EP4409112A1 - Selektive entfernung von beschichtungen aus kühltaschen von turbinenschaufeln - Google Patents

Selektive entfernung von beschichtungen aus kühltaschen von turbinenschaufeln

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EP4409112A1
EP4409112A1 EP22802185.3A EP22802185A EP4409112A1 EP 4409112 A1 EP4409112 A1 EP 4409112A1 EP 22802185 A EP22802185 A EP 22802185A EP 4409112 A1 EP4409112 A1 EP 4409112A1
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EP
European Patent Office
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pockets
coating
webs
turbine blade
ceramic coating
Prior art date
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Pending
Application number
EP22802185.3A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Jan Philipp BORRMANN
Benjamin Lippke
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Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Original Assignee
Siemens Energy Global GmbH and Co KG
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Publication date
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    • F05D2300/60—Properties or characteristics given to material by treatment or manufacturing
    • F05D2300/611—Coating

Definitions

  • the invention relates to the selective removal of coatings, such as in particular a ceramic coating (TBC) from the pockets (“compartments”, “pockets”) on the trailing edge of turbine blades by means of water jet removal and turbine blades.
  • TBC ceramic coating
  • the trailing edge of the turbine blade and guide blade is covered with a metal sheet to prevent the cooling air holes, including the fan geometry, from “clogging”.
  • the TBC When removing the shroud, the TBC will occasionally spall, requiring rework or recoating .
  • the webs between the individual, fan-shaped cooling air outlets cannot be coated with a TBC because they are covered with .
  • the object is achieved by a method according to claim 1 and a turbine blade according to claim 10 .
  • Turbine blades have a trailing edge that can have pockets, ie fan-shaped cooling air outlets.
  • the turbine blade is then coated with a ceramic (TBC), which is also deposited on the webs and the pockets and has a specific layer thickness in the pockets.
  • TBC ceramic
  • Electron beam, laser beam or high-speed water jet machining - with or without the addition of abrasive particles - allows selective removal of a layer, particularly a ceramic layer, of the TBC.
  • the ceramic layer (TBC) can be partially removed leaving a thin layer or completely removed from the pockets.
  • a ceramic coating is preferably present in the pocket, but at most 40%, in particular at most 20%, of the original layer thickness of the ceramic layer in the pocket.
  • the figure shows the region 4 of a trailing edge 22 of a turbine blade 1 with a blade area 9 (concave side).
  • pockets 7 are present, from which cooling air flows out of a hole 6 from the interior of the turbine blade 1 .
  • Webs 8 are in each case present between the pockets 7 .
  • the substrate of the turbine blade 1 is a nickel-based or cobalt-based alloy.
  • an aluminum oxide layer forms as intended.
  • a one-layer or two-layer ceramic coating based on zirconium oxide is preferably present on the substrate coated in this way, in particular a partially stabilized or fully stabilized ZrO2 coating.
  • the layer system of substrate, NiCoCrAl-X, TBC and an oxide layer on the NiCoCrAl-X is present for the entire airfoil 9 because without masking such.
  • the area 4 is also coated, ie the webs 8 and the pockets 7 .
  • NiCoCrAl-X On the webs 8 and in the pockets 7, the same layer system made of substrate, NiCoCrAl-X, TBC and an oxide layer on the NiCoCrAl-X is therefore preferably present.
  • the procedure for removing the coating, at least the ceramic coating, is shown in individual removal patterns.
  • the first pattern 10 provides that parallel to the trailing edge 22 the layer to be removed in the pocket 7 , in particular the ceramic layer , is removed line by line.
  • the removal can start near the trailing edge 22 or near the hole 6 .
  • the beam can always be guided from left to right over the pocket 7 or. from right to left, or the beam is guided in a meandering pattern.
  • the removal preferably takes place in several transitions in layers or all at once over the layer thickness along the alignment.
  • the second pattern 13 provides that, starting from a starting point, preferably at the trailing edge 22, the surface of the pocket 7 is traversed in a spiral shape according to the pattern of the pockets 7, whereby this can be achieved in several transitions in layers or all at once over the Layer thickness along the lines.
  • the third pattern 16 shows a further procedure in which at least the ceramic coating is at most partially removed from the webs 8 and mostly or completely removed from the pockets 7 in one process and the stripping optionally extends at most partially into the airfoil area 9 .
  • the removal preferably takes place in several transitions in layers or all at once over the layer thickness along the alignment.
  • the fourth sample 19 shows a procedure similar to the first sample 10, but in which the course of the removal goes beyond the pocket 7 onto the ridge 8, but in such a way that part of the ceramic coating on the ridge 8 remains entirely.
  • the removal preferably takes place in several transitions in layers or all at once over the layer thickness along the alignment.
  • the fifth pattern 31 shows a slight variation of the first 10 and third 16 patterns, namely that the straight jet guidance does not run parallel to the trailing edge 22 , but rather not parallel to the trailing edge 22 , but preferably perpendicular to the trailing edge 22 .
  • Only the pocket 7 can be removed from a ceramic coating and/or the webs 8 in between. This is done in several transitions in layers or all at once across the layer thickness along the lines.
  • the sixth sample 25 shows that here the ceramic coating is approached and removed point by point. This is done by pulsing and moving the beam during the pulse pause.
  • the individual areas of the dot areas 28 overlap in order to produce a coherent area of the pocket 7 . This is done in several transitions in layers or all at once across the layer thickness along the lines.

