EP2240293A1 - Verfahren zum aufschmelzen von gekrümmten oberflächen und eine vorrichtung - Google Patents

Verfahren zum aufschmelzen von gekrümmten oberflächen und eine vorrichtung

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EP2240293A1
EP2240293A1 EP08872349A EP08872349A EP2240293A1 EP 2240293 A1 EP2240293 A1 EP 2240293A1 EP 08872349 A EP08872349 A EP 08872349A EP 08872349 A EP08872349 A EP 08872349A EP 2240293 A1 EP2240293 A1 EP 2240293A1
Authority
EP
European Patent Office
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curved surface
energy beam
substrate
energy
angle
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP08872349A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Bernd Burbaum
Selim Mokadem
Norbert Pirch
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Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Siemens AG
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Siemens AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV, Siemens AG filed Critical Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Publication of EP2240293A1 publication Critical patent/EP2240293A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
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    • B23K2103/50—Inorganic material, e.g. metals, not provided for in B23K2103/02 – B23K2103/26

Definitions

  • the invention relates to a method for melting curved surfaces according to the preamble of claim 1 and a corresponding device.
  • the object is achieved by a method according to claim 1, in which the direction of the energy beam is adapted to the curvature of the surface, and a device according to claim 15.
  • Method, Figure 3 is a gas turbine
  • FIG. 4 shows in perspective a turbine blade FIG. 5 in perspective a combustion chamber and FIG. 6 shows a list of superalloys.
  • FIG. 1 shows the schematic sequence of the method according to the prior art with different positions of an energy source 16, in particular a welding apparatus, over a component 1, 120, 130, 155 (FIGS. 4, 5) in a direction of translation (in the drawing from the left to the right) .
  • a substrate 4 of the component 1, 120, 130, 155 has a curved surface 7 with a normal n (perpendicular). The direction of the normal n changes along the curved surface 7.
  • the curved surface 7 is intended to be thrown up or remelted by energy beams 13.
  • an energy source 16 preferably by means of a plasma or by means of a laser emitting laser beams 13.
  • a laser beam 13 strikes the surface 22 at an angle.
  • the position of the laser 16 is not changed relative to the substrate 4, even if the laser beam 13 moves away from the curved surface 7, so that the angle ⁇ between the normal paint ⁇ the surface 7 and the laser beam 13 is changed.
  • FIG. 2 shows schematically the course of the method according to the invention.
  • the position of the laser beam 13 relative to the substrate 4 is changed so that the angle ⁇ between the laser beam 13 and the normal n of the surface 7 is preferably remains constant.
  • the change can preferably be adjusted continuously.
  • the position of the laser beam 13 with respect to the curved surface 7 is changed at least three times. So there is a quasi-continuous adjustment of the angle.
  • the angle ⁇ By varying the angle ⁇ , the local variability of the laser power and the local speed is reduced. Since the temperature signal of the welding spot generated by the laser beam is influenced by the change in the angle ⁇ , preferably also no percentage control of the temperature of the melt takes place.
  • the angle ⁇ is preferably between 8 ° and 12 °, preferably 10 °.
  • the laser power is preferably 750W.
  • the preheating temperature is preferably from 500 0 C.
  • the travel speed is preferably 50 mm / min.
  • Such curved surface regions 7 are, in the area of the turbine blade 120, 130, the transition between the blade leaf 406 and the blade blade 403.
  • the distance of the laser 16 to the surface 7 can be adjusted, in particular kept constant, since the curvature of the surface 7, the distance to the laser 16 changes. As a result, the energy input into the substrate 4 remains uniform.
  • the method can be applied to convex surfaces.
  • weld metal can be supplied to the substrate 4, which is melted and fills cracks or reinforced component walls.
  • the method is advantageous in a directionally solidified substrate 4, the columnar solidified grains (DS) or monocrystalline (SX) is formed, since there the crystal orientation plays an important role, which is influenced by the application of temperature gradients.
  • Substrates 4 preferably have a superalloy according to FIG.
  • FIG. 3 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, 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 stage 112 is formed, for example, from two blade rings. In the flow direction of a working medium
  • a row 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-side end of the compressor 105 is guided to the burners 107 and mixed there with a fuel.
