EP2262608A1 - Verfahren zum schweissen in abhängigkeit einer vorzugsrichtung des substrats - Google Patents

Verfahren zum schweissen in abhängigkeit einer vorzugsrichtung des substrats

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EP2262608A1
EP2262608A1 EP09753732A EP09753732A EP2262608A1 EP 2262608 A1 EP2262608 A1 EP 2262608A1 EP 09753732 A EP09753732 A EP 09753732A EP 09753732 A EP09753732 A EP 09753732A EP 2262608 A1 EP2262608 A1 EP 2262608A1
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EP
European Patent Office
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substrate
component
solidification front
melt
temperature gradient
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Withdrawn
Application number
EP09753732A
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English (en)
French (fr)
Inventor
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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Publication date
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    • F05D2230/23—Manufacture essentially without removing material by permanently joining parts together
    • F05D2230/232—Manufacture essentially without removing material by permanently joining parts together by welding

Definitions

  • the invention relates to a method for welding a substrate, which has a preferred direction.
  • Welding is a commonly used repair method to close cracks or to apply material.
  • a laser is often used.
  • the laser welding process is also used to repair directionally solidified components, such as turbine blades of the largest gas turbine, after they have been in use and may have cracks due to exceptionally high stress.
  • These can be components with columnar solidified grains (DS), but also single crystals (SX).
  • the component thus has a specific preferred crystallographic direction in the crystal structure.
  • Substrate during laser welding depends on the composition of the alloy, the temperature gradient and the solidification rate. For a given alloy, there are diagrams of how the structure develops as a function of temperature gradient and solidification rate.
  • FIGS. 1 to 6 a substrate during laser remelting
  • FIG. 7 shows a gas turbine
  • FIG. 8 shows in perspective a turbine blade
  • FIG. 9 shows a perspective view of a combustion chamber and FIG. 10 shows a list of superalloys.
  • FIG. 1 shows in cross-section a component 1, 120, 130 (FIGS. 8, 10), 155 (FIG. 9) with a substrate 4, which, in particular for turbine blades for gas 100 (FIG. 7) or steam turbines, has a superalloy according to FIG 10 has.
  • the substrate 4 has a directionally solidified structure, that is, it may consist of columnar, columnar solidified grains (DS) or of a single crystal (SX).
  • the substrate 4 has a crack (not shown).
  • the substrate 4 is therefore melted (remelted) in the area of the crack, wherein the melted area (melt 19, Fig. 3, 4) is again directionally solidified in DS or SX structure solidify.
  • the substrate 4 may have a location (too thin a wall, not shown), which is to be reinforced by build-up welding (ie supply of material is required), in particular laser deposition welding.
  • FIG. 2 shows a line 10 of a solidification front, which represents a surface and which shows the drawing plane a transition between a melt 19 and the zone 24, which has already solidified from a melt, and a region 23 which is still to be melted.
  • the substrate 4 moves along a direction 25 in the drawing from left to right, so that the solidification front 10 in the drawing propagates from right to left against the direction 25.
  • the welding device 31 can be moved.
  • the solidification front 10 is then the right-hand part of the elliptical line 10 in FIG. 2, which surrounds the melt 19.
  • Line 10 is only exemplary.
  • the line 10 may also have other shapes.
  • angles ⁇ 1, ⁇ 1 'and ⁇ 2, ⁇ 2' are then drawn starting from FIG. 2, where ⁇ 1, ⁇ 1 'denote the angles between the preferred direction 7 and FIG. 3
  • Temperature gradients 13, 13 'and ⁇ 2, ⁇ 2' are the angles between the temperature gradients 13, 13 'and a second crystallographic direction 22 (is perpendicular to the preferred direction 7).
  • the substrate 4 moves in the drawing from left to right.
  • the crystallographic direction, here 22, which is not directed downwards from the surface 16 is preferred.
  • FIG. 7 shows by way of example a gas turbine 100 in a longitudinal partial section.
  • the gas turbine 100 has inside a rotatably mounted about a rotation axis 102 rotor 103 with a shaft 101, which is also referred to as a turbine runner.
  • a turbine runner Along the rotor 103 successively follow an intake housing 104, a compressor 105, a torus-like combustion chamber 110, in particular annular combustion chamber, with a plurality of coaxially arranged burners 107, a turbine 108 and the exhaust housing 109.
  • the annular combustion chamber 110 communicates with an example annular hot gas channel 111th
  • four 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.
  • a generator or work machine (not shown).
  • air 105 is sucked in by the compressor 105 through the intake housing 104 and compressed.
  • 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.