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Abstract

Verfahren zur selektiven Entfernung einer keramischen Beschichtung aus benachbarten Kühltaschen einer Turbinenschaufel, bei dem ein Hochgeschwindigkeitswasserstrahl verwendet wird, um aus zumindest einer Tasche (7) im Bereich einer Abströmkante (22) der Turbinenschaufel (1) und/oder von Stegen (8) zwischen den Taschen zumindest teilweise keramisches Material zu entfernen, wobei auf der Turbinenschaufel eine metallische Haftvermittlerschicht aufgebracht ist.

Description

SELEKTIVE ENTFERNUNG VON BESCHICHTUNGEN AUS KÜHLTASCHEN VON TURBINENSCHAUFELN
Die Erfindung betri f ft die selektive Entfernung von Beschichtungen wie insbesondere einer keramischen Beschichtung ( TBC ) aus den Taschen ( „Fächer" , „pockets" ) an der Abströmkante von Turbinenschaufeln mittels Wasserstrahlabtragen und Turbinenschaufeln .
Solche Designs sind aus der US 6 , 258 , 226 Bl oder US 7 , 939 , 135 B2 bekannt .
Beim Beschichtungsprozess der keramischen Wärmedämmschicht ( TBC ) mittels Plasmaspritzen wird die Abströmkante von Turbinenlauf- und -leitschauf ein mittels eines Blechs abgedeckt , um ein „Verstopfen" der Kühlluftbohrungen inklusive Fächergeometrie aus zuschließen .
Beim Entfernen des Abdeckblechs kommt es gelegentlich zu Abplatzungen der TBC, sodass Nacharbeiten oder eine Neubeschichtung notwendig sind .
Des Weiteren können die Stege zwischen den einzelnen, fächerförmigen Kühlluftaustritten nicht mit einer TBC beschichtet werden, da sie mit abgedeckt werden .
Hierdurch resultiert ein erhöhter, unerwünschter Wärmeeintrag in den Grundwerkstof f .
Es ist daher Aufgabe der Erfindung oben genanntes Problem zu lösen .
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 und eine Turbinenschaufel gemäß Anspruch 10 .
In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Maßnahmen aufgelistet , die beliebig miteinander kombiniert werden können, um weitere Vorteile zu erzielen . Es zeigt die Figur mehrere Aus führungsbeispiele der Erfindung .
Die Figur und die Beschreibung stellen nur Aus führungsbeispiele der Erfindung dar .
Turbinenschaufeln weisen eine Abströmkante auf , die Taschen aufweisen kann, also fächerförmige Kühlluftaustritte .
Bei der Beschichtung der Turbinenschaufel wird eine metallische Haftvermittlerschicht für eine TBC, insbesondere eine MCrAl-X Schicht , M = Ni , Co , Fe ; X ist optional = Y, Ta, Re , und/oder Si , aufgebracht ohne Maskierung, sodass auch die Taschen und die Stege zwischen Taschen ebenfalls die metallische Schicht wie ein Schaufelblatt aufweisen .
Danach erfolgt die Beschichtung der Turbinenschaufel mit einer Keramik ( TBC ) , die sich auch ebenfalls auf den Stegen und den Taschen niederschlägt und in den Taschen eine bestimmte Schichtdicke aufweist .
Die Bearbeitung mittels Elektronenstrahlen, Laserstrahlen oder Hochgeschwindigkeitswasserstrahlen - mit oder ohne Hinzufügen von abrasiven Partikeln - ermöglicht eine selektive Entfernung einer Schicht , insbesondere einer keramischen Schicht , der TBC .
Dementsprechend muss im Beschichtungsprozess eine Austrittskante nicht mehr abgedeckt werden .
Die einzelnen fächerförmigen Kühlluftaustritte werden mittels eines exakt parametrisierten Prozesses , insbesondere eines Wasserstrahlprozesses bearbeitet , sodass lediglich die keramische Schicht lokal entfernt wird und weder ein Abplatzen der umliegenden Schicht noch eine Beschädigung einer darunterliegenden metallischen Haftvermittlerschicht , insbesondere eine MCrAl-X Schicht , (M = Ni , Co , Fe ; X ist optional = Y, Ta, Re , Si , insbesondere M= Ni , Co ; X = Y oder X=Y + Ta ) statt findet . Die keramische Schicht ( TBC ) kann teilweise , so dass eine dünne Schicht verbleibt , oder vollständig aus den Taschen entfernt werden .
Vorzugsweise ist eine keramische Beschichtung ( TBC ) in der Tasche vorhanden, aber höchstens zu 40% , insbesondere zu höchstens 20% der ursprünglichen Schichtdicke der keramischen Schicht in der Tasche .
Verschiedene Optionen möglicher Bahnen zum Entschichten sind möglich .
Es zeigt die Figur den Bereich 4 einer Abströmkante 22 einer Turbinenschaufel 1 mit einem Schaufelblattbereich 9 ( konkave Seite ) .
