EP2876172A1 - Verfahren zur Herstellung und Reparatur von Bauteilen einer Strömungsmaschine aus Nickelbasis-Superlegierungen - Google Patents

Verfahren zur Herstellung und Reparatur von Bauteilen einer Strömungsmaschine aus Nickelbasis-Superlegierungen Download PDF

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EP2876172A1
EP2876172A1 EP13194500.8A EP13194500A EP2876172A1 EP 2876172 A1 EP2876172 A1 EP 2876172A1 EP 13194500 A EP13194500 A EP 13194500A EP 2876172 A1 EP2876172 A1 EP 2876172A1
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Johannes Gabel
Malogrzata Zielinska
Michael Weiss
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Definitions

  • the invention proposes, in order to reduce the expense in processes for producing and repairing components made of nickel-base superalloys, to carry out the aging annealing not only after completion of the component as the last method step, but already at the earliest point in time of the method, ie at a time, in which still follow at least one or more processing steps on the aging annealing.
  • the aging annealing should be carried out at a time that is at a temperature of more than 1100 ° C after the last heat treatment of the component. This can be avoided that the effect of the Alertungsglühung with the formation of the contribution to the strength and hardness excretion by a subsequently too high Temperature load and corresponding resolution of excretions is nullified.
  • the aging annealing for many components can be carried out under the same conditions, so that the expense and the costs for the aging annealing are reduced.
  • the components with their basic components without additional, later to be attached attachments of aging annealing are exposed, so that also reduces the effort.
  • the aging annealing may be carried out at a temperature of from 1050 ° C to 1080 ° C, in particular in the range of from 1060 ° C to 1070 ° C, preferably around 1060 ° C for one to five hours, preferably two to four hours and more preferably two hours become.
  • the aging annealing may be followed by a defined cooling at a cooling rate of 20 ° C. per minute and more up to a temperature in the range from 500 ° C. to 700 ° C., in particular 600 ° C.
  • heat treatments to detect cracks or soldering attachments to the base component, as well as machining the base component and / or attachments.
  • heat treatments or thermomechanical treatments can be carried out in which the temperature load for the base component or the component does not exceed the temperature of 1100 ° C.
  • repair soldering may be performed prior to aging annealing.
  • the nickel base superalloy may be any suitable nickel base superalloy, such as Inconel 713 (Inconel is a trade name of Special Metals Corporation) or MAR-M-247 (MAR-M-247 is a trademark of Martin Marietta).
  • FIG. 13 shows a flowchart for a repair process of integrated vane rings, with correspondingly provided, integrated vane rings being provided in step 1.
  • step 2 which may be performed alternatively or in addition to step 1, integrated vane rings are also provided, however, for example, newly made by casting and hot isostatic pressing.
  • step 3 the components are subjected to a thermocyclic heat treatment in order to be able to detect cracks possibly present in the components.
  • thermal cycling in the temperature range of up to 1080 ° C for ten minutes to go through. If no cracks are detected for the used, integrated guide blade rings, they are immediately subjected to the treatment according to method step 6, which will be described below.
  • the flowchart of FIG. 1 clearly shows that the precipitation annealing is performed in step 5 at an early stage in the machining process and before two further processing steps before completion of the component, so that a standardized aging annealing can be used.
  • FIG. 2 FIG. 12 shows another example of a repair process which provides in step 8 vanes and blades which after fabrication by casting and hot isostatic pressing in step 9 are subjected to aging annealing at 1060 ° C. for two hours.
  • step 9 Only after the aging annealing in step 9 is a thermocycling treatment carried out at 1080 ° C +/- 14 ° C for seven to twenty minutes in step 10 to make penetration tests.
  • step 11 a honeycomb seal is then soldered again at a temperature of 1060 ° C. in a period of 10 minutes.
  • Such an inner ring 106 is disposed at a vane ring of a stator of a turbomachine at the radially inner end of the vanes 102 opposite to the shaft, as shown in FIG Fig. 3 you can see.
  • the stator ring 106 disposed at the radially inner end of the vane 102 has a honeycomb seal 107 which engages with sealing fins 104 of the rotor to seal the gap between the shaft 100 and the vane 102, thus avoiding flow losses.
  • the stator ring 106 which may be formed as an integrated vane ring, may be manufactured or repaired according to the invention.
  • stator ring 106 is to be regarded as a basic component, for example, and accordingly, the honeycomb seal 107 constitutes an attachment which can be soldered onto the stator ring 106 after aging annealing.