  • the working medium 113 flows along the hot gas channel 111 past the guide vanes 130 and the rotor blades 120.
  • the working medium 113 expands in a pulse-transmitting manner so that the rotor blades 120 drive the rotor 103 and drive 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.
  • 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 material for the components, in particular for the turbine blades 120, 130 and components of the combustion chamber 110.
  • Such superalloys are known, for example, from EP 1 204 776 B1, EP 1 306 454, EP 1 319 729 A1, WO 99/67435 or WO 00/44949.
  • 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 is 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 is 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.
  • thermal barrier layer is present, 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.
  • suitable coating methods e.g. Electron beam evaporation (EB-PVD) produces stalk-shaped grains in the thermal barrier coating.
  • the vane 130 has a guide vane foot (not shown here) facing the inner housing 138 of the turbine 108 and a vane head opposite the vane foot.
  • the vane head faces the rotor 103 and fixed to a mounting ring 140 of the stator 143.
  • FIG. 8 shows a perspective view of a rotor blade or guide vane 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.
  • solid metallic materials in particular superalloys, are used in all regions 400, 403, 406 of the blade 120, 130.
  • 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 produced 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.
  • directionally solidified microstructures which means both single crystals that have no grain boundaries or at most small angle grain boundaries, and stem crystal structures that have probably longitudinal grain boundaries but no transverse grain boundaries. These second-mentioned crystalline structures are also known as directionally solidified structures.
  • 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 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-0.4Y-1 are also preferably used , 5RE.
  • thermal barrier coating which is preferably the outermost layer, and consists for example of Zr ⁇ 2, Y2Ü3-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 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. 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. 9 shows a combustion chamber 110 of a gas turbine.
  • the combustion chamber 110 is designed, for example, as a so-called annular combustion chamber, in which a multiplicity of burners 107 arranged in the circumferential direction around 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.
  • Each heat shield element 155 made of an alloy is equipped on the working fluid 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 ZrO 2 , Y2Ü3-Zr ⁇ 2, ie it is not, partially or fully ⁇ dig stabilized by yttria and / or calcium oxide and / or magnesium oxide.
  • Electron beam evaporation produces stalk-shaped grains in the thermal barrier coating.
  • thermal barrier coating may have porous, micro- or macro-cracked grains for better thermal shock resistance.
  • Refurbishment means that 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. If necessary, cracks in the heat shield element 155 are also repaired.
  • the 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.

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Abstract

Schweißreparaturen werden oft an gerichtet erstarrten Bauteilen durchgeführt, die jedoch oft nicht die gewünschte kristallographische Ausrichtung einer Oberfläche aufweisen, was die mechanische Festigkeit herabsetzt. Das erfindungsgemäße Verfahren schlägt vor, die Verfahrrichtung (25) in Abhängigkeit von der kristallographischen Vorzugsrichtung (7) des Substrats (4) so zu wählen, so dass keine Missorientierungen mehr auftreten.

Description

Verfahren zum Schweißen in Abhängigkeit einer Vorzugsrichtung des Substrats
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schweißen eines Substrats, das eine Vorzugsrichtung aufweist.
Schweißen ist ein häufig verwendetes Reparaturverfahren, um Risse zu schließen oder um Material aufzutragen. Als Energie- quelle wird dabei oft ein Laser verwendet. Das Laserschweißverfahren wird auch verwendet, um gerichtet erstarrte Bauteile, wie zum Beispiel Turbinenschaufeln der größten Gasturbine zu reparieren, nachdem sie im Einsatz waren und gegebenenfalls durch außergewöhnlich starke Belastung Risse aufwei- sen. Dies können Bauteile mit kolumnar erstarrten Körnern (DS) sein, aber auch Einkristalle (SX) .
Das Bauteil weist also eine bestimmte kristallographische Vorzugsrichtung in der Kristallstruktur auf. Das Erstarrungs- verhalten des Materials, das dieselbe Ausrichtung wie das
Substrat beim Laserschweißen erhalten soll, hängt ab von der Zusammensetzung der Legierung, dem Temperaturgradienten und der Erstarrungsgeschwindigkeit. Für eine bestimmte Legierung gibt es Diagramme dazu, wie die Struktur sich in Abhängigkeit von dem Temperaturgradienten und der Erstarrungsgeschwindigkeit entwickelt.
Trotzdem kommt es häufig zum Wachstum von Körnern in einer ungewünschten Richtung.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, dieses Problem zu überwinden .
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2. In den Unteransprüchen werden weitere vorteilhafte Maßnahmen aufgelistet, die beliebig miteinander kombiniert werden können, um weitere Vorteile zu erzielen.