Ausgehend von der Abströmkante 22 oder kurz dahinter sind Taschen 7 vorhanden, aus denen Kühlluft aus dem Innern der Turbinenschaufel 1 aus einem Loch 6 herausströmt .
Zwischen den Taschen 7 sind j eweils Stege 8 vorhanden .
Das Substrat der Turbinenschaufel 1 stellt eine nickel- oder kobaltbasierte Legierung dar .
Als Haftvermittlerschicht auf dem Substrat wird vorzugsweise eine NiCoCrAl-X (X, optional = Y, Ta, Re , Si ) verwendet , die insbesondere eine Überzugsbeschichtung und keine Di f fusionsbeschichtung wie Aluminidbeschichtung oder keine Platin- Al uminidbeschichtung darstellt .
Dabei bildet sich zwangsläufig und bestimmungsgemäß eine Alu- miniumoxidschicht .
Auf dem so beschichteten Substrat ist vorzugsweise eine einlagige oder zweilagige keramische Beschichtung auf Zirkono- xid-Basis vorhanden, insbesondere eine teilstabilisierte oder vollstabilisierte ZrO2 -Be Schichtung .
Das Schichtsystem aus Substrat , NiCoCrAl-X, TBC sowie einer Oxidschicht auf der NiCoCrAl-X ist für das gesamte Schaufelblatt 9 vorhanden, weil ohne Maskierung wie z . B . im oben ge- nannten Stand der Technik auch der Bereich 4 beschichtet wird, also die Stege 8 und die Taschen 7 .
Auf den Stegen 8 und in den Taschen 7 ist daher vorzugsweise dasselbe Schichtsystem aus Substrat , NiCoCrAl-X, TBC sowie einer Oxidschicht auf der NiCoCrAl-X vorhanden .
Die Vorgehensweise der Entschichtung, zumindest der keramischen Beschichtung, ist in einzelnen Entfernungsmustern dargestellt .
Das erste Muster 10 sieht vor, dass parallel zur Abströmkante 22 die zu entfernende Schicht in der Tasche 7 , insbesondere der Keramikschicht , linienweise abgetragen wird .
Dabei kann bei der Entfernung nahe der Abströmkante 22 oder nahe des Lochs 6 begonnen werden .
Dabei kann der Strahl immer von links nach rechts über die Tasche 7 geführt werden bzw . von rechts nach links , oder die Strahl führung erfolgt mäanderf örmig .
Vorzugsweise erfolgt der Abtrag in mehreren Übergängen lagenweise oder auf einmal über die Schichtdicke entlang der Linienführung .
Das zweite Muster 13 sieht vor, dass , ausgehend von einem Startpunkt , vorzugsweise an der Abströmkante 22 , die Fläche der Tasche 7 spiral förmig entsprechend des Musters der Taschen 7 abgefahren wird, wobei dies in mehreren Übergängen lagenweise erzielt werden kann oder auf einmal über die Schichtdicke entlang der Linienführung .
Das dritte Muster 16 zeigt eine weitere Vorgehensweise , bei dem zumindest die keramische Beschichtung von den Stegen 8 in einem Prozess höchstens teilweise und aus den Taschen 7 größtenteils oder ganz entfernt wird und sich die Entschichtung gegebenenfalls höchstens teilweise in den Schaufelblattbereich 9 erstreckt .
Dies kann linienförmig, wie beim ersten Muster 10 erfolgen oder spiral förmig wie beim zweiten Muster 13 . Vorzugsweise erfolgt der Abtrag in mehreren Übergängen lagenweise oder auf einmal über die Schichtdicke entlang der Linienführung .
Das vierte Muster 19 zeigt eine Vorgehensweise ähnlich wie das erste Muster 10 , bei der der Verlauf der Abtragung aber über die Tasche 7 auf den Steg 8 hinausgeht , aber so , dass ein Teil der keramischen Beschichtung auf dem Steg 8 vollkommen verbleibt .
Vorzugsweise erfolgt der Abtrag in mehreren Übergängen lagenweise oder auf einmal über die Schichtdicke entlang der Linienführung .
Das fünfte Muster 31 zeigt eine leichte Variation des ersten 10 und dritten 16 Musters , nämlich dass die geradlinige Strahl führung nicht parallel zur Abströmkante 22 verläuft , sondern eben nicht parallel zur Abströmkante 22 , sondern vorzugsweise senkrecht zur Abströmkante 22 verläuft .
Dabei kann nur die Tasche 7 von einer keramischen Beschichtung entfernt werden und oder auch die Stege 8 dazwischen . Dies erfolgt in mehreren Übergängen lagenweise oder auf einmal über die Schichtdicke entlang der Linienführung .
Das sechste Muster 25 zeigt im Gegensatz zu den anderen Mustern, dass hier die keramische Beschichtung punktweise angefahren und abgetragen wird . Dies erfolgt dadurch, dass gepulst wird und während der Pulspause der Strahl verfahren wird .
Dabei überlappen sich die einzelnen Flächen der Punktbereiche 28 , um eine zusammenhängende Fläche der Tasche 7 zu erzeugen . Dies erfolgt in mehreren Übergängen lagenweise oder auf einmal über die Schichtdicke entlang der Linienführung .