  • the mixture is then burned to form the working fluid 113 in the combustion chamber 110.
  • the working medium flows 113 along the hot gas channel 111 past the guide vanes 130 and the blades 120.
  • the working medium 113 expands in a pulse-transmitting manner, so that the blades 120 drive the rotor 103 and this drives the machine coupled to it.
  • the components exposed to the hot working medium 113 are subject to thermal loads during operation of the gas turbine 100.
  • the guide vanes 130 and rotor blades 120 of the first turbine stage 112, viewed in the flow direction 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. To withstand the prevailing temperatures, 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 longitudinal grains (DS structure).
  • iron-, nickel- or cobalt-based superalloys are used as the material for the components, in particular for the turbine blade 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.
  • the blades 120, 130 may be anti-corrosion coatings (MCrAlX; M is at least one element of the group iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni), X is an active element and represents yttrium (Y) and / or silicon , Scandium (Sc) and / or at least one element of the rare earth or hafnium).
  • M is at least one element of the group iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni)
  • X is an active element and represents yttrium (Y) and / or silicon , Scandium (Sc) and / or at least one element of the rare earth or hafnium).
  • Such alloys are known from EP 0 486 489 B1, EP 0 786 017 Bl, EP 0 412 397 B1 or EP 1 306 454 A1.
  • MCrAlX may still be a thermal barrier layer, and consists for example of Zr ⁇ 2, Y2Ü3-Zr ⁇ 2, that is, it is not, partially or completely stabilized by yttria and / or calcium oxide and / or magnesium oxide.
  • Suitable coating processes such as electron beam evaporation (EB-PVD), produce stalk-shaped grains in the thermal barrier coating.
  • EB-PVD electron beam evaporation
  • 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. 4 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 fir tree or Schissebwschwanzfuß 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.
  • the blade 120, 130 can hereby be manufactured 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 grain structure (columnar, ie grains that run the entire length of the workpiece and here, for general language use, referred to as directionally solidified) or a monocrystalline structure, ie the whole workpiece consists of a single crystal.
  • a columnar grain structure columnar, ie grains that run the entire length of the workpiece and here, for general language use, referred to as directionally solidified
  • a monocrystalline structure ie the whole workpiece consists of a single crystal.
  • directionally solidified structures generally refers to single crystals that have no grain boundaries or at most small-angle grain boundaries, as well as stem crystal structures that have grain boundaries running in the longitudinal direction but no transverse grain boundaries. These second-mentioned crystalline structures are also known as directionally solidified structures.
  • the blades 120, 130 may have coatings against corrosion or oxidation, e.g. 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 ones Earth, or hafnium (Hf)).
  • 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 ones Earth, or hafnium (Hf)).
  • Such alloys are known from EP 0 486 489 B1, EP 0 786 017 Bl, EP 0 412 397 B1 or EP 1 306 454 A1.
  • the density is preferably 95% of the theoretical
  • TGO thermal grown oxide layer
  • the layer composition comprises Co-30Ni-28Cr-8A1-0, 6Y-0, 7Si or Co-28Ni-24Cr-10Al-0, 6Y.
  • nickel-based protective layers such as Ni-10Cr-12Al-0.6Y-3Re or Ni-12Co-21Cr-IIAl-O, 4Y-2Re or Ni-25Co-17Cr-1OAl-O, 4Y-I are also preferably used , 5Re.
  • thermal barrier coating which is preferably the outermost layer, and consists for example of ZrC> 2, Y2Ü3-Zr ⁇ 2, ie it is not, partially ⁇ or fully stabilized by yttria and / or calcium oxide and / or magnesium oxide ,
  • the thermal barrier coating covers the entire MCrAlX layer.
  • Suitable coating processes such as electron beam evaporation (EB-PVD), produce stalk-shaped grains in the thermal barrier coating.
  • 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). This is followed by removal of the corrosion and / or oxidation layers or products. 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 have film cooling holes 418 (indicated by dashed lines).
  • FIG. 5 shows a combustion chamber 110 of a gas turbine.
  • the combustion chamber 110 is configured, for example, as a so-called annular combustion chamber, in which a multiplicity of burners 107 arranged in the circumferential direction about a rotation axis 102 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 for a comparatively high temperature the working medium M of about 1000 0 C to 1600 0 C designed.
