 120 of a row 125 are attached to the rotor 103 by means of a turbine disk 133, for example.
  • a generator or work machine (not shown).
  • the components exposed to the hot working medium 113 are subject to thermal loads during the operation of the gas turbine 100.
  • the guide vanes 130 and rotor blades 120 of the first turbine stage 112, viewed in the direction of flow of the working medium 113, are subjected to the greatest thermal stress in addition to the heat shield elements lining the annular combustion chamber 110. In order to withstand the temperatures prevailing there, they can be cooled by means of a coolant.
  • substrates of the components may have a directional structure, i. they are monocrystalline (SX structure) or have only slow-moving grains (DS structure). Iron, nickel or cobalt-based superalloys are used as material for the components, in particular for the turbine blades 120, 130 and components of the combustion chamber 110.
  • 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 with respect. the chemical composition of the alloys part of the revelation.
  • the vane 130 has a Leitschaufelfuß facing the mecanical 138 of the turbine 108 (not shown here) and a Leitschaufeluß opposite the Leitschaufelfuß on.
  • the vane head faces the rotor 103 and fixed to a mounting ring 140 of the stator 143.
  • 6 shows a perspective view of a rotor blade 120 or guide vane show ⁇ 130 of a turbomachine, which extends along a longitudinal axis 121st
  • the flow machine may be a gas turbine of an aircraft or a power plant for generating electricity, a steam turbine ⁇ or a compressor.
  • the blade 120, 130 has, along the longitudinal axis 121, a fastening area 400, an adjacent blade platform 403 and an airfoil 406 and a blade tip 415.
  • the blade 130 may have another platform at its blade tip 415 (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 or vane 120, 130 has for a medium which flows past the scene ⁇ felblatt 406, an edge 409 and a waste stream ridge 412.
  • 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 with respect.
  • the blade 120, 130 can be made by a casting process, also by directional solidification, by a forging process, by a Frasvon or combinations thereof. Workpieces with a single-crystal structure or structures who ⁇ used as components for machines which, during operation to high mechanical, thermal and / or chemical burdens are exposed gene.
  • dendritic crystals are aligned along the warm flow and form either a crystallographic grain structure (columnar, i.e. grains that run the full length of the workpiece and here, in common language use, are referred to as directionally solidified) or a single-crystal structure, i. the whole work consists of a single crystal.
  • a crystallographic grain structure columnar, i.e. grains that run the full length of the workpiece and here, in common language use, are referred to as directionally solidified
  • a single-crystal structure i. the whole work consists of a single crystal.
  • 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 be part of this disclosure with regard to the chemical composition of the alloy.
  • the density is preferably 95% of the theoretical density.
  • thermal barrier layer which is preferably the outermost layer, and consists for example of ZrO2, Y2T3-ZrO2, i. it is not, partially or completely stabilized by yttrium oxide and / or calcium oxide and / or magnesium oxide.
  • the thermal insulation layer covers the entire MCrAlX layer.
  • suitable coating methods e.g. Electron Beam Evaporation (EB-PVD) produces proton grains in the thermal insulation layer.
  • the thermal barrier coating may have porous ⁇ , micro- or makro ⁇ ssbehaftete Cor grains for better thermal shocks.
  • the thermal insulation layer is therefore preferably more porous than the MCrAlX layer.
  • the blade 120, 130 may be hollow or solid. When the blade 120, 130 is to be cooled, it is hollow and possibly still has film cooling holes 418 (indicated by dashed lines).
  • the combustion chamber 110 is designed for example as so-called an annular combustion chamber, in which a plurality of fangs ⁇ chtung in environmental about an axis of rotation 102 arranged burners 107 patronize in a common combustion chamber space 154, create the 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 is provided on its side facing the working medium M with an inner lining formed of heat shield elements 155.
  • a cooling system can additionally be provided for the heat shield elements 155 or for their holding elements.
  • the heat shield elements 155 are then, for example, hollow and possibly still have cooler holes (not shown) which still touch the combustion chamber space 154.