  • the axis of rotation 105 of the turbomachine is in Fig. 3 also shown.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung und Reparatur von Bauteilen einer Strömungsmaschine, insbesondere eines Flugtriebwerks, bei welchem eine Grundkomponente aus einer Nickelbasis - Superlegierung hergestellt oder bereitgestellt wird (Schritt 1 oder 2), wobei eine Alterungsglühung (5) vor Fertigstellung des Bauteils und nach der letzten Wärmebehandlung und/oder thermomechanischen Behandlung bei einer Temperatur von mehr als 1100°C durchgeführt wird.

Description

    HINTERGRUND DER ERFINDUNG GEBIET DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung und Reparatur von Bauteilen einer Strömungsmaschine, insbesondere eines Flugtriebwerks, mit einer Grundkomponente aus einer Nickelbasis - Superlegierung.
    • STAND DER TECHNIK
  • Bei Strömungsmaschinen, wie stationären Gasturbinen oder Flugzeugtriebwerken, dreht sich, vereinfacht ausgedrückt, ein Rotor um eine Achse gegenüber einem feststehenden Stator. Der Stator weist Leitschaufeln auf, die den durch die Strömungsmaschine strömenden Gasstrom auf die sich drehenden Laufschaufeln des Rotors lenken. Zum Antrieb wird in einer Brennkammer Treibstoff verbrannt, so dass die ausströmenden Verbrennungsgase den Rotor antreiben.
  • Da aufgrund der hohen Drehgeschwindigkeiten des Rotors, den hohen Strömungsgeschwindigkeiten des durchströmenden Gases und den hohen Verbrennungstemperaturen in der Strömungsmaschine Bedingungen herrschen, die hohe Anforderungen an das eingesetzte Material stellen, werden in derartigen Strömungsmaschinen unter anderem Bauteile aus Nickelbasis - Superlegierungen eingesetzt, die sich auch bei hohen Temperaturen durch hohe Festigkeiten auszeichnen. Dies wird dadurch erreicht, dass in den Nickelbasis - Superlegierungen y'- Ausscheidungen vorliegen, die eine Ausscheidungshärtung bewirken. Entsprechend ist es für die Festigkeit von entsprechenden Bauteilen wichtig, dass das Gefüge der Nickelbasis - Superlegierungen die erforderlichen Ausscheidungen ausreichend aufweist, um dadurch die erforderliche Hochtemperaturfestigkeit des Materials zu bewirken.
  • Entsprechend ist es bekannt, bei der Herstellung von Statorringen bzw. Leitschaufeln mit integrierten Statorringen oder von Leitschaufeln und Laufschaufeln eine Ausscheidungswärmebehandlung, die auch als Alterungsglühung bezeichnet wird, durchzuführen, um die für die Hochtemperaturfestigkeit wichtigen γ'-Ausscheidungen in einem stabilisierten Gefüge zu erhalten.
  • Folglich müssen viele unterschiedliche Bauteile aus Nickelbasis - Superlegierungen bei der Herstellung und bei der Reparatur von Strömungsmaschinen mit Bauteilen aus Nickelbasis - Superlegierungen einer entsprechenden Alterungsglühung unterzogen werden. Die Alterungsglühung wird üblicherweise am Ende des Herstell- und Reparaturverfahrens mit den fertig hergestellten Bauteilen durchgeführt.
  • Allerdings müssen in diesem Fall für verschiedene Bauteile individuelle Alterungsglühungen durchgeführt werden, da bei den fertigen Bauteilen darauf geachtet werden muss, dass die Temperaturbelastung für das gesamte Bauteil geeignet ist. Somit ergeben sich bei der Herstellung und der Reparatur von verschiedenen Bauteilen auch unterschiedliche Alterungsglühungen.
  • Dadurch ergibt sich jedoch für einen Hersteller und/oder einen Reparaturbetrieb für derartige Bauteile ein hoher Aufwand für die Durchführung der Alterungsglühungen.
    • OFFENBARUNG DER ERFINDUNG AUFGABE DER ERFINDUNG
  • Es ist deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung und Reparatur von Bauteilen einer Strömungsmaschine aus Nickelbasis - Superlegierungen anzugeben, bei welchem der Aufwand für die Durchführung von Alterungsglühungen reduziert werden kann, wobei gleichzeitig die erforderlichen Eigenschaften der Bauteile sicher und zuverlässig erreicht werden sollen. Insgesamt soll mit dem erfindungsgemäßen Verfahren eine Verfahrensvereinfachung einhergehen.