  • the combustion chamber wall 153 is provided on its side facing the working medium M with an inner lining formed from heat shield elements 155.
  • 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 Bl, EP 0 412 397 B1 or EP 1 306 454 A1.
  • MCrAlX may still be present, for example, a ceramic thermal barrier coating and consists for example of ZrC> 2, Y2Ü3 Zr ⁇ 2, ie it is not, partially or fully ⁇ dig stabilized by yttrium and / or calcium oxide and / or magnesium oxide.
  • Electron beam evaporation produces stalk-shaped grains in the thermal barrier coating.
  • the heat-insulating layer may have porous, micro- or macro-cracked grains for better thermal shock resistance.
  • Refurbishment means that 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. If necessary, 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.

Abstract

Bauteile, die sowohl ebene als auch gekrümmte Oberflächen aufweisen, lassen sich oft schlecht schweißen. Das erfindungsgemäße Verfahren schlägt vor, die Orientierung des Laserschweißgeräts (16) zur gekrümmten Oberfläche (7) des Substrats (4) in Abhängigkeit von der Krümmung der Oberfläche (7) zu variieren.

Description

Verfahren zum Aufschmelzen von gekrümmten Oberflächen und eine Vorrichtung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufschmelzen von gekrümmten Oberflächen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und eine entsprechende Vorrichtung.
Oberflächen von Bauteilen werden mittels eines Laserpulver- auftragsverfahrens repariert, indem Material der Oberfläche zugeführt wird, welches durch den Laser aufgeschmolzen wird.
Ebenso kann es möglich sein, dass Risse im Bauteil umgeschmolzen werden oder schon geschweißte Bereiche ein zweites Mal aufgeschmolzen werden, um eine gewünschte Mikrostruktur zu erreichen, oder um Risse in der Schweißnaht zu reparieren,
Dabei werden sowohl ebene als auch gekrümmte Oberflächen repariert .
Jedoch kommt es bei solchen Bauteilen, die sowohl ebene oder gekrümmte Oberflächen aufweisen, immer wieder zu unbefriedigenden Schweißergebnissen.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung oben genanntes Problem zu lösen .
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem die Richtung des Energiestrahls der Krümmung der Oberfläche angepasst wird und eine Vorrichtung gemäß Anspruch 15.
In den Unteransprüchen 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 schematisch den Ablauf des erfindungsgemäßen
Verfahrens, Figur 3 eine Gasturbine,
Figur 4 perspektivisch eine Turbinenschaufel Figur 5 perspektivisch eine Brennkammer und Figur 6 eine Liste von Superlegierungen .
Die Figuren und die Beschreibung zeigen nur Ausführungsbei- spiele der Erfindung.
Figur 1 zeigt den schematischen Ablauf des Verfahrens nach dem Stand der Technik mit verschiedenen Stellungen einer Energiequelle 16, insbesondere eines Schweißgerätes, über einem Bauteil 1, 120, 130, 155 (Fig. 4, 5) in einer Translationsrichtung (in der Zeichnung von links nach rechts) .
Ein Substrat 4 des Bauteils 1, 120, 130, 155 weist eine ge- krümmte Oberfläche 7 mit einer Normalen n (Senkrechten) auf. Die Richtung der Normalen n verändert sich entlang der gekrümmten Oberfläche 7.
Die gekrümmte Oberfläche 7 soll durch Energiestrahlen 13 auf- bzw. umgeschmolzen werden soll.
Dies erfolgt mittels einer Energiequelle 16, vorzugsweise mittels eines Plasmas oder mittels eines Lasers, der Laserstrahlen 13 ausstrahlt.
Der Stand der Technik und die nachfolgend beschriebene Erfin- düng werden nur beispielhaft mittels Laserschweißens beschrieben .
Bezogen auf eine ebene Oberfläche 22 des Substrats 4 trifft ein Laserstrahl 13 in einem Winkel α auf die Oberfläche 22. Die Stellung des Lasers 16 wird gegenüber dem Substrat 4 nicht verändert, auch wenn der Laserstrahl 13 die gekrümmte Oberfläche 7 abfährt, so dass der Winkel γ zwischen der Nor- malen ή der Oberfläche 7 und dem Laserstrahl 13 sich verändert.
