EP2254726A2 - Bauteil mit sich überlappenden schweissnähten und ein verfahren zur herstellung - Google Patents

Bauteil mit sich überlappenden schweissnähten und ein verfahren zur herstellung

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EP2254726A2
EP2254726A2 EP09725088A EP09725088A EP2254726A2 EP 2254726 A2 EP2254726 A2 EP 2254726A2 EP 09725088 A EP09725088 A EP 09725088A EP 09725088 A EP09725088 A EP 09725088A EP 2254726 A2 EP2254726 A2 EP 2254726A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
welds
turbine blade
component
blade
weld
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP09725088A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Bernd Burbaum
Selim Mokadem
Norbert Pirch
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.)
Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Siemens AG
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
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 Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV, Siemens AG filed Critical Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Publication of EP2254726A2 publication Critical patent/EP2254726A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K31/00—Processes relevant to this subclass, specially adapted for particular articles or purposes, but not covered by only one of the preceding main groups
    • B23K31/02—Processes relevant to this subclass, specially adapted for particular articles or purposes, but not covered by only one of the preceding main groups relating to soldering or welding
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/20—Bonding
    • B23K26/21—Bonding by welding
    • B23K26/24—Seam welding
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K2101/00—Articles made by soldering, welding or cutting
    • B23K2101/001—Turbines
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05B—INDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
    • F05B2230/00—Manufacture
    • F05B2230/20—Manufacture essentially without removing material
    • F05B2230/23—Manufacture essentially without removing material by permanently joining parts together
    • F05B2230/232—Manufacture essentially without removing material by permanently joining parts together by welding
    • F05B2230/234—Laser welding
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05C—INDEXING SCHEME RELATING TO MATERIALS, MATERIAL PROPERTIES OR MATERIAL CHARACTERISTICS FOR MACHINES, ENGINES OR PUMPS OTHER THAN NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES
    • F05C2253/00—Other material characteristics; Treatment of material
    • F05C2253/08—Crystalline
    • F05C2253/083—Directionally-solidified crystalline structure
    • F05C2253/0831—Directionally-solidified crystalline structure monocrystalline

Definitions

  • the invention relates to a component with welds that overlap in part and a method for producing such a component.
  • Welding path of a laser is not wide enough to weld the surface in one pass. Therefore, several adjacent tracks are created.
  • the object is achieved by a component according to claim 14, 15 or 16 and a method for producing such welds according to claim 1.
  • Figure 2 overlapping welds
  • Figure 2 shows an arrangement of welds
  • Figure 3 shows a gas turbine
  • Figure 4 is a perspective turbine blade
  • Figure 5 shows a perspective combustion chamber
  • Figure 6 is a list of superalloys.
  • the figures and the description represent only embodiments of the invention.
  • FIG. 1 shows a component 1, 120, 130, 155 (FIGS. 4, 5), in particular a component 120, 130, 155 of a gas turbine 100 (FIG. 3).
  • the substrate 4 of the component 1, 120, 130, 155 preferably has a superalloy according to FIG.
  • Welding material for example, to achieve a wall thickening or material of the substrate 4 is remelted (no supply of welding material) to close cracks or already to melt an existing weld a second time.
  • the substrate 4 After the first welding, the substrate 4 has a weld 10.
  • the weld 10 has a certain width b.
  • a second weld 10 ' is generated, which overlaps the first weld 10.
  • the welds 10, 10 ' have a comparable width b, in particular within the scope of the manufacturing tolerance.
  • the width b of the welds 10, 10 ' is preferably 4mm.
  • the same welding parameters are used for the welds 10, 10 '.
  • the overlap ⁇ O of two welds 10, 10 ' is a cross-section.
  • the adjacent weld seams 10, 10 'overlap with an overlapping area ⁇ O, where ⁇ O 40% to 60% of the width b of a weld seam 10, 10'.
  • ⁇ O 45% to 55% of the width b, in particular 50%.
  • a laser for welding with a power of 350W to 500W was preferably used.
