Vorrichtung zum Schweißen mit einer Prozesskammer und ein Apparatus for welding with a process chamber and a
Schweißverfahrenwelding processes
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Schweißen mit einer Prozesskammer und ein Schweißverfahren in einer Prozesskammer .The invention relates to a device for welding with a process chamber and a welding method in a process chamber.
Schweißverfahren werden eingesetzt, um Bauteile miteinander zu verbinden oder um Bauteile zu reparieren, indem Risse umgeschmolzen werden, wobei je nach Anforderung auch noch Material (Schweißgut) hinzugefügt wird, um Material aufzutragen .Welding techniques are used to join components together or to repair components by remelting cracks, with material (weld metal) added as needed to apply material.
Dabei wird ein Energiestrahl, beispielsweise ein Laserstrahl über die Oberfläche eines Bauteils geführt, das von einem Prozessgas umspült wird, um eine Oxidation des heißen (aufgeschmolzenen) Schweißmaterials zu vermeiden.In this case, an energy beam, for example a laser beam is guided over the surface of a component, which is surrounded by a process gas, in order to avoid oxidation of the hot (molten) welding material.
Die Schutzwirkung des Prozessgases ist jedoch nicht immer ausreichend.However, the protective effect of the process gas is not always sufficient.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung oben genanntes Problem zu überwinden .It is therefore an object of the invention to overcome the above-mentioned problem.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren nach Anspruch 10, bei dem das zu schweißende Bauteil in einer Prozesskammer angeordnet ist und bearbeitet wird.The object is achieved by a device according to claim 1 and a method according to claim 10, wherein the component to be welded is arranged in a process chamber and is processed.
In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Maßnahmen aufgelistet, die beliebig miteinander kombiniert werden können, um weitere Vorteile zu erzielen.
Es zeigen:In the dependent claims further advantageous measures are listed, which can be combined with each other in order to achieve further advantages. Show it:
Figur 1, 2 erfindungsgemäße Vorrichtungen, 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 Ausführungsbeispiele der Erfindung.Figure 1, 2 devices of the invention, Figure 3 shows a gas turbine, Figure 4 is a perspective view of a turbine blade, Figure 5 is a perspective combustion chamber and Figure 6 is a list of superalloys. The figures and the description show only embodiments of the invention.
Figur 1 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung 30. Die Vorrichtung 30 weist eine Prozesskammer 31 auf, die vorzugsweise eine Vakuumkammer darstellt und/oder die 31 mit einem Schutzgas, wie z.B. Argon (Ar) und/oder Stickstoff (N2) oder einem Prozessgas geflutet ist oder wird.FIG. 1 shows a device 30 according to the invention. The device 30 has a process chamber 31, which preferably represents a vacuum chamber and / or which is flooded with a protective gas, such as argon (Ar) and / or nitrogen (N 2 ) or a process gas or will.
Vorzugsweise weist die Prozesskammer 31 ein Bewegungsmittel 38 auf, mittels dem ein Bauteil 4, 120, 130, 155, das an dem Bewegungsmittel 38 angeordnet ist, gekippt und/oder um die Längsachse gedreht werden kann. Vorzugsweise muss das Bewegungsmittel 38 das Bauteil 4 zumindest von einen Schweißgerät 33 weg oder hinkippen können. Die Kippung kann während der Verlegung zweier Schweißnähte, insbesondere wenn sich der Krümmungsverlauf der zu legenden Schweißnähte ändert, erfolgen. Ein Schweißverfahren kann in der Erzeugung einer oder mehrerer Schweißnähte angesehen werden.Preferably, the process chamber 31 has a movement means 38, by means of which a component 4, 120, 130, 155, which is arranged on the movement means 38, tilted and / or can be rotated about the longitudinal axis. Preferably, the movement means 38 must be able to tilt the component 4 away from or away from at least one welding device 33. Tilting can occur during the laying of two welds, especially when the curvature of the welds to be laid changes. A welding process can be considered in the production of one or more welds.
Eine Drehung findet vorzugsweise um eine Achse statt, die senkrecht steht zur Längsachse 121 (Fig. 4) des Bauteils 4. Die Längsachse ist am ehesten parallel zu der Strahlrichtung des Schweißgeräts 33 oder den Laserstrahlen oder der Längsrichtung der Prozesskammer 31.Rotation preferably occurs about an axis perpendicular to the longitudinal axis 121 (FIG. 4) of the component 4. The longitudinal axis is most likely parallel to the beam direction of the welder 33 or the laser beams or the longitudinal direction of the process chamber 31.
Eine Kippung des Bauteils 4 kann während der Bearbeitung mittels des Schweißgerätes 33 erfolgen oder nur vorab der Bestrahlung mittels des Schweißgerätes 33. So kann eine Krümmung der zu schweißenden Fläche berücksichtigt werden.