    • TECHNISCHE LÖSUNG
  • Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
  • Die Erfindung schlägt vor, zur Reduzierung des Aufwands bei Verfahren zur Herstellung und Reparatur von Bauteilen aus Nickelbasis - Superlegierungen, die Alterungsglühungen nicht erst nach Fertigstellung des Bauteils als letzten Verfahrensschritt durchzuführen, sondern bereits zu einem möglichst frühen Zeitpunkt des Verfahrens, also zu einem Zeitpunkt, bei dem noch mindestens ein oder weitere Bearbeitungsschritte auf die Alterungsglühung folgen. Allerdings soll die Alterungsglühung zu einem Zeitpunkt durchgeführt werden, der nach der letzten Wärmebehandlung des Bauteils bei einer Temperatur von mehr als 1100°C liegt. Dadurch kann vermieden werden, dass die Wirkung der Alertungsglühung mit der Bildung der zur Festigkeit und Härte beitragenden Ausscheidung nachträglich durch eine zu hohe Temperaturbelastung und entsprechende Auflösung der Ausscheidungen zunichte gemacht wird.
  • Durch diese Maßnahme kann die Alterungsglühung für viele Bauteile unter gleichen Bedingungen durchgeführt werden, sodass sich der Aufwand und die Kosten für die Alterungsglühung reduziert. Zudem können die Bauteile mit ihren Grundkomponenten ohne zusätzliche, später anzubringende Anbauteile der Alterungsglühung ausgesetzt werden, sodass sich auch hierdurch der Aufwand reduziert.
  • Die Alterungsglühung kann bei einer Temperatur von 1050°C bis 1080°C, insbesondere im Bereich von 1060°C bis 1070°C, vorzugsweise um 1060°C für ein bis fünf Stunden, vorzugsweise zwei bis vier Stunden und insbesondere um zwei Stunden, durchgeführt werden. An die Alterungsglühung kann sich eine definierte Abkühlung mit einer Kühlrate von 20°C pro Minute und mehr bis zu einer Temperatur im Bereich von 500°C bis 700°C, insbesondere 600°C anschließen.
  • Nach der Alterungsglühung können verschiedene weitere Bearbeitungsschritte folgen, wie beispielsweise Wärmebehandlungen zur Ermittlung von Rissen oder das Anlöten von Anbauteilen an die Grundkomponente sowie eine mechanische Bearbeitung der Grundkomponente und/oder von Anbauteilen. Insbesondere können Wärmebehandlungen oder thermomechanische Behandlungen durchgeführt werden, bei denen die Temperaturbelastung für die Grundkomponente bzw. das Bauteil die Temperatur von 1100°C nicht übersteigt.
  • Bei der Reparatur von Bauteilen kann vor der Alterungsglühung eine Reparaturlötung durchgeführt werden.
  • Für das Verfahren bieten sich insbesondere Bauteile bzw. Grundkomponenten wie Statorringe, Leitschaufeln mit integrierten Statorringen und Laufschaufeln an, wobei beispielsweise als Anbauteil eine Wabendichtung angelötet werden kann.
  • Die Nickelbasis - Superlegierung kann jede geeignet Nickelbasis - Superlegierung sein, wie beispielsweise Inconel 713 (Inconel ist ein Markenname der Firma Special Metals Corporation) oder MAR-M-247 (MAR-M-247 ist eine Marke der Firma Martin Marietta).
    • KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
  • Die beigefügten Zeichnungen zeigen in rein schematischer Weise in
    • Fig. 1 ein Ablaufdiagramm eines ersten Ausführungsbei- spiels eines erfindungsgemäßen Reparaturverfah- rens;
    • Fig. 2 ein Ablaufdiagramm einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Reparaturverfahrens; und in
    • Fig. 3 einen Ausschnitt einer Strömungsmaschine zur Verdeutlichung der Anordnung der Bauteile, die gemäß dem Verfahren der Erfindung hergestellt und/oder repariert werden können.
    AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
  • Weitere Vorteile, Kennzeichen und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden bei der nachfolgenden detaillierten Beschreibung der Ausführungsbeispiele deutlich. Allerdings ist die Erfindung nicht auf diese Ausführungsbeispiele beschränkt.