Es zeigen:
Figur 1 - 6 ein Substrat beim Laserumschmelzen,
Figur 7 eine Gasturbine,
Figur 8 perspektivisch eine Turbinenschaufel,
Figur 9 perspektivisch eine Brennkammer und Figur 10 eine Liste von Superlegierungen .
Die Figuren und die Beschreibung stellen nur Ausführungsbeispiele der Erfindung dar.
Figur 1 zeigt im Querschnitt ein Bauteil 1, 120, 130 (Fig. 8, 10), 155 (Fig. 9) mit einem Substrat 4, das insbesondere bei Turbinenschaufeln für Gas 100- (Fig. 7) oder Dampfturbinen eine Superlegierung gemäß Figur 10 aufweist.
Das Substrat 4 weist eine gerichtet erstarrte Struktur auf, das heißt es kann aus stängelförmigen, kolumnar erstarrten Körnern (DS) oder aus einem Einkristall (SX) bestehen. Die Pfeile 7, 22 geben die kristallographischen Vorzugsrichtungen des Substrats 4 an, also des Einkristalls oder der kolumnaren Körner, (bspw.: [001] = 7, [010] = 22) .
Das Substrat 4 weist einen Riss (nicht dargestellt) auf. Das Substrat 4 wird daher im Bereich des Risses aufgeschmolzen (umgeschmolzen) , wobei der aufgeschmolzene Bereich (Schmelze 19, Fig. 3, 4) wieder gerichtet erstarrt in DS oder SX Struktur erstarren soll.
Ebenso kann das Substrat 4 eine Stelle (zu dünne Wand, nicht dargestellt) aufweisen, die durch Auftragsschweißen (d.h. Zu- fuhr von Material ist erforderlich) , insbesondere Laserauftragsschweißen verstärkt werden soll. Figur 2 zeigt eine Linie 10 einer Erstarrungsfront, die eine Fläche darstellt und die der Zeichnungsebene einen Übergang zwischen einer Schmelze 19 und der bereits aus einer Schmelze erstarrten Zone 24 sowie einen noch umzuschmelzenden Bereich 23 aufzeigt.
Mit der Linie 10 in den Figuren ist immer nur ein Schnitt der Erstarrungsfront gezeigt.
Das Substrat 4 bewegt sich entlang einer Richtung 25 in der Zeichnung von links nach rechts, so dass sich die Erstarrungsfront 10 in der Zeichnung von rechts nach links ausbreitet entgegen der Richtung 25.
Ebenso kann anstelle des Substrats 4 nur das Schweißgerät 31 verfahren werden. Die Erstarrungsfront 10 ist dann der in der Figur 2 rechte Teil der ellipsenförmigen Linie 10, die die Schmelze 19 um- fasst. Die Linie 10 ist nur beispielhaft. Die Linie 10 kann auch andere Formen aufweisen.
In Abhängigkeit von der Tiefe t entlang der Richtung 28
(Senkrechte nach unten auf der Oberfläche 16) der Linie 10 gibt es in Abhängigkeit zur Nähe der Oberfläche 16 des Substrats 4 Temperaturgradienten 13, 13', die verschieden orientiert sind. Der Temperaturgradient 13, 13' steht hier nahezu senkrecht auf der Erstarrungsfront 10.
In Figur 3 (sowie in Figur 4) sind dann ausgehend von der Figur 2 noch Winkel Ψl, Ψl ' und Ψ2, Ψ2 ' eingezeichnet, wobei Ψl, Ψl ' die Winkel zwischen der Vorzugsrichtung 7 und den
Temperaturgradienten 13, 13' sind und Ψ2, Ψ2 ' die Winkel zwischen den Temperaturgradienten 13, 13' und einer zweiten kristallographischen Richtung 22 (steht senkrecht auf Vorzugsrichtung 7) . Hier bewegt sich das Substrat 4 in der Zeichnung von links nach rechts.
In Figur 3 kommt es beim Wachstum aus der Schmelze 19 zu einem Wechsel in der Dendritenwachstumsrichtung, da an der Oberfläche 16 Ψ2 < Ψl gilt, so dass die kristallographische Richtung 22 energetisch begünstigt ist, die von der Oberfläche 16 nach unten gerichtet ist und die Dendriten wachsen in einer zweiten kristallographischen Richtung 22 von der Ober- fläche 16, so dass Sekundärkörner im Bereich der Oberfläche entstehen .
Weiter tiefer kann gelten: Ψ2 ' > Ψl ' und die Richtung 7 wird bevorzugt .