Dies führt oft zu Rissen beim Umschmelzen oder zu ungleichmäßigen Schmelztiefen, insbesondere bei der Restrukturierung von gerichtet erstarrten (DS, SX) Bauteilen 120, 130.
Figur 2 zeigt schematisch den Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Wenn der Laserstrahl 13 auf die gekrümmte Oberfläche 7, die vorzugsweise U-förmig ausgebildet ist, trifft, so wird die Stellung des Laserstrahls 13 gegenüber dem Substrat 4 so verändert, dass der Winkel γ zwischen dem Laserstrahl 13 und der Normalen n der Oberfläche 7 vorzugsweise konstant bleibt.
Die Änderung kann vorzugsweise kontinuierlich angepasst werden .
Ebenso kann es sein, dass die Stellung des Laserstrahls 13 nur verändert wird, wenn durch Verschiebung vom Laser 16 und Substrat 4 gegeneinander in Translationsrichtung eine Winkeländerung Δγ erfolgt und eine bestimmte Winkeländerung Δγ zwischen Energiestrahl 13 und Normalen n, vorzugsweise von Δγ = 3°, insbesondere von 1°, ganz insbesondere von 0,5° überschritten wird, so dass nur eine quasikontinuierliche Änderung des Laserstrahls 13 zur Oberfläche 7 erfolgt. Im Falle einer gekrümmten Oberfläche 7 wie in der Figur 2 wird zumindest dreimal die Stellung des Laserstrahls 13 gegenüber der gekrümmten Oberfläche 7 verändert. Es findet also eine quasikontinuierliche Anpassung des Winkels statt.
Durch die Variation des Winkels γ wird die lokale Variabili- tat der Laserleistung und der lokalen Geschwindigkeit reduziert . Da das Temperatursignal des durch den Laserstrahl erzeugten Schweißflecks durch die Veränderung des Winkels γ beeinflusst wird, erfolgt vorzugsweise auch keine Prozentkontrolle der Temperatur der Schmelze.
Der Winkel γ beträgt vorzugsweise zwischen 8° und 12°, vorzugsweise 10 ° .
Die Laserleistung beträgt vorzugsweise 750W. Die Vorheiztemperatur beträgt vorzugsweise 5000C.
Die Verfahrgeschwindigkeit beträgt vorzugsweise 50mm/min.
Solche gekrümmten Oberflächenbereiche 7 sind im Bereich der Turbinenschaufel 120, 130 der Übergang zwischen Schaufelblatt 406 und Schaufelblattform 403.
Ebenso kann vorzugsweise der Abstand des Lasers 16 zur Oberfläche 7 angepasst werden, insbesondere konstant gehalten werden, da durch die Krümmung der Oberfläche 7 sich der Abstand zum Laser 16 verändert. Dadurch bleibt der Energieeintrag in das Substrat 4 gleichmäßig.
Ebenso kann das Verfahren bei konvexen Oberflächen angewendet werden .
Weiterhin kann Schweißgut dem Substrat 4 zugeführt werden, das aufgeschmolzen wird und Risse auffüllt oder Bauteilwände verstärkt .
Insbesondere ist das Verfahren vorteilhaft bei einem gerichtet erstarrten Substrat 4, das kolumnar erstarrte Körner (DS) aufweist oder einkristallin (SX) ausgebildet ist, da dort die Kristallorientierung eine wichtige Rolle spielt, die beim Auftragen von Temperaturgradienten beeinflusst wird.
Substrate 4 weisen vorzugsweise einer Superlegierung gemäß Figur 6 auf. Die Figur 3 zeigt beispielhaft eine Gasturbine 100 in einem Längsteilschnitt .
Die Gasturbine 100 weist im Inneren einen um eine Rotations- achse 102 drehgelagerten Rotor 103 mit einer Welle 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 Turbinenstufe 112 ist beispielsweise aus zwei Schaufel- ringen 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 105 be- reitgestellte 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 Superle- gierungen 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.