  • a preheat temperature of 500 0 C is used.
  • the travel speed is preferably 50 mm / min.
  • the penetration depth of the welds 10, 10 'in the substrate 4 is preferably llOO ⁇ m.
  • Paddle platform 403 ( Figure 2) also independent of one
  • Perpendicular means that the longitudinal direction (as a vector) of the
  • a first preferred direction of the dendrites is parallel to the longitudinal axis 121 (FIG. 4). The other two directions are perpendicular to this first preferred direction and are also perpendicular to each other.
  • the choice of the direction of the welds also depends on the crack profile or extent of the surface to be welded.
  • FIG. 3 shows by way of example a gas turbine 100 in a longitudinal partial section.
  • the gas turbine 100 has inside a to a
  • Rotation axis 102 rotatably mounted rotor 103 with a shaft which is also referred to as a turbine runner.
  • a compressor 105 for example, a torus-like
  • Combustion chamber 110 in particular annular combustion chamber, with a plurality of coaxially arranged burners 107, a turbine 108 and the
  • 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 form the
  • Each turbine stage 112 is, for example, two
  • Shovel rings formed. As seen in the flow direction of a working medium 113 follows in the hot gas channel 111 a
  • 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. Coupled to the rotor 103 is a generator or work machine (not shown).
  • 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
  • Working medium 113 along the hot gas channel 111 past the guide vanes 130 and the blades 120.
  • the working medium 113 relaxes momentum transmitting, so that the blades 120 drive the rotor 103 and this coupled to him working machine.
  • the components exposed to the hot working medium 113 are subject to thermal loads during operation of the gas turbine 100.
  • Blades 120 of the first turbine stage 112 seen in the direction of flow of the working medium 113 are subjected to the greatest thermal stress in addition to the heat shield elements lining the annular combustion chamber 110. 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). As a material for the components, in particular for the
  • Turbine blades 120, 130 and components of the combustion chamber 110 are used, for example, iron-, nickel- or cobalt-based superalloys.
  • Such superalloys are known, for example, from EP 1 204 776 B1, EP 1 306 454, EP 1 319 729 A1, WO 99/67435 or WO 00/44949; These documents are part of the disclosure regarding the chemical composition of the alloys.
  • 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 electricity 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.
  • blades 120, 130 for example, solid metallic materials, in particular superalloys, are used in all regions 400, 403, 406 of the blade 120, 130.
  • 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.
  • 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.
  • Grain structure (columnar, i.e. grains which extend over the entire length of the workpiece and here, in common usage, are referred to as directionally solidified) or a monocrystalline structure, i.
  • the whole work piece 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. 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.
  • 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 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.
  • 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-10Al-O, 4Y-1 are also preferably used , 5Re.
  • a heat-insulating layer which is preferably the outermost layer, and consists for example of Zr ⁇ 2, Y2 ⁇ 3-Zr ⁇ 2, i. it is not, partially or completely stabilized by yttrium oxide and / or calcium oxide and / or magnesium oxide.
  • the thermal barrier coating covers the entire MCrAlX layer.
  • suitable coating methods e.g. Electron beam evaporation (EB-PVD) produces stalk-shaped grains in the thermal barrier coating.
  • the thermal barrier coating may be porous, micro- or macrocracked Have grains for better thermal shock resistance.
  • the thermal barrier coating is therefore preferably more porous than the MCrAlX layer.
  • the blade 120, 130 may be hollow or solid. If the blade 120, 130 is to be cooled, it is hollow and may still film cooling holes 418 (indicated by dashed lines) on.
  • FIG. 5 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 circumferentially 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 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.
  • 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.
  • Each heat shield element 155 made of an alloy is 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 stones).
  • 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.