Das Problem entsteht erst, wenn eine Dendritenwachstumsrichtung an der Oberfläche 16 favorisiert wird, die von der Oberfläche 16 in Schmelze 19 gerichtet ist. Von der Oberfläche 16 ist ein epitaktisches Wachstum per Definition nicht möglich, weil dort kein Substrat vorhanden ist, das als Keim für die Dendriten wirken kann. Vielmehr wird das Fortschreiten der fest/flüssigen Phasengrenze an der Oberfläche 16 unter diesen Bedingungen über die Ausbildung von Sekundär-, Tertiär- usw. armen realisiert. Das ist zu langsam gegenüber der Wachstumsrate der Keime vor der Erstarrungsfront. Irgendwann setzt sich einer von diesen Keimen gegenüber den epitaktisch gewachsenen Dendriten durch und es entstehen Dendritenwachstumsrichtungen, die in keiner Korrelation zu denen im Substrat 4 liegen. Das Problem des Verlustes der Epitaxie tritt also immer dann auf, wenn die an der Oberfläche 16 favorisierten Kristallrichtungen 7, 22 nicht parallel zur Oberfläche 16 ausgerichtet sind. Diese für das Dendritenwachstum favorisierten Kristallrichtungen 7,22 sind unabhängig von der Verfahrrichtung 25. Diese Kristallrichtungen können aber von den Dendriten für ihr Wachstum in zwei Richtungen genutzt werden.
Zur Vermeidung des Verlustes der Epitaxie muss die Verfahrrichtung 25 so gewählt werden, dass von den an der Oberfläche 16 auf der Erstarrungsfront 10 favorisierten Kristallrichtungen 7, 22 (hier 22) eine Dendritenwachstumsrichtung initiali- siert wird, die eine Projektion (Vektoren P22, P7 = Projektionen von 7, 22 auf Oberflächennormale W0) in Richtung zur Oberflächennormalen n (Fig. 5) aufweisen. Durch Wahl der Verfahrensrichtung 25 in Figur 4, nämlich in der Zeichnung von rechts nach links, wird die kristallogra- phische Richtung, hier 22, bevorzugt, die nicht von der Ober- fläche 16 nach unten gerichtet ist.
Dies gilt vorzugsweise auf der gesamten Erstarrungsfront 10, also der Linie 10 zwischen Schmelzpool 19 und dem bereits erstarrten Bereich 24.
Beide kristallographischen Richtungen 7, 22 sind zulässig und erwünscht. Es geht hier eigentlich um den Verlust des epitaktischen Wachstums, das dazu führt, dass die Kristallorientierung im Schweißgut vollständig verloren geht (Fig. 6: Vektor P22 entgegengesetzt zu no = Fig. 3) . Dies kann man verhin- dern, indem man verhindert, dass eine Dendritenwachstumsrichtung begünstigt wird, die von der Oberfläche 16 nach unten gerichtet ist.
Die Figur 7 zeigt beispielhaft eine Gasturbine 100 in einem Längsteilschnitt .
Die Gasturbine 100 weist im Inneren einen um eine Rotationsachse 102 drehgelagerten Rotor 103 mit einer Welle 101 auf, der auch als Turbinenläufer bezeichnet wird. Entlang des Rotors 103 folgen aufeinander ein Ansauggehäuse 104, ein Verdichter 105, eine beispielsweise torusartige Brennkammer 110, insbesondere Ringbrennkammer, mit mehreren koaxial angeordneten Brennern 107, eine Turbine 108 und das Abgasgehäuse 109. Die Ringbrennkammer 110 kommuniziert mit einem beispielsweise ringförmigen Heißgaskanal 111. Dort bilden beispielsweise vier hintereinander geschaltete Turbinenstufen 112 die Turbine 108. Jede 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 ver- dichtet. 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 Turbinen- schaufei 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, Y2θ3-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 8 zeigt in perspektivischer Ansicht eine Laufschau- fei 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 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.
Die Schaufel 120, 130 kann hierbei durch ein Gussverfahren, auch mittels gerichteter Erstarrung, durch ein Schmiedever- fahren, durch ein Fräsverfahren oder Kombinationen daraus gefertigt sein.
Werkstücke mit einkristalliner Struktur oder Strukturen werden als Bauteile für Maschinen eingesetzt, die im Betrieb hohen mechanischen, thermischen und/oder chemischen Belastungen ausgesetzt sind.