  • 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 be part of this disclosure with regard to the chemical composition of the alloy.
  • a ceramic thermal barrier layer may be present and consists for example of ZrO2, Y2O3-ZrO2, ie it is not, partially or completely stabilized by yttrium oxide and / or calcium oxide and / or magnesium oxide.
  • Electron Beam Evaporation produces proton grains in the thermal insulation layer.
  • the thermal insulation layer may have porous, microporous or macroporous grains for better thermal shock resistance.
  • Refurbishment means that turbine blades 120, 130, heat shield elements 155 may need to be deprotected (e.g., by sandblasting) after use. This is followed by removal of the corrosion and / or oxidation layers or products.
  • cracks in the turbomachine blade 120, 130 or the heat shield element 155 are also repaired. This is followed by a re-coating of the turbine blades 120, 130, heat shield elements 155 and a renewed use of the turbine blades 120, 130 or the heat shield elements 155.

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Abstract

Das erfindungsgemässe Lötverfahren verwendet ein Lotmaterial aus Körnern, bei dem der Füllstoff (Kern) durch eine metallische Hülle ummantelt ist, was eine Entmischung verhindert und eine gleichmässige Verteilung des Füllwerkstoffs ermöglicht. Der Kern besteht vorzugsweise aus einer Keramik oder einer Superlegierung und die Hülle ist ein metallisches Lot. Der Durchmesser der Pulverteilchen kann im Nanometerbereich liegen.

Description

KOMPOSIT-LOTPULVER. AUS KERN UND METALLISCHER HÜLLE, ZUM LÖTEN VON
TÜRBINΞNBAUTEILEN
Die Erfindung betrifft ein Pulverteilchen, das aus einem Kern und einer metallischen Hülle besteht, ein Bauteil mit den Pulverteilchen sowie ein Verfahren zum Loten, bei dem solche Pulverteilchen verwendet werden.
Im Rahmen der Instandsetzung von Turbinenbauteilen kann es erforderlich sein, mechanisch beanspruchte Fugungen wie die Reparatur von Rissen vorzunehmen. Dazu wird üblicher Weise ein Schweiß- oder Lotverfahren verwendet. Hochtemperaturlote basieren auf einer Legierung, die für das Substrat verwendet werden und der Schmelzpunkt erniedrigende Elemente zugesetzt sind. Ebenso werden Fullmateπalien dem Lot hinzugefugt, die in die Matrix des Lotmateπals eingebettet werden, um die mechanischen Eigenschaften zu erhohen. Jedoch kommt es oft zu einer Entmischung zwischen dem Fullwerkstoff und dem Lotmate- πal.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung oben genanntes Problem zu überwinden .
Die Aufgabe wird gelost durch ein Pulverteilchen gemäß Anspruch 1 ein Bauteil gemäß Anspruch 21 und ein Verfahren gemäß Anspruch 25.
In den Unteranspruchen sind weitere vorteilhafte Maßnahmen aufgelistet, die beliebig miteinander kombiniert werden können, um weitere Vorteile zu erzielen.
Es zeigen:
Figur 1 ein Verfahren nach dem Stand der Technik,
Figur 2 ein Pulverteilchen,
Figur 3 ein modifiziertes Pulverteilchen,
Figur 4 ein Verfahren zum Loten, Figur 5 eine Gasturbine,
Figur 6 perspektivisch eine Turbmenschaufel,
Figur 7 perspektivisch eine Brennkammer und
Figur 8 Liste der Superlegierungen .
Nach dem Stand der Technik ist in einem Substrat 4 eines Bauteils 120, 130 (Fig. 5, 6), 155 (Fig. 7) ein Riss 7 vorhanden (Fig. 1), der beim Loten mit einem Lotmaterial 1 gefüllt wird. Das Lotmaterial 1 weist ein metallisches Material auf. Füllstoffe 2 werden zur Steigerung der Festigkeit des Lotma- teπals 1 verwendet.