  • MCrAlX may still be present, for example, a ceramic thermal barrier coating and consists for example of ZrC> 2, Y2Ü3-Zr ⁇ 2, i. it is not, partially or completely stabilized by yttria and / or
  • Electron beam evaporation EB-PVD
  • EB-PVD Electron beam evaporation
  • Thermal barrier coating may have porous, micro- or macro-cracked 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. Optionally, cracks in the turbine blade 120, 130 or the heat shield element 155 are also repaired. Thereafter, a re-coating of

Abstract

Homogene geschweißte Flächen, die durch nebeneinander liegende Schweißnähte (10, 10') erzeugt werden, werden erzielt durch einen bestimmten Überlappungsbereich (ΔO) der benachbarten Schweißnähte (10, 10').

Description

Bauteil mit sich überlappenden Schweißnähten und ein Verfahren zur Herstellung
Die Erfindung betrifft ein Bauteil mit Schweißnähten, die sich zum Teil überlappen und ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Bauteils.
Beim Schweißen, insbesondere beim Laserschweißen müssen oft großflächige Bereiche geschweißt werden, so dass eine
Schweißbahn eines Lasers nicht breit genug ist, um die Fläche in einem Durchgang zu Schweißen. Daher werden mehrere nebeneinander liegende Bahnen erzeugt.
Nach dem bisherigen Stand der Technik, um die
Herstellungszeiten gering zu halten, werden die Schweißbahnen direkt ineinander gelegt.
Jedoch sind die Schweißergebnisse nicht immer befriedigend.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung ein Bauteil mit
Schweißnähten und ein Verfahren aufzuzeigen, bei der das gesamte Schweißergebnis in einem großflächigen Gebiet zufriedenstellend ist.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Bauteil gemäß Anspruch 14, 15 oder 16 und ein Verfahren zur Herstellung solcher Schweißnähte gemäß Anspruch 1.
In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Maßnahmen aufgelistet, die beliebig miteinander kombiniert werden können, um weitere Vorteile zu erzielen. Es zeigen:
Figur 1 überlappende Schweißnähte Figur 2 eine Anordnung von Schweißnähten, 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 stellen nur Ausführungsbeispiele der Erfindung dar.
Die Figur 1 zeigt ein Bauteil 1, 120, 130, 155 (Fig. 4, 5), insbesondere ein Bauteil 120, 130, 155 einer Gasturbine 100 (Fig. 3) .
Das Substrat 4 des Bauteils 1, 120, 130, 155 weist vorzugsweise eine Superlegierung gemäß Figur 6 auf.
Auf die Oberfläche 13 des Substrats 4 wird großflächig Material aufgebracht und aufgeschmolzen (Zufuhr von
Schweißmaterial) , um beispielsweise eine Wandverdickung zu erreichen, oder es wird Material des Substrats 4 umgeschmolzen (keine Zufuhr von Schweißmaterial) , um Risse zu schließen oder um bereits eine bestehende Schweißnaht ein zweites Mal aufzuschmelzen.
Es soll in jedem Fall großflächig geschweißt werden, so dass mehrere Schweißnähte 10, 10' verwendet werden müssen.
Nach der ersten Schweißung weist das Substrat 4 eine Schweißnaht 10 auf.
Die Schweißnaht 10 weist eine bestimmte Breite b auf.
Danach wird eine zweite Schweißnaht 10' erzeugt, die die erste Schweißnaht 10 überlappt. Die Schweißnähte 10, 10' weisen insbesondere im Rahmen der Fertigungstoleranz eine vergleichbare Breite b auf. Die Breite b der Schweißnähte 10, 10' beträgt vorzugsweise 4mm. Für die Schweißnähte 10, 10' werden vorzugsweise die gleichen Schweißparameter verwendet.
In Figur 1 ist der Overlapp ΔO zweier Schweißnähte 10, 10' ein Querschnitt dargestellt. Erfindungsgemäß überlappen sich die benachbarten Schweißnähte 10, 10' mit einem Überlappungsbereich ΔO, wobei ΔO = 40% bis 60% der Breite b einer Schweißnaht 10, 10' ist. Vorzugsweise beträgt ΔO = 45% bis 55% der Breite b, insbesondere 50%.