  • Die Figur 1 zeigt ein Ablaufdiagramm für ein Reparaturverfahren von integrierten Leitschaufelringen, wobei im Schritt 1 entsprechend gebrauchte, integrierte Leitschaufelringe bereitgestellt werden. Im Schritt 2, der alternativ oder zusätzlich zum Schritt 1 durchgeführt werden kann, werden ebenfalls integrierte Leitschaufelringe bereitgestellt, die jedoch beispielsweise neu durch Gießen und heißisostatisches Pressen hergestellt worden sind.
  • Im Schritt 3 werden die Bauteile einer thermozyklischen Wärmebehandlung unterworfen, um Risse, die möglicherweise in den Bauteilen vorliegen, detektieren zu können. Hierbei werden Thermozyklen im Temperaturbereich von bis zu 1080°C für zehn Minuten durchlaufen. Werden für die gebrauchten, integrierten Leitschaufelringe keine Risse detektiert, so werden sie unmittelbar der Behandlung gemäß Verfahrensschritt 6 unterzogen, die nachfolgend noch beschrieben wird.
  • Werden jedoch im Schritt 3 Risse detektiert, so wird im Schritt 4 eine Reparaturlötung durchgeführt, die beispielsweise bei Temperaturen im Bereich von 1150°C bis 1250°C mit einer entsprechenden anschließenden Wärmebehandlung im selben Temperaturbereich mit Auslagerungszeiten von einigen Minuten bis zu einigen Stunden durchgeführt wird.
  • Anschließend wird erfindungsgemäß eine Alterungsglühung bei 1060°C für zwei Stunden im Schritt 5 vorgenommen.
  • Für die neu hergestellten, integrierten Leitschaufelringe, bei denen keine Risse festgestellt worden sind, wird ohne Reparaturlötung unmittelbar vom Schritt 3 zum Schritt 5 übergegangen, um ebenfalls eine Alterungsglühung, die auch als Ausscheidungsglühung oder - wärmebehandlung bezeichnet werden kann, durchzuführen. Dadurch können die Ausscheidungen in der Nickelbasis - Superlegierung nach dem Herstellungsprozess, also beispielsweise dem Gießen und einer nachfolgenden heißisostatischen Pressung, erzeugt werden. Nach der Auslagerungsglühung werden bei dem Verfahren nach Figur 1 zwei weitere Bearbeitungsschritte durchgeführt und zwar einerseits das Anlöten einer Wabendichtung im Schritt 6 und die mechanische Bearbeitung des entsprechend hergestellten Bauteils im Schritt 7.
  • Das Ablaufdiagramm der Figur 1 zeigt deutlich, dass die Ausscheidungsglühung im Schritt 5 zu einem frühen Zeitpunkt im Bearbeitungsprozess und vor zwei weiteren Bearbeitungsschritten vor Fertigstellung des Bauteils durchgeführt wird, sodass eine standardisierte Alterungsglühung eingesetzt werden kann.
  • Die Figur 2 zeigt ein weiteres Beispiel eines Reparaturverfahrens, bei welchem im Schritt 8 Leitschaufeln und Laufschaufeln bereitgestellt werden, die nach der Herstellung durch Gießen und heißisostatisches Pressen im Schritt 9 einer Alterungsglühung bei 1060°C für zwei Stunden ausgesetzt werden.
  • Erst nach der Alterungsglühung im Schritt 9 wird im Schritt 10 eine thermozyklische Behandlung bei 1080°C +/- 14°C für sieben bis zwanzig Minuten durchgeführt, um Eindringuntersuchungen vorzunehmen. Im Schritt 11 wird dann wiederum eine Wabendichtung bei einer Temperatur von 1060°C in einer Zeitspanne von 10 Minuten aufgelötet.
  • Die Figur 3 zeigt in einer teilweisen, schematischen Schnittansicht durch eine Strömungsmaschine Bauteile, bei denen das erfindungsgemäße Verfahren angewendet werden kann. In Figur 3 ist ein Innenring 106 eines Statorleitschaufelkranzes mit einer Leitschaufel 102 dargestellt.