Ebenso kann das Bauteil 4, 120, 130, 155 durch das Bewegungsmittel 38 in der Höhe innerhalb der Prozesskammer 31 durch das Bewegungsmittel (38) verschoben werden. So kann die Prozesskammer 31 an verschiedene Größen von Bauteilen , 120, 130, 155 und/oder verschieden hohen Stellen des Bauteils , 120, 130, 155, die geschweißt werden sollen, angepasst werden .A tilting of the component 4 can take place during processing by means of the welding apparatus 33 or only in advance of the irradiation by means of the welding apparatus 33. Thus, a curvature of the surface to be welded can be taken into account. Likewise, the component 4, 120, 130, 155 can be displaced by the movement means 38 in the height within the process chamber 31 by the movement means (38). Thus, the process chamber 31 can be adapted to different sizes of components, 120, 130, 155 and / or different high points of the component, 120, 130, 155, which are to be welded.
Vorzugsweise ist das Schweißgerätes 33 ein Laser.Preferably, the welding device 33 is a laser.
Um das Bauteil 4, 120, 130, 155 ist vorzugsweise eine Heizschleife 41 vorhanden sein, um das Bauteil 4, 120, 130, 155 auf eine bestimmte Temperatur vorzuheizen oder um einen Temperaturgradienten für eine gerichtete Erstarrung eines Schmelzpools, der durch das Schweißgerät 33 generiert wird, zu erzeugen. Dies erzeugt eine lokale Temperaturerhöhung. Ebenso vorzugsweise wird die Vorheiztemperatur gemessen und geregelt .A heating loop 41 may preferably be present around the component 4, 120, 130, 155 in order to preheat the component 4, 120, 130, 155 to a specific temperature or to generate a temperature gradient for directional solidification of a melt pool generated by the welding apparatus 33 is going to produce. This generates a local temperature increase. Also preferably, the preheat temperature is measured and regulated.
Das Schweißgerät 33 kann innerhalb (Fig. 1) der Prozesskammer 31 angeordnet sein aber auch außerhalb, wie es z.B. mit einem Laser möglich ist, der durch ein Fenster 36 in der Prozesskammer 31 seine Laserstrahlen in die Prozesskammer 31 hineinstrahlen lassen kann (Fig. 2) . In dem Fall kann die Prozesskammer 31 mit dem Bauteil 120, 130 gegenüber dem Laser 33 bewegt werden, um die Position zu verändern oder um den Laserstrahl über das Bauteil 120, 130 zu führen. Bei anderen Verfahren zum Schweißen, bei dem Plasma verwendet wird, ist dies nicht möglich.The welder 33 may be located within (Fig. 1) the process chamber 31, but also outside, as e.g. is possible with a laser, which can radiate its laser beams into the process chamber 31 through a window 36 in the process chamber 31 (FIG. 2). In that case, the process chamber 31 with the component 120, 130 can be moved relative to the laser 33 in order to change the position or to guide the laser beam over the component 120, 130. Other welding methods using plasma do not allow this.
Das abgeschlossene System mit der Prozesskammer erlaubt es, genauer den Sauerstoffgehalt und die Temperatur der Schmelze des Schweißteils zu bestimmen, da äußere Einflüsse damit minimiert werden und ein Vakuum den Wärmeabschluss allgemein mit beim Vorheizen des Bauteils verringert.The closed system with the process chamber allows to more accurately determine the oxygen content and the temperature of the melt of the weldment, since external influences are minimized thereby and a vacuum generally reduces the heat seal during the preheating of the component.
Das Bauteil weist vorzugsweise eine Superlegierung gemäß Figur 6 auf.
Die Figur 3 zeigt beispielhaft eine Gasturbine 100 in einem Längsteilschnitt .The component preferably has a superalloy according to FIG. FIG. 3 shows by way of example a gas turbine 100 in a longitudinal partial section.
Die Gasturbine 100 weist im Inneren einen um eine Rotationsachse 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.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. Along the rotor 103 follow one another 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
Die Ringbrennkammer 110 kommuniziert mit einem beispielsweise ringförmigen Heißgaskanal 111. Dort bilden beispielsweise vier hintereinander geschaltete Turbinenstufen 112 die Turbine 108.The annular combustion chamber 110 communicates with an annular annular hot gas channel 111, for example. There, for example, four turbine stages 112 connected in series form the turbine 108.
Jede Turbinenstufe 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.Each turbine stage 112 is formed, for example, from two blade rings. As seen in the direction of flow of a working medium 113, in the hot gas channel 111 of a row of guide vanes 115, a series 125 formed of rotor blades 120 follows.