Durch das Überlappen der Schweißnähte 10, 10' wird eine nahezu gleichmäßige Dicke d einer geschweißten Fläche 16 erreicht, die 16 durch die Schweißnähte 10, 10' erzeugt wird. Bei zu einem geringen Abstand bzw. Overlapp der Schweißnähte 10, 10' wird keine gleichmäßige Dicke einer größeren geschweißten Fläche 16 erreicht.
Somit wird eine homogene Schweißfläche 16 erreicht ohne größere Einbuße in der Fertigungszeit zu haben, die durch das zweifache Schweißen im Überlappungsbereich ΔO herrührt.
In diesem Fall wurde vorzugsweise ein Laser zum Schweißen mit einer Leistung von 350W bis 500W verwendet.
Vorzugsweise wird eine Vorheiztemperatur um 5000C verwendet.
Die Verfahrgeschwindigkeit beträgt vorzugsweise 50mm/min.
Die Eindringtiefe der Schweißnähte 10, 10' in das Substrat 4 beträgt vorzugsweise llOOμm.
Bei einer Turbinenschaufel 120, 130 verlaufen die Schweißnähte 10, 10' parallel oder senkrecht zur
Schaufelplattform 403 (Fig. 2) auch unabhängig von einem
Overlapp .
"Senkrecht" bedeutet, dass die Längsrichtung (als Vektor) der
Schweißnaht 10, 10' senkrecht auf der Oberfläche der Schaufelplattform 403 steht.
"Parallel" bedeutet, dass die Längsrichtung (als Vektor) der
Schweißnaht 10 parallel zur Oberfläche der Schaufelplattform
403 verläuft. Unabhängig von einem Overlapp der Schweißnähte aber auch bei einem Overlapp von Schweißnähten werden bei einer Turbinenschaufel 120, 130, die stängelförmige Körner oder einen Einkristall aufweist, Schweißnähte möglichst parallel zur Dendritenorientierung gelegt. Eine erste Vorzugsrichtung der Dendriten ist parallel zur Längsachse 121 (Fig. 4) . Die anderen beiden Richtungen stehen senkrecht zu dieser ersten Vorzugsrichtung und stehen auch senkrecht zueinander. Dabei hängt die Wahl der Richtung der Schweißnähte auch von dem Rißverlauf oder Ausdehnung der Fläche ab, die geschweißt werden soll.
Die Figur 3 zeigt beispielhaft eine Gasturbine 100 in einem Längsteilschnitt.
Die Gasturbine 100 weist im Inneren einen um eine
Rotationsachse 102 drehgelagerten Rotor 103 mit einer Welle 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
Schaufelringen gebildet. In Strömungsrichtung eines Arbeitsmediums 113 gesehen folgt im Heißgaskanal 111 einer
Leitschaufelreihe 115 eine aus Laufschaufeln 120 gebildete
Reihe 125.
Die Leitschaufeln 130 sind dabei an einem Innengehäuse 138 eines Stators 143 befestigt, wohingegen die Laufschaufeln 120 einer Reihe 125 beispielsweise mittels einer Turbinenscheibe 133 am Rotor 103 angebracht sind. An dem Rotor 103 angekoppelt ist ein Generator oder eine Arbeitsmaschine (nicht dargestellt) .
Während des Betriebes der Gasturbine 100 wird vom Verdichter 105 durch das Ansauggehäuse 104 Luft 135 angesaugt und verdichtet. Die am turbinenseitigen Ende des Verdichters 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 das
Arbeitsmedium 113 entlang des Heißgaskanals 111 vorbei an den Leitschaufeln 130 und den Laufschaufeln 120. An den Laufschaufeln 120 entspannt sich das Arbeitsmedium 113 impulsübertragend, so dass die Laufschaufeln 120 den Rotor 103 antreiben und dieser die an ihn angekoppelte Arbeitsmaschine .