Das Substrat des Bauteils 120, 130, 155 besteht aus einer Superlegierung, wie sie vorzugsweise in Figur 8 aufgelistet sind.
Beim Loten, also bei der Zufuhrung von Warme (+T) kann es zur Entmischung kommen, weil das Lot des Lotmateπals, das auf¬ schmilzt, sich in den Riss 7 hineinzieht und der Füllstoff 2 zurückbleibt oder aufgrund unterschiedlicher Korngroßen es zu einer Entmischung von aufgeschmolzenen Lotpulverkornern und Füllstoffkornern kommt.
Der Füllstoff 2 schmilzt beim Loten nicht oder nicht voll- standig auf.
Figur 2 zeigt ein Pulverteilchen 10 für ein Bauteil 120, 130, 155 für ein Lotverfahren.
Das Pulverteilchen 10 besteht aus einem Kern 13 und einer Hülle 16. Die Hülle 16 umhüllt den Kern 13, insbesondere vollständig .
Das Matrixmaterial der Hülle 16 ist metallisch (auch eine Legierung), vorzugsweise ist die Hülle 16 nur metallisch.
Der Kern 13 weist vorzugsweise ein nichtmetallisches Material auf. Der Kern 13 ist vorzugsweise keramisch und/oder aus Glas. Der Kern 13 kann eine Keramik, wie Aluminiumoxid, Zir- konoxid und/oder Yttriumoxid sein.
Ebenso vorzugsweise ist der Kern 13 auch metallisch, vorzugsweise kann er die γ' -Phase Ni3Al aufweisen oder eine Super- legierung (vorzugsweise Rene 80) (Fig. 8) sein, die beim Loten nicht aufschmilzt. Vorzugsweise ist das Material des Kerns 13 eine γ' -gehartete Nickelbasissuperlegierung. Em Beispiel für den metallischen Kern 13 ist Rene 80.
Die metallische Hülle 16 ist ein bekanntes Lot aus dem Stand der Technik oder ein Material, das einen, insbesondere um mindestens 10 Kelvin niedrigeren Schmelzpunkt als der Kern 13 oder das Substrat 26 des Bauteils 120, 130, 155 aufweist.
Beispiele für vorzugsweise verwendete Kombinationen von Kern 13 und Hülle 16 sind:
Vorzugsweise werden für die Hülle 16 AMDRY-Lote (Lieferer: Sulzer Metco) verwendet.
Der Durchmesser des Pulverteilchens 10 kann im Nanometerbe- reich liegen, um eine Befüllung von engen, schmalen Spalten 25 zu ermöglichen. Das Pulverteilchen 10 kann aus einem oder mehreren Kornern bestehen.
Figur 3 zeigt ein weiteres Pulverteilchen 18, bei dem ein
Kern 13 vorhanden ist, der insbesondere aus einer nickel- oder kobaltbasierten Superlegierung (Figur 8) besteht, in dessen Randbereich vorzugsweise ein Schmelzpunkterniedπger, wie z.B. Bor (B), Kohlenstoff (C), Hafnium (Hf), Silizium (Si) und/oder Zirkon (Zr) eindiffundiert wurde oder vorhanden sind. Vorzugsweise ist nur ein Schmelzpunkterniedriger vor¬ handen.
Durch die Eindiffusion dieses Schmelzpunkterniedπgers können sich auch keramische Phasen bilden. Die Matrix der Hülle 19 bleibt jedoch metallisch.
Dieses Pulverteilchen 18 wird also beispielsweise aus einem Pulverteilchen eines Superlegierungspulvers 22 gebildet, in dem eine Diffusionsschicht 19 im Randbereich gebildet wird. Ebenso kann ein weiteres, vorzugsweise ein metallisches Element in ein Superlegierungsteilchen eindiffundiert (alitiert) werden, welches durch eine geänderte Zusammensetzung den Schmelzpunkt erniedrigt. Beispiele dafür sind Aluminium (Al), Titan (Ti) und/oder Tantal (Ta) .