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.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.
An dem Rotor 103 angekoppelt ist ein Generator oder eine Arbeitsmaschine (nicht dargestellt) .Coupled to the rotor 103 is a generator or work machine (not shown).
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 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 dasDuring operation of the gas turbine 100, 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 supplied 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
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 .Working fluid 113 along the hot gas channel 111 past the guide vanes 130 and the blades 120. On the blades 120, the working medium relaxes 113th impulse transmitting, so that the blades 120 drive the rotor 103 and this the driven machine coupled to it.
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.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.
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.To withstand the prevailing temperatures, they can be cooled by means of a coolant. Likewise, substrates of the components may have a directional structure, i. they are monocrystalline (SX structure) or have only longitudinal grains (DS structure). As the material for the components, in particular for the turbine blade 120, 130 and components of the combustion chamber 110, for example, iron-, nickel- or cobalt-based superalloys are used.
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.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 documents are part of the disclosure regarding the chemical composition of the alloys.
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 .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.
Die Figur 3 zeigt in perspektivischer Ansicht eine Laufschaufel 120 oder Leitschaufel 130 einerFIG. 3 shows a perspective view of a moving blade 120 or guide blade 130 of FIG
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.Turbomachine, which 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.
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.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.
Als Leitschaufel 130 kann die Schaufel 130 an ihrer Schaufel- spitze 415 eine weitere Plattform aufweisen (nicht dargestellt) .As a guide blade 130, the blade 130 may have at its blade tip 415 another platform (not shown).
Im Befestigungsbereich 400 ist ein Schaufelfuß 183 gebildet, der zur Befestigung der Laufschaufeln 120, 130 an einer Welle oder einer Scheibe dient (nicht dargestellt) .In the mounting region 400, a blade root 183 is formed, which serves for attachment of the blades 120, 130 to a shaft or a disc (not shown).
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 vorbeiströmt, eine Anströmkante 409 und eine Abströmkante 412 auf.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 blade 406.
Bei herkömmlichen Schaufeln 120, 130 werden in allen Bereichen 400, 403, 406 der Schaufel 120, 130 beispielsweise mas- sive metallische Werkstoffe, insbesondere Superlegierungen verwendet .In conventional blades 120, 130, in all regions 400, 403, 406 of the blade 120, 130, for example, massive metallic materials, in particular superalloys, are used.
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.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 documents are part of the disclosure regarding the chemical composition of the alloy.
Die Schaufel 120, 130 kann hierbei durch ein Gussverfahren, auch mittels gerichteter Erstarrung, durch ein Schmiedeverfahren, durch ein Fräsverfahren oder Kombinationen daraus gefertigt sein.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.
Werkstücke mit einkristalliner Struktur oder Strukturen werden als Bauteile für Maschinen eingesetzt, die im Betrieb
hohen mechanischen, thermischen und/oder chemischen Belastungen ausgesetzt sind.Workpieces with a single-crystal structure or structures are used as components for machines that are in operation high mechanical, thermal and / or chemical stresses are exposed.
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 diesen 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 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 Richtung verlaufende Korngrenzen, aber keine transversalen Korn- grenzen aufweisen. Bei diesen zweitgenannten kristallinenThe production of 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. Here, dendritic crystals are aligned along the heat flow and form either a columnar grain structure (columnar, i.e., grains that run the full 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. In these processes, it is necessary to avoid the transition to globulitic (polycrystalline) solidification, since non-directional growth necessarily produces transverse and longitudinal grain boundaries which negate the good properties of the directionally solidified or monocrystalline component. If the term generally refers to directionally solidified structures, it means both single crystals that have no grain boundaries or at most small-angle grain boundaries, and stem crystal structures that have grain boundaries that are probably longitudinal but no transverse grain boundaries. In these second-mentioned crystalline
Strukturen spricht man auch von gerichtet erstarrten Gefügen (directionally solidified structures) .Structures are also called 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.Such methods are known from US Pat. No. 6,024,792 and EP 0 892 090 A1; these writings are part of the revelation regarding the solidification process.
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 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) .Likewise, 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)). 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, 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. A protective aluminum oxide layer (TGO = thermal grown oxide layer) is formed on the MCrAlX layer (as an intermediate layer or as the outermost 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- 10Al-0,4Y-l,5Re.Preferably, the layer composition comprises Co-30Ni-28Cr-8A1-0, 6Y-0, 7Si or Co-28Ni-24Cr-10Al-0, 6Y. In addition to these cobalt-based protective coatings, nickel-based protective layers such as Ni-10Cr-12Al-0.6Y-3Re or Ni-12Co-21Cr-IIAl-O, 4Y-2Re or Ni-25Co-17Cr-10Al-0.4Y-1 are also preferably used , 5RE.