  • Ein derartiger Innenring 106 ist bei einem Leitschaufelkranz eines Stators einer Strömungsmaschine am radial innen liegenden Ende der Leitschaufeln 102 gegenüberliegend der Welle angeordnet, wie dies in Fig. 3 zu sehen ist. Dort ist auch die Welle 100 eines Rotors mit einer Laufschaufel 103 gezeigt, die benachbart zu einer Leitschaufel 102 des Stators 101 angeordnet ist. Der am radial innen liegenden Ende der Leitschaufel 102 angeordnete Statorring 106 weist eine Wabendichtung 107 auf, die mit Dichtfinnen 104 des Rotors im Eingriff ist, um den Spalt zwischen Welle 100 und Leitschaufel 102 abzudichten und somit Strömungsverluste zu vermeiden. Der Statorring 106, der als integrierter Leitschaufelring ausgebildet sein kann, kann gemäß der Erfindung hergestellt oder repariert werden. Somit ist der Statorring 106 beispielsweise als Grundkomponente anzusehen und entsprechend stellt die Wabendichtung 107 ein Anbauteil dar, welches nach einer Alterungsglühung auf den Statorring 106 aufgelötet werden kann. Die Drehachse 105 der Strömungsmaschine ist in Fig. 3 ebenfalls gezeigt.
  • In ähnlicher Weise ist an der Spitze der Laufschaufeln 103 ebenfalls ein Anstreifbelag 108 aufgelötet, der mit Dichtfinnen 109 des Gehäuses bzw. Stators in Eingriff ist. Die Laufschaufeln 103 als Grundkomponente und der Anstreifbelag 108 als Anbauteil können ebenfalls gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt und/oder repariert werden.
  • Obwohl die vorliegende Erfindung anhand der Ausführungsbeispiele detailliert beschrieben worden ist, ist für den Fachmann selbstverständlich, dass die Erfindung nicht auf diese Ausführungsbeispiele beschränkt ist, sondern dass vielmehr Abwandlungen in der Weise möglich sind, dass einzelne Merkmale weggelassen oder andersartige Kombinationen von Merkmalen verwirklicht werden können, solange der Schutzbereich der beigefügten Ansprüche nicht verlassen wird. Insbesondere schließt die Offenbarung der vorliegenden Erfindung sämtliche Kombinationen der vorgestellten Einzelmerkmale mit ein.

Claims (10)

  1. Verfahren zur Herstellung und Reparatur von Bauteilen einer Strömungsmaschine, insbesondere eines Flugtriebwerks, bei welchem eine Grundkomponente aus einer Nickelbasis - Superlegierung hergestellt oder bereitgestellt wird,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    eine Alterungsglühung vor Fertigstellung des Bauteils und nach der letzten Wärmebehandlung und/oder thermomechanischen Behandlung bei einer Temperatur von mehr als 1100°C durchgeführt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Alterungsglühung bei einer Temperatur im Bereich von 1050°C bis 1080°C, insbesondere im Bereich von 1060°C und 1070°C, vorzugsweise um 1060°C für 1 bis 5 h, vorzugsweise 2 bis 4 h, insbesondere um 2 h durchgeführt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    nach der Alterungsglühung bis zu einer Temperatur von 500°C bis 700°C, insbesondere 600°C eine Kühlrate von 20°C/min oder größer eingestellt wird.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    nach der Alterungsglühung an der Grundkomponente (106,103) mittels Löten ein Anbauteil (107,108) angeordnet wird.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    nach der Alterungsglühung und insbesondere nach einem Anlöten eines Anbauteils eine mechanische Bearbeitung durchgeführt wird.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    nach der Alterungsglühung mindestens eine weitere Wärmebehandlung und/oder thermomechanische Behandlung durchgeführt wird, bei der die Temperatur 1100°C nicht übersteigt.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    nach der Alterungsglühung und insbesondere vor einem Anlöten eines Anbauteils eine Wärmebehandlung zur Bauteilprüfung durchgeführt wird.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    vor der Alterungsglühung eine Reparaturlötung durchgeführt wird.
  9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Grundkomponenten ausgewählt sind aus der Gruppe, die Statorringe (106), Leitschaufeln mit integriertem Statorringen und Laufschaufeln (103) umfasst, und dass das Anbauteil eine Wabendichtung (107) oder ein Anstreifbelag (108) ist.
  10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Nickelbasis - Superlegierung Inconel 713 oder MAR - M247 ist.
EP13194500.8A 2013-11-26 2013-11-26 Verfahren zur Herstellung und Reparatur von Bauteilen einer Strömungsmaschine aus Nickelbasis-Superlegierungen Withdrawn EP2876172A1 (de)

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