Figur 4 zeigt eine Anwendung der Pulverteilchen als Lotmate- πal .
Dabei werden die Pulverteilchen 10 in Pastenform oder ahnlicher Art und Weise auf den Riss 25 aufgetragen. Ebenso ist es möglich die Pulverteilchen 10 mittels HVOF oder Kaltgasspritzen in auf oder um den Riss 25 aufzutragen. Wahrend der Lotbehandlung, bei der Warme zugeführt wird (+T) kommt es zu keiner Entmischung des Fullmaterials wie beim Stand der Technik, sondern eine gleichmäßige Verteilung des Kerns, so dass das Fullmateπal gleichmäßig verteilt ist.
Ebenso kann das Verfahren beim Schweißen angewendet werden.
Insbesondere kann bei der Verwendung von Pulverteilchen 10 gemäß Figur 3 der Kern 13 aus einer Superlegierungszusammensetzung bestehen, die die gleiche Zusammensetzung aufweist wie das Substrat 26 des zu reparierenden Bauteils 120, 130, 155. Em solches Bauteil 26 ist beispielsweise eine Turbinenschau¬ fel 120, 130 (Figur 4, 5) oder ein Brennkammerelement 155 (Figur 7) , das vorzugsweise aus einen nickel- oder kobaltba- sierten Superlegierung gemäß Figur 8 besteht.
Die Figur 5 zeigt beispielhaft eine Gasturbine 100 in einem
Langsteilschnitt .
Die Gasturbine 100 weist im Inneren einen um eine Rotations- achse 102 drehgelagerten Rotor 103 mit einer Welle 101 auf, der auch als Turbinenlaufer bezeichnet wird.
Entlang des Rotors 103 folgen aufeinander ein Ansauggehause 104, ein Verdichter 105, eine beispielsweise torusartige Brennkammer 110, insbesondere Ringbrennkammer, mit mehreren koaxial angeordneten Brennern 107, eine Turbine 108 und das Abgasgehause 109.
Die Ringbrennkammer 110 kommuniziert mit einem beispielsweise ringförmigen Heißgaskanal 111. Dort bilden beispielsweise vier hintereinander geschaltete Turbinenstufen 112 die Tur- bine 108.
Jede Turbinenstufe 112 ist beispielsweise aus zwei Schaufelringen gebildet. In Stromungsrichtung 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 Innengehause 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) .
Wahrend des Betriebes der Gasturbine 100 wird vom Verdichter 105 durch das Ansauggehause 104 Luft 135 angesaugt und ver- dichtet. Die am turbinenseitigen Ende des Verdichters 105 be¬ reitgestellte verdichtete Luft wird zu den Brennern 107 gefuhrt und dort mit einem Brennmittel vermischt. Das Gemisch wird dann unter Bildung des Arbeitsmediums 113 in der Brenn- kammer 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 impulsubertragend, so dass die Laufschaufeln 120 den Rotor 103 antreiben und dieser die an ihn angekoppelte Arbeitsmaschine.
Die dem heißen Arbeitsmedium 113 ausgesetzten Bauteile unterliegen wahrend des Betriebes der Gasturbine 100 thermischen Belastungen. Die Leitschaufeln 130 und Laufschaufeln 120 der in Stromungsrichtung 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 Kuhlmittels gekühlt werden. Ebenso können Substrate der Bauteile eine gerichtete Struktur aufweisen, d.h. sie sind einkristallin (SX-Struktur) oder weisen nur langsgeπchtete Korner auf (DS-Struktur) . Als Material für die Bauteile, insbesondere für die Turbinen- schaufel 120, 130 und Bauteile der Brennkammer 110 werden beispielsweise eisen-, nickel- oder kobaltbasierte Super- legierungen 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 Legierungen Teil der Offenbarung.