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, Scandium (Sc) und/oder zumindest ein Element der Seltenen Erden bzw. Haf- nium) . 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. Auf der MCrAlX kann noch eine Wärmedämmschicht vorhanden sein, und besteht beispielsweise aus Zrθ2, Y2Ü3-Zrθ2, d.h. sie ist nicht, teilweise oder vollständig stabilisiert durch Yttriumoxid und/oder Kalziumoxid und/oder Magnesiumoxid. Durch geeignete Beschichtungsverfahren wie z.B. Elektronen- strahlverdampfen (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 4 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 Schwal- benschwanzfuß 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 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.
Die Schaufel 120, 130 kann hierbei durch ein Gussverfahren, auch mittels gerichteter Erstarrung, durch ein Schmiedeverfahren, durch ein Fräsverfahren oder Kombinationen daraus ge- fertigt sein.
Werkstücke mit einkristalliner Struktur oder Strukturen werden als Bauteile für Maschinen eingesetzt, die im Betrieb hohen mechanischen, thermischen und/oder chemischen Belastun- gen 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 Sprach- gebrauch nach, als gerichtet erstarrt bezeichnet werden) oder eine einkristalline Struktur, d.h. das ganze Werkstück besteht aus einem einzigen Kristall. In diesen Verfahren muss man den Übergang zur globulitischen (polykristallinen) Erstarrung meiden, da sich durch ungerichtetes Wachstum notwen- digerweise transversale und longitudinale Korngrenzen ausbilden, welche die guten Eigenschaften des gerichtet erstarrten oder einkristallinen Bauteiles 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 Rich- tung verlaufende Korngrenzen, aber keine transversalen Korngrenzen aufweisen. Bei diesen zweitgenannten kristallinen Strukturen spricht man auch von gerichtet erstarrten Gefügen (directionally solidified structures) .
Solche Verfahren sind aus der US-PS 6,024,792 und der EP 0 892 090 Al bekannt.
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 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) .
Vorzugsweise weist die Schichtzusammensetzung Co-30Ni-28Cr- 8A1-0, 6Y-0, 7Si oder Co-28Ni-24Cr-10Al-0, 6Y auf. Neben diesen kobaltbasierten Schutzbeschichtungen werden auch vorzugsweise nickelbasierte Schutzschichten verwendet wie Ni-10Cr-12Al- 0,6Y-3Re oder Ni-12Co-21Cr-llAl-0, 4Y-2Re oder Ni-25Co-17Cr- 1OAl-O, 4Y-I, 5Re.
Auf der MCrAlX kann noch eine Wärmedämmschicht vorhanden sein, die vorzugsweise die äußerste Schicht ist, und besteht beispielsweise aus ZrC>2, Y2Ü3-Zrθ2, d.h. sie ist nicht, teil¬ weise oder vollständig stabilisiert durch Yttriumoxid und/oder Kalziumoxid und/oder Magnesiumoxid. Die Wärmedämmschicht bedeckt die gesamte MCrAlX-Schicht . Durch geeignete Beschichtungsverfahren wie z.B. Elektronen- strahlverdampfen (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. 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 Oxidations- schichten bzw. -produkte. Gegebenenfalls werden auch noch Risse im Bauteil 120, 130 repariert. Danach erfolgt eine Wie- derbeschichtung 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 angedeu- tet) auf.
Die Figur 5 zeigt eine Brennkammer 110 einer Gasturbine.
Die Brennkammer 110 ist beispielsweise als so genannte Ring- brennkammer ausgestaltet, bei der eine Vielzahl von in Um- fangsrichtung 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 eine 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 Arbeitsme- dium M zugewandten Seite mit einer aus Hitzeschildelementen 155 gebildeten Innenauskleidung versehen.
Jedes Hitzeschildelement 155 aus einer Legierung ist arbeits- mediumsseitig mit einer besonders hitzebeständigen Schutz- schicht (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.
Auf der MCrAlX kann noch eine beispielsweise keramische Wärmedämmschicht vorhanden sein und besteht beispielsweise aus ZrC>2, Y2Ü3-Zrθ2, d.h. sie ist nicht, teilweise oder vollstän¬ dig stabilisiert durch Yttriumoxid und/oder Kalziumoxid und/oder Magnesiumoxid.