Auf der MCrAlX kann noch eine Wärmedämmschicht vorhanden sein, die vorzugsweise die äußerste Schicht ist, und besteht beispielsweise aus Zrθ2, Y2θ3-Zrθ2, d.h. sie ist nicht, teilweise oder vollständig stabilisiert durch Yttriumoxid und/oder Kalziumoxid und/oder Magnesiumoxid.On the MCrAlX may still be present a heat-insulating layer, which is preferably the outermost layer, and consists for example of Zrθ2, Y2θ3-Zrθ2, i. it is not, partially or completely stabilized by yttrium oxide and / or calcium oxide and / or magnesium oxide.
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.The thermal barrier coating covers the entire MCrAlX layer. By suitable coating methods, e.g. Electron beam evaporation (EB-PVD) 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. The thermal barrier coating is therefore preferably more porous than the MCrAlX layer.
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 4 zeigt eine Brennkammer 110 der Gasturbine 100. 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.The blade 120, 130 may be hollow or solid. If the blade 120, 130 is to be cooled, it is hollow and may still have film cooling holes 418 (indicated by dashed lines). FIG. 4 shows a combustion chamber 110 of the gas turbine 100. The combustion chamber 110 is designed, for example, as a so-called annular combustion chamber, in which a multiplicity 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. For this purpose, the combustion chamber 110 is configured in its entirety as an annular structure, which is positioned around the axis of rotation 102 around.
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 ermög- liehen, ist die Brennkammerwand 153 auf ihrer dem Arbeitsmedium M zugewandten Seite mit einer aus Hitzeschildelementen 155 gebildeten Innenauskleidung versehen.To achieve a comparatively high efficiency, the combustion chamber 110 is designed for a comparatively high temperature of the working medium M of about 1000 ° C. to 1600 ° C. In order to lend a comparatively long service life to these operating parameters, which are unfavorable for the materials, 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.
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.Due to the high temperatures inside the combustion chamber 110 may also be provided for the heat shield elements 155 and for their holding elements, a cooling system. 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.
Jedes Hitzeschildelement 155 aus einer Legierung ist arbeitsmediumsseitig mit einer besonders hitzebeständigen Schutzschicht (MCrAlX-Schicht und/oder keramische Beschichtung) ausgestattet oder ist aus hochtem- peraturbeständigem Material (massive keramische Steine) gefertigt .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 highly temperature-resistant material (solid ceramic blocks).
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/oderThese protective layers can be similar to the turbine blades, so for example 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
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.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 Al, which should be part of this disclosure with respect to the chemical composition of the alloy.
Auf der MCrAlX kann noch eine beispielsweise keramische Wärmedämmschicht vorhanden sein und besteht beispielsweise aus Zrθ2, Y2Ü3-Zrθ2, d.h. sie ist nicht, teilweise oder vollständig stabilisiert durch Yttriumoxid und/oderOn the MCrAlX may still be present, for example, a ceramic thermal barrier coating and consists for example of Zrθ2, Y2Ü3-Zrθ2, i. it is not, partially or completely stabilized by yttria and / or
Kalziumoxid und/oder Magnesiumoxid.Calcium oxide and / or magnesium oxide.
Durch geeignete Beschichtungsverfahren wie z.B. Elektronen- strahlverdampfen (EB-PVD) werden stängelförmige Körner in derBy suitable coating methods, e.g. Electron beam evaporation (EB-PVD) are stalk-shaped grains in the
Wärmedämmschicht erzeugt.Thermal insulation layer generated.
Andere Beschichtungsverfahren sind denkbar, z.B. atmosphärisches Plasmaspritzen (APS), LPPS, VPS oder CVD. DieOther coating methods are conceivable, e.g. atmospheric plasma spraying (APS), LPPS, VPS or CVD. The
Wärmedämmschicht kann poröse, mikro- oder makrorissbehaftete Körner zur besseren Thermoschockbeständigkeit aufweisen.Thermal barrier coating may have porous, micro- or macro-cracked grains for better thermal shock resistance.
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 Turbinenschaufel 120, 130 oder dem Hitzeschildelement 155 repariert. Danach erfolgt eine Wiederbeschichtung derRefurbishment 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. Optionally, cracks in the turbine blade 120, 130 or the heat shield element 155 are also repaired. Thereafter, a re-coating of
Turbinenschaufeln 120, 130, Hitzeschildelemente 155 und ein erneuter Einsatz der Turbinenschaufeln 120, 130 oder der Hitzeschildelemente 155.
Turbine blades 120, 130, heat shield elements 155 and a re-use of the turbine blades 120, 130 or the heat shield elements 155th