Die Leitschaufel 130 weist einen dem Innengehause 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 Laufschau¬ fel 120 oder Leitschaufel 130 einer Stromungsmaschine, die sich entlang einer Langsachse 121 erstreckt.
Die Stromungsmaschine kann eine Gasturbine eines Flugzeugs oder eines Kraftwerks zur Elektrizitatserzeugung, eine Dampf¬ turbine oder ein Kompressor sein.
Die Schaufel 120, 130 weist entlang der Längsachse 121 auf- einander 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 darge- stellt) .
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 Schau¬ felblatt 406 vorbeistromt, eine Anstromkante 409 und eine Ab- stromkante 412 auf.
Bei herkömmlichen Schaufeln 120, 130 werden in allen Berei¬ chen 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 Frasverfahren oder Kombinationen daraus gefertigt sein. Werkstucke mit einkristalliner Struktur oder Strukturen wer¬ den als Bauteile für Maschinen eingesetzt, die im Betrieb hohen mechanischen, thermischen und/oder chemischen Belastun- gen ausgesetzt sind.
Die Fertigung von derartigen einkristallmen Werkstucken er¬ folgt z.B. durch gerichtetes Erstarren aus der Schmelze. Es handelt sich dabei um Gießverfahren, bei denen die flussige metallische Legierung zur einkristallmen Struktur, d.h. zum einkristallmen Werkstuck, oder gerichtet erstarrt.
Dabei werden dendritische Kristalle entlang dem Warmefluss ausgerichtet und bilden entweder eine stangelkristallme Kornstruktur (kolumnar, d.h. Korner, die über die ganze Lange des Werkstuckes verlaufen und hier, dem allgemeinen Sprach- gebrauch nach, als gerichtet erstarrt bezeichnet werden) oder eine einkπstalline Struktur, d.h. das ganze Werkstuck besteht aus einem einzigen Kristall. In diesen Verfahren muss man den Übergang zur globulitischen (polykπstallmen) Erstarrung meiden, da sich durch ungeπchtetes Wachstum notwen- digerweise transversale und longitudmale Korngrenzen ausbilden, welche die guten Eigenschaften des gerichtet erstarrten oder einkristallmen Bauteiles zunichte machen. Ist allgemein von gerichtet erstarrten Gefugen die Rede, so sind damit sowohl Einkristalle gemeint, die keine Korngrenzen oder höchstens Klemwmkelkorngrenzen aufweisen, als auch
Stangelkπstallstrukturen, die wohl m longitudmaler Richtung verlaufende Korngrenzen, aber keine transversalen Korn¬ grenzen aufweisen. Bei diesen zweitgenannten kristallinen Strukturen spricht man auch von gerichtet erstarrten Gefugen (directionally solidified structures) .
Solche Verfahren sind aus der US-PS 6,024,792 und der 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 0 486 489 Bl, EP 0 786 017 Bl, EP 0 412 397 Bl oder EP 1 306 454 Al, die bzgl. der chemischen Zusammenset- zung 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 schutzende Aluminiumoxidschicht (TGO = thermal grown oxide layer) .
Auf der MCrAlX kann noch eine Warmedammschicht vorhanden sein, die vorzugsweise die äußerste Schicht ist, und besteht beispielsweise aus ZrÜ2, Y2Ü3-Zrθ2, d.h. sie ist nicht, teil- weise oder vollständig stabilisiert durch Yttriumoxid und/oder Kalziumoxid und/oder Magnesiumoxid. Die Warmedammschicht bedeckt die gesamte MCrAlX-Schicht . Durch geeignete Beschichtungsverfahren wie z.B. Elektronen- strahlverdampfen (EB-PVD) werden stangelformige Korner in der Warmedammschicht erzeugt.
Andere Beschichtungsverfahren sind denkbar, z.B. atmosphärisches Plasmaspritzen (APS), LPPS, VPS oder CVD. Die Warme¬ dammschicht kann poröse, mikro- oder makroπssbehaftete Kor¬ ner zur besseren Thermoschockbestandigkeit aufweisen. Die Warmedammschicht ist also vorzugsweise poröser als die MCrAlX-Schicht.