Die Fertigung von derartigen einkristallinen Werkstücken erfolgt z.B. durch gerichtetes Erstarren aus der Schmelze. Es handelt sich dabei um Gießverfahren, bei denen die flüssige metallische Legierung zur einkristallinen Struktur, d.h. zum einkristallinen Werkstück, oder gerichtet erstarrt. Dabei werden dendritische Kristalle entlang dem Wärmefluss ausgerichtet und bilden entweder eine stängelkristalline Kornstruktur (kolumnar, d.h. Körner, die über die ganze Länge des Werkstückes verlaufen und hier, dem allgemeinen 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 Richtung 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- 10Al-0,4Y-l,5Re.
Auf der MCrAlX kann noch eine Wärmedämmschicht vorhanden sein, die vorzugsweise die äußerste Schicht ist, und besteht beispielsweise aus Zrθ2, 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 Kör- ner 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 angedeutet) auf.
Die Figur 9 zeigt eine Brennkammer 110 einer Gasturbine. Die Brennkammer 110 ist beispielsweise als so genannte Ringbrennkammer 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 ermög- liehen, ist die Brennkammerwand 153 auf ihrer dem Arbeitsmedium M zugewandten Seite mit einer aus Hitzeschildelementen 155 gebildeten Innenauskleidung versehen.
Jedes Hitzeschildelement 155 aus einer Legierung ist arbeits- mediumsseitig 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. Auf der MCrAlX kann noch eine beispielsweise keramische Wärmedämmschicht vorhanden sein und besteht beispielsweise aus ZrO2, 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 Wärmedämmschicht 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 Schweißen eines gerichtet erstarrten (DS, SX) Bauteils (120, 130, 155), bei dem ein Substrat (4) des Bauteils (1, 120, 130, 155) kristallographische Vorzugsrichtungen (7, 22) aufweist und bei dem eine Energiequelle (28) und/oder das Substrat (4) entlang einer Verfahrrichtung (25) verfahren wird, bei dem eine Erstarrungsfront (10) eine Grenzfläche von einer Schmelze (19) und einem erstarrten Bereich (24) aus einer Schmelze darstellt, bei dem die Schmelze (19) auf der Erstarrungsfront (10) Temperaturgradienten (13, 13') aufweist, wobei ein Winkel (Ψl, Ψl ' ) definiert ist zwischen einer ersten Vorzugsrichtung (7) des Substrats (4) und dem Temperaturgradienten (13, 13') auf der Erstarrungsfront (10) und ein Winkel (Ψ2, Ψ2 ' ) zwischen dem Temperaturgradienten (13, 13') und einer zweiten Vorzugsrichtung (22) auf der Erstarrungsfront (10) ,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Substrat (4) und die Energiequelle (28) so verfahren werden, dass an der Oberfläche (16) die Vorzugsrichtung (7, 22) mit dem kleineren Winkel (Ψl, Ψ2) zu dem Temperaturgradienten (13) nicht in das Innere des Bauteils (120, 130, 155) ge- richtet ist.
2. Verfahren zum Schweißen eines gerichtet erstarrten (DS, SX) Bauteils (120, 130, 155), bei dem ein Substrat (4) des Bauteils (1, 120, 130, 155) kristallographische Richtungen (7, 22) aufweist und bei dem eine Energiequelle (28) und/oder das Substrat (4) entlang einer Verfahrrichtung (25) verfahren wird, bei dem eine Erstarrungsfront (10) eine Grenzfläche von einer Schmelze (19) und einem erstarrten Bereich (24) aus einer Schmelze darstellt,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Verfahrrichtung (25) so gewählt wird, dass von den an der Oberfläche (16) auf der Erstarrungsfront (10) favorisierten Richtungen (22) eine Dendritenwachstumsrichtung initialisiert wird, die eine Projektion in Richtung zur Oberflächennormalen
(n0 ) aufweist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem nur die Energiequelle (25) verfahren wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, bei dem nur das Substrat (4) verfahren wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, bei dem ein Laserstrahl zum Umschmelzen verwendet wird.
6. Verfahren nach Anspruch 1, 2, 3, 4 oder 5, bei dem das Bauteil (4, 120, 130, 155) aus kolumnar erstarrten Körnern (DS) besteht.
7. Verfahren nach Anspruch 1, 2, 3, 4 oder 5, bei dem das Bauteil eine einkristalline Struktur (SX) auf- weist.
8. Verfahren nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5, 6 oder 7, bei dem über die gesamte Erstarrungsfront (10) die gleiche kristallographische Richtung (7,22) den kleinsten Winkel (Ψl, Ψ2, Ψl ' , Ψ2 ' ) mit den Temperaturgradienten (13, 13') bildet.
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