Durch geeignete Beschichtungsverfahren wie z.B. Elektronen- strahlverdampfen (EB-PVD) werden stängelförmige Körner in der Wärmedämmschicht erzeugt.
Andere Beschichtungsverfahren sind denkbar, z.B. atmosphärisches Plasmaspritzen (APS), LPPS, VPS oder CVD. Die Wärme- dämmschicht kann poröse, mikro- oder makrorissbehaftete Körner zur besseren Thermoschockbeständigkeit aufweisen. Wiederaufarbeitung (Refurbishment) bedeutet, dass 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 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 Aufschmelzen einer gekrümmten Oberfläche (7) eines Substrats (4) mittels eines Energiestrahls (13), bei dem der Energiestrahl (13) und/oder das Substrat (4) gegeneinander verfahren werden, um die gekrümmte Oberfläche (7) aufzuschmelzen,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Ausrichtung des Energiestrahls (13) zur gekrümmten Oberfläche (7) während des Verfahrens variiert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
ein Winkel (γ) zwischen einer Normalen (n) der gekrümmten Oberfläche (7) und dem Energiestrahl (13) konstant gehalten wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
die Ausrichtung der Energiequelle (16) des Energiestrahls (13) zur gekrümmten Oberfläche (7) quasikontinuierlich, insbesondere mindestens drei Mal, verändert wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass
die Umorientierung des Energiestrahls (13) zur gekrümmten Oberfläche (7) nur durch Drehung der Energiequelle (16) des Energiestrahls (13) erreicht wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass
die Umorientierung des Energiestrahls (13) zur gekrümmten Oberfläche (7) des Substrats (4) nur durch Drehung des Substrats (4) erreicht wird.
6. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass
die Umorientierung des Energiestrahls (13) zur gekrümmten Oberfläche (7) des Substrats (4) sowohl durch Drehung der Energiequelle (16) des Energiestrahls (13) als auch durch Drehung des Substrats (4) erreicht wird.
7. Verfahren nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass
der Abstand zwischen Energiequelle (16) des Energiestrahls (13) und der gekrümmten Oberfläche (7) des Substrats (4) konstant gehalten wird.
8. Verfahren nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass
ein Winkel (γ) zwischen 8° bis 12°, insbesondere 10°, zwischen Energiestrahl (13) und der Normalen (n) der gekrümmten Oberfläche (7) eingestellt wird.
9. Verfahren nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche 1, 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet,
dass die Energiequelle (16) des Energiestrahls (13) gegenüber der gekrümmten Oberfläche (7) verfahren wird, so dass sich der Winkel (γ) zwischen der Normalen (n) der gekrümmten Oberfläche (7) und dem Energiestrahl (13) der Energiequelle (16) ändert und dass ab einer Winkeländerung zwischen Energiestrahl (13) und der Normalen (n) von 3°, insbesondere von 1°, ganz insbesondere von 0.5°, die Ausrichtung von Energiequelle (16) und Energiestrahl (13) angepasst wird.
10. Verfahren nach einem oder mehreren der vorherigen
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
der Energiestrahl (13) ein Laserstrahl darstellt.
11. Verfahren nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass
Schweißgut der gekrümmten Oberfläche (7) zugeführt wird.
12. Verfahren nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass
die Oberfläche (7) des Substrats (4) nur umgeschmolzen wird.
13. Verfahren nach Anspruch 1, 5, 6, 7, 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass
ein aufgeschmolzener Anteil des Substrats (4) oder des Schweißguts kolumnar (DS) oder einkristallin (SX) erstarren gelassen wird.
14. Verfahren nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass
die gekrümmte Oberfläche (7) U-förmig ausgebildet ist.
15. Vorrichtung zum Aufschmelzen einer gekrümmten Oberfläche (7), die ein Substrat (4) aufnehmen kann, die ein Schweißgerät (16) aufweist, und
Mittel aufweist, durch die ein Winkel (γ) zwischen den Energiestrahlen (13) des Schweißgerätes (16) und einer Normalen (n) des gekrümmten Oberfläche (7) variiert werden kann, und
Bewegungsmittel aufweist, durch die das Substrat (4) und das Schweißgerät (16) sich relativ zueinander bewegen können.
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