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 Filmkuhllocher 418 (gestrichelt angedeutet) auf.
Die Figur 7 zeigt eine Brennkammer 110 der Gasturbine 100. Die Brennkammer 110 ist beispielsweise als so genannte Ring¬ brennkammer ausgestaltet, bei der eine Vielzahl von in Um- fangsπchtung um eine Rotationsachse 102 herum angeordneten Brennern 107 in einen gemeinsamen Brennkammerraum 154 munden, 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 eine vergleichsweise hohe Temperatur des Arbeitsmediums M von etwa 10000C bis 16000C ausgelegt. Um auch bei diesen, für die Materialien ungunstigen Betriebsparametern eine vergleichsweise lange Betriebsdauer zu ermog- liehen, ist die Brennkammerwand 153 auf ihrer dem Arbeitsme- dium M zugewandten Seite mit einer aus Hitzeschildelementen 155 gebildeten Innenauskleidung versehen.
Aufgrund der hohen Temperaturen im Inneren der Brennkammer 110 kann zudem für die Hitzeschildelemente 155 bzw. für deren Halteelemente ein Kuhlsystem vorgesehen sein. Die Hitzeschildelemente 155 sind dann beispielsweise hohl und weisen ggf. noch in den Brennkammerraum 154 mundende Kuhllocher (nicht dargestellt) auf.
Jedes Hitzeschildelement 155 aus einer Legierung ist arbeits- mediumsseitig mit einer besonders hitzebestandigen Schutzschicht (MCrAlX-Schicht und/oder keramische Beschichtung) ausgestattet oder ist aus hochtemperaturbestandigem 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 War- medammschicht vorhanden sein und besteht beispielsweise aus ZrÜ2, Y2θ3-ZrÜ2, d.h. sie ist nicht, teilweise oder vollstan- dig stabilisiert durch Yttriumoxid und/oder Kalziumoxid und/oder Magnesiumoxid.
Durch geeignete Beschichtungsverfahren wie z.B. Elektronen- strahlverdampfen (EB-PVD) werden stangelformige Korner in der Warmedammschicht erzeugt.
Andere Beschichtungsverfahren sind denkbar, z.B. atmosphäri¬ sches Plasmaspritzen (APS), LPPS, VPS oder CVD. Die Warmedammschicht kann poröse, mikro- oder makroπssbehaftete Korner zur besseren Thermoschockbestandigkeit aufweisen.
Wiederaufarbeitung (Refurbishment) bedeutet, dass Turbinenschaufeln 120, 130, Hitzeschildelemente 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 der Turbmenschaufel 120, 130 oder dem Hitzeschildelement 155 repariert. Danach erfolgt eine Wiederbeschichtung der Turbinenschaufeln 120, 130, Hitzeschildelemente 155 und ein erneuter Einsatz der Turbinenschaufeln 120, 130 oder der Hitzeschildelemente 155.

Claims

Patentansprüche
1. Pulverteilchen (10) aus einem Kern (13) mit metallischer Hülle (16), wobei das Material des Kerns (13) von dem Material der Hülle (16) verschieden ist und bei dem die Hülle (16) um den Kern (13) durch eine Diffusionsschicht gebildet ist.
2. Pulverteilchen nach Anspruch 1, bei dem das Material des Kerns (13! nicht metallisch ist
3. Pulverteilchen nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der Kern (13) eine Keramik aufweist, insbesondere Aluminiumoxid, Yttriumoxid, Zirkonoxid und/oder Chromoxid aufweist.
4. Pulverteilchen nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der Kern (13) aus einer Keramik besteht, insbesondere aus Aluminiumoxid, Yttriumoxid, Zirkonoxid und/oder Chromoxid besteht.
5. Pulverteilchen nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der Kern (13) Glas aufweist oder glaskeramisch ist.