Die dem heißen Arbeitsmedium 113 ausgesetzten Bauteile unterliegen während des Betriebes der Gasturbine 100 thermischen Belastungen. Die Leitschaufeln 130 und
Laufschaufeln 120 der in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums 113 gesehen ersten Turbinenstufe 112 werden neben den die Ringbrennkammer 110 auskleidenden Hitzeschildelementen am meisten thermisch belastet. Um den dort herrschenden Temperaturen standzuhalten, können diese mittels eines Kühlmittels gekühlt werden. Ebenso können Substrate der Bauteile eine gerichtete Struktur aufweisen, d.h. sie sind einkristallin (SX-Struktur) oder weisen nur längsgerichtete Körner auf (DS-Struktur) . Als Material für die Bauteile, insbesondere für die
Turbinenschaufel 120, 130 und Bauteile der Brennkammer 110 werden beispielsweise eisen-, nickel- oder kobaltbasierte Superlegierungen verwendet. Solche Superlegierungen sind beispielsweise aus der EP 1 204 776 Bl, EP 1 306 454, EP 1 319 729 Al, WO 99/67435 oder WO 00/44949 bekannt; diese Schriften sind bzgl. der chemischen Zusammensetzung der Legierungen Teil der Offenbarung. 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 Dampf- turbine 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 Bereichen 400, 403, 406 der Schaufel 120, 130 beispielsweise massive metallische Werkstoffe, insbesondere Superlegierungen verwendet . Solche Superlegierungen sind beispielsweise aus der EP 1 204 776 Bl, EP 1 306 454, EP 1 319 729 Al, WO 99/67435 oder WO 00/44949 bekannt; diese Schriften sind bzgl. der chemischen Zusammensetzung der Legierung Teil der Offenbarung. Die Schaufel 120, 130 kann hierbei durch ein Gussverfahren, auch mittels gerichteter Erstarrung, durch ein Schmiedeverfahren, durch ein Fräsverfahren oder Kombinationen daraus gefertigt sein.
Werkstücke mit einkristalliner Struktur oder Strukturen werden als Bauteile für Maschinen eingesetzt, die im Betrieb hohen mechanischen, thermischen und/oder chemischen Belastungen ausgesetzt sind. Die Fertigung von derartigen einkristallinen Werkstücken er- folgt 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 be- steht 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 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; 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 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) .
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- lOAl-0, 4Y-1, 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. 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.
Die Schaufel 120, 130 kann hohl oder massiv ausgeführt sein. Wenn die Schaufel 120, 130 gekühlt werden soll, ist sie hohl und weist ggf. noch Filmkühllöcher 418 (gestrichelt angedeutet) auf.
Die Figur 5 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.
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.
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.
Jedes Hitzeschildelement 155 aus einer Legierung ist arbeitsmediumsseitig mit einer besonders hitzebeständigen Schutzschicht (MCrAlX-Schicht und/oder keramische Beschichtung) ausgestattet oder ist aus hochtemperaturbeständigem Material (massive keramische Steine) gefertigt .
Diese Schutzschichten können ähnlich der Turbinenschaufeln sein, also bedeutet beispielsweise MCrAlX: M ist zumindest ein Element der Gruppe Eisen (Fe) , Kobalt (Co) , Nickel (Ni) , X ist ein Aktivelement und steht für Yttrium (Y) und/oder Silizium und/oder zumindest ein Element der Seltenen Erden, bzw. Hafnium (Hf) . Solche Legierungen sind bekannt aus der EP 0 486 489 Bl, EP 0 786 017 Bl, EP 0 412 397 Bl oder EP 1 306 454 Al, die bzgl. der chemischen Zusammensetzung der Legierung Teil dieser Offenbarung sein sollen.
Auf der MCrAlX kann noch eine beispielsweise keramische Wärmedämmschicht vorhanden sein und besteht beispielsweise aus ZrC>2, 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.
Andere Beschichtungsverfahren sind denkbar, z.B. atmosphärisches Plasmaspritzen (APS), LPPS, VPS oder CVD. Die
Wärmedämmschicht kann poröse, mikro- oder makrorissbehaftete Körner zur besseren Thermoschockbeständigkeit aufweisen.