Claims

6 Patentansprüche
1. Verfahren zur Entfernung einer Beschichtung, insbesondere einer keramischen Beschichtung, bei dem ein Strahl, insbesondere ein Hochgeschwindigkeitswasserstrahl, verwendet wird, insbesondere mit abrasiven Partikeln, um aus zumindest einer Tasche (7) , insbesondere aus mehreren Taschen (7) im Bereich einer Abströmkante (22) einer Turbinenschaufel (1) und/oder von Stegen (8) zwischen den Taschen (7) zumindest teilweise, insbesondere vollständig, die Beschichtung, insbesondere die keramische Beschichtung, zu entfernen.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Strahl (10, 16, 19, 31) geradlinig über die abzutragende Fläche bewegt wird.
3. Verfahren nach einem oder beiden der Ansprüche 1 oder 2, bei dem der Strahl (10, 16, 19, 31) mäanderf örmig über die abzutragende Fläche bewegt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Strahl (13) spiralförmig über die abzutragende Fläche bewegt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Strahl (25) punktweise (28) die Beschichtung entfernt .
6. Verfahren nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, bei dem keine keramische Beschichtung von den Stegen (8) entfernt wird. 7 Verfahren nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche 1 bis 5, bei dem eine keramische Beschichtung höchstens teilweise von den Stegen (8) entfernt wird. Verfahren nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche 1 bis 5, bei dem eine keramische Beschichtung vollständig von den Stegen (8) entfernt wird. Verfahren nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, bei dem keine metallische Beschichtung aus den Taschen (7) entfernt wird. . Turbinenschaufel, insbesondere hergestellt nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, mit einem Schaufelblatt (9) , an das sich eine Abströmkante ( 22 ) mit Taschen (7) und Stegen (8) zwischen den Taschen (7) anschließt, wobei eine metallische Beschichtung auf dem Schaufelblatt (9) , auf den Stegen (8) und in den Taschen (7) vorhanden ist, wobei eine keramische Beschichtung auf dem Schaufelblatt (9) , zumindest teilweise auf den Stegen (8) und in den Taschen (7) zumindest teilweise oder gar nicht vorhanden ist. . Turbinenschaufel nach Anspruch 10, bei dem eine NiCoCrAl-X Beschichtung in der Tasche (7) vorhanden ist, wobei X optional ist und X = Y, Ta, Re und/oder Si umfasst, insbesondere mit einer Aluminiumoxidschicht .
. Turbinenschaufel nach Anspruch 10 oder 11, bei dem eine keramische Beschichtung in der Tasche (7) vorhanden ist oder verbleibt, aber höchstens zu 40%, insbesondere zu höchstens 20% der ursprünglichen Schichtdicke in der Tasche (7) .
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