6. Pulverteilchen nach Anspruch 1, bei dem der Kern (13) ein Metall oder eine Legierung aufweist.
7. Pulverteilchen nach Anspruch 1, bei dem der Kern (13) aus einem Metall oder aus einer Legierung besteht.
8. Pulverteilchen nach Anspruch 6, bei dem der Kern (13) Ni3Al aufweist.
9. Pulverteilchen nach Anspruch 7, bei dem der Kern (13) aus Ni3Al besteht.
10. Pulverteilchen nach Anspruch 6, bei dem der Kern (13) eine nickel- oder kobaltbasierte Superlegierung aufweist.
11. Pulverteilchen nach Anspruch 7, bei dem der Kern (13) aus einer nickel- oder kobaltbasierten Superlegierung besteht.
12. Pulverteilchen nach Anspruch 10 oder 11, bei dem der Kern (13) Rene 80 aufweist oder aus Rene 80 besteht .
13. Pulverteilchen nach Anspruch 10 oder 11, bei dem der Kern (13) IN738 aufweist oder aus IN738 besteht.
14. Pulverteilchen nach Anspruch 10 oder 11, bei dem der Kern (13) IN939 aufweist oder aus IN939 be¬ steht.
15. Pulverteilchen nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, bei dem das Material der Hülle (16) einen niedrigeren Schmelzpunkt aufweist als das Material des Kerns (13) .
16. Pulverteilchen nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, bei dem die Hülle (16) um den Kern (13) aus einem Lotmate- πal besteht.
17. Pulverteilchen nach einem oder mehreren der vorherigen
Ansprüche, bei dem das Material der Hülle (16) ein Amdry-Pulver aufweist oder aus einem Amdry-Pulver besteht.
18. Pulverteilchen nach Anspruch 1, bei dem die Diffusionsschicht durch die Diffusion von zumindest einem Schmelzpunkterniedπger, insbesondere Bor (B) , Kohlenstoff (C) , Hafnium (Hf) , Sili¬ zium (Si) und/oder Zirkon (Zr) gebildet ist.
19. Pulverteilchen nach Anspruch 1, 15, 16, 17 oder 18, das einen einzigen Schmelzpunkterniedπger aufweist.
20. Pulverteilchen nach einem oder mehreren der vorherigen
Ansprüche, bei dem das Pulverteilchen (10) ein Durchmesser im Nanome- terbereich aufweist, insbesondere Korngroßen ≤ 700nm, insbesondere ≤ 500nm auf- welst .
21 . Baute i l ( 12 0 , 130 , 155 ) , das Pulverteilchen (10) nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 20 enthalt.
22. Bauteil nach Anspruch 21, dessen Substrat (26) eine nickel- oder kobaltbasierte Superlegierung aufweist.
23. Bauteil nach Anspruch 22, bei dem der Kern (13) des Pulverteilchens (10) dieselbe Superlegierung wie das Substrat aufweist.
24. Bauteil nach Anspruch 22, bei dem das Material der Hülle (16) einen niedrigeren Schmelzpunkt aufweist als das Material des Substrats (26) des Bauteils (120, 130, 155) .
25. Verfahren zum Loten eines Bauteils (26) mit einem Riss (25), bei dem Pulverteilchen gemäß ein oder mehreren der vorhe- πgen Ansprüche 1 bis 20 verwendet werden.
26. Verfahren nach Anspruch 25, bei dem das Bauteil (26) eine Superlegierung aufweist und bei dem für den Kern (13) die gleiche Superlegierungszusammensetzung verwendet wird.
27. Verfahren nach Anspruch 25 oder 26, bei dem die Pulverteilchen (10) mittels HVOF auf oder in den Riss (25) aufgetragen werden.
28. Verfahren nach Anspruch 25 oder 26, bei dem das Kaltgasspritzen verwendet wird, um die Pulverteilchen (10) auf oder in den Riss (25) aufzutragen .
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