Wiederaufarbeitung (Refurbishment) bedeutet, dass 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 der
Turbinenschaufeln 120, 130, Hitzeschildelemente 155 und ein erneuter Einsatz der Turbinenschaufeln 120, 130 oder der Hitzeschildelemente 155.

Claims

Patentansprüche
1. Bauteil (1, 120, 130, 155) mit zwei sich überlappenden Schweißnähten (10, 10'), wobei ein Überlappungsbereich (ΔO) 40% bis 60% der Breite (b) der Schweißnähte (10, 10') beträgt.
2. Bauteil nach Anspruch 1, bei dem der Überlappungsbereich (ΔO) 45% bis 55%, insbesondere 50%, der Breite (b) der Schweißnähte (10, 10') beträgt.
3. Bauteil nach Anspruch 1, das eine Turbinenschaufel (120, 130) ist, die stängelförmige Körner (DS) oder einen Einkristall (SX) aufweist, insbesondere daraus besteht.
4. Bauteil nach Anspruch 1, 2 oder 3, das eine Turbinenschaufel (120, 130) ist, bei der die Schweißnähte (10, 10') parallel oder senkrecht zur Schaufelplattform (403) der Turbinenschaufel (120, 130] verlaufen .
5. Bauteil nach Anspruch 3, bei der die Schweißnähte (10, 10') möglichst parallel zu einer Dendritenorientierung der Turbinenschaufel (120, 130' verlaufen .
Verfahren zum Schweißen eines Bauteils (1, 120, 130, 155), bei dem zuerst eine erste Schweißnaht (10) mit einer Breite
(b) und dann eine zweite Schweißnaht (10) mit einer Breite
(b) erzeugt wird, wobei die zweite Schweißnaht (10') die erste Schweißnaht
(10) überlappt und bei dem ein Überlappungsbereich (ΔO) der Schweißnähte (10, 10') mindestens 40% und maximal 60% der Breite (b) der Schweißnaht (10) beträgt.
7. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem der Überlappungsbereich (ΔO) zwischen 45% und 55 o r insbesondere 50%, der Breite (b) der Schweißnähte (10, 10') beträgt.
8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, das bei einer Turbinenschaufel (120, 130' angewendet wird, bei dem die Leistung des Schweißgeräts, insbesondere eines Lasers, zwischen 350W und 500W beträgt.
9. Verfahren nach Anspruch 6, 7 oder 8, bei dem die Schweißnähte (10, 10') parallel oder senkrecht zu einer Schaufelplattform (403) einer Turbinenschaufel (120, 130) gelegt werden.
10. Verfahren nach Anspruch 6, 7, 8 oder 9, das bei einer Turbinenschaufel (120, 130) angewendet wird, die stängelförmige Körner (DS) oder einen Einkristall (SX) aufweist .
11. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem Schweißnähte (10, 10') parallel zu einer Dendritenorientierung der Turbinenschaufel (120, 130) gelegt werden.
12. Verfahren nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, bei dem Schweißmaterial bei der Erzeugung von Schweißnähten (10, 10') hinzugefügt wird.
13. Verfahren nach einem oder mehreren der vorherigen
Ansprüche, bei dem kein Schweißmaterial bei der Erzeugung von Schweißnähten (10, 10') hinzugefügt wird.
14. Turbinenschaufel (120, 130), die stängelförmige Körner (DS) oder einen Einkristall (SX) aufweist, bei dem Schweißnähte parallel oder senkrecht zur
Schaufelplattform (403) der Turbinenschaufel (120, 130) verlaufen .
15. Turbinenschaufel (120, 130), die stängelförmige Körner (DS) oder einen Einkristall (SX) aufweist, bei dem Schweißnähte möglichst parallel zu einer
Dendritenorientierung der Turbinenschaufel (120, 130) verlaufen .
16. Bauteil (120, 130) hergestellt nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche.
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