WO2004057067A1 - Verfahren zum entfernen von zumindest einem oberflächenbereich eines bauteils - Google Patents

Verfahren zum entfernen von zumindest einem oberflächenbereich eines bauteils Download PDF

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Ursus KRÜGER
Ursula Michelsen-Mohammadein
Ralph Reiche
Marc De Vogelaere
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25F—PROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC REMOVAL OF MATERIALS FROM OBJECTS; APPARATUS THEREFOR
    • C25F5/00—Electrolytic stripping of metallic layers or coatings
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25F—PROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC REMOVAL OF MATERIALS FROM OBJECTS; APPARATUS THEREFOR
    • C25F1/00—Electrolytic cleaning, degreasing, pickling or descaling

Definitions

  • the invention relates to a method for removing at least one surface area of a component according to claim 1.
  • US 2001/0054447 A1 discloses a method for electrolytic deposition, in which pulsed currents with reverse pulses are used to reduce the formation of hydrogen.
  • Surface areas of a component (substrate, layer) or partial areas of a component that are a layer that are, for example, corroded and that are to be removed can be removed in various ways.
  • Figures 1, 6 and 7 each have a device with which the inventive method can be carried out
  • FIG. 2 shows a gas bubble in a defect in a surface area
  • Figure 4 shows a defect between a layer and a
  • FIG. 1 shows an exemplary device 1 with which the method according to the invention can be carried out.
  • An electrolyte 7 is arranged in a container 4, in which a component 10 (acts as an electrode) and an electrode 13 are arranged.
  • the component 10 and the electrode 13 are connected to one another in an electrically conductive manner with a current / voltage source 16.
  • the component 10 forms, for example, the cathode with a negative potential of, for example, -1.086 volts.
  • the electrode 13 is then the anode.
  • the component 10 can also be the anode and the other electrode 13 the cathode.
  • the at least one component 10 does not necessarily have to be an electrode which is operated in the electrolytic circuit (FIG. 6). Two electrodes 13, 13 can be used for the electrolysis, the at least one component 10 being arranged only in the electrolyte 7. In both cases it is essential that the component 10 interacts with the gas that is formed during the electrolysis.
  • the electrolyte 7 is, for example, an aqueous solution of acids and / or bases.
  • the electrolyte 7 can also be a non-aqueous solution or melt (for example salt melt).
  • gas can form, which according to the invention (FIGS. 2, 3, 4, 5) interacts with component 10, 10'.
  • the gas that forms on the two electrodes 10, 10 can be the same or different.
  • the electrolyte salt for the electrolysis nitrogen compounds, such as. B. ammonium nitrite used. Since both the cation and the anion contain nitrogen atoms in the electrolyte, electrolysis generates nitrogen gas at a suitably chosen pH value and potentials between the electrodes both at the cathode and at the anode. Since the components which have surface areas 19 to be removed are used simultaneously as anode and cathode, the efficiency of the method is increased. In addition, nitrogen as a gas is less dangerous than oxygen and hydrogen or their mixtures.
  • the component 10 is, for example, a nickel or cobalt-based superalloy, in particular for gas turbine parts, such as, for. B. turbine blades, with corroded areas on the surface.
  • Component 10 may also be a substrate 31 (FIG. 3) with an MCrAlY layer 34 (FIG. 3) that is oxidized or degraded. This layer then represents at least one surface area 19 to be removed. Due to its degradation, the surface areas 19 that are present multiple times, for example, have defects 28 such as undercuts, notches, cracks, microcracks,
  • Gas formation Some of the ion types contained in the electrolyte 7 discharge on the component 10 and thereby form a gas, for example hydrogen or oxygen, which forms gas bubbles 25 within the defects 28.
  • the gas hydrogen or oxygen forms, for example, from the water of the electrolyte 7.
  • Nitrogen can also form from a non-aqueous electrolyte 7, for example.
  • the gas pressure in the gas bubbles 25 increases over time, in particular dynamically (disproportionately), as long as a voltage is applied to the electrodes 7, 10, as more and more gas is formed.
  • the gas pressure generates mechanical stresses in the surface area 19, which leads to the formation of cracks 22 in the surface area 19. This cracking causes parts of the surface area 19 to flake off and the surface area 19 to be removed.
  • FIG. 3 shows the diffusion of the gas that forms, for example, in the electrolyte 7 into the component 10.
  • a gas for example hydrogen, forms which surrounds the component 10 as an electrode or as an additional arrangement in the electrolyte 7.
  • the hydrogen can diffuse into the component 10, in particular into closed pores 37.
  • a gas bubble 25 likewise forms in the pore 37, the pressure of which increases continuously until it leads to the formation of cracks 22.
  • FIG. 4 shows surface areas 19 of a component 10 which has a layer 34.
  • the component 10 consists, for example, of a substrate 31 and the layer 34.
  • the layer 34 or parts of the layer 34 represent, for example, the surface area 19 which is to be removed.
  • the substrate 31 is, for example, a superalloy and has at least one layer 34, e.g. an MCrAlY and / or a ceramic layer.
  • the degradation of layer 34 can also lead to defects 28, such as cracks or separations in the border area between substrate 31 and layer 34, in which the gas can accumulate and the material around the crack or defect 28 weakens, so that the crack can continue to grow until the crack growth leads to the chipping of layer 34 in the boundary region between substrate 31 and layer 34.
  • FIG. 5 shows the effect of diffusion of a gas from the electrolyte into a component 10.
  • the surface area 19 that is to be removed can be part of a substrate 31 or a layer 34.
  • the gas for example hydrogen, which forms in the electrolyte 7 and / or is already present or is supplied, diffuses into the metallic areas of the component 10 and can recombine locally.
  • projections 37 which are formed by indentations and undercuts, form a large surface with the electrolyte 7 or the surroundings and thus a large contact area for the gas, for example hydrogen.
  • the gas can thus diffuse into the projection 37 from all sides and the projection 37 is enriched with gas much more quickly than other areas.
  • the diffusion of gas into the component 10 leads to a loosening of the metallic structure in the component 10 up to the formation of cracks 22.
  • the gas is absorbed into the metal without further chemical reaction, whereby the embrittlement of the metal and a loosening of the structure occur.
  • Hydrogen is particularly suitable, since hydrogen ions diffuse smaller and better than other gas ions and can be absorbed in the structure in large numbers.
  • the component 10 with the surface area 19 can be removed one or more times and can be quickly heated in particular by laser or inductive heating 20, so that a diffusion of the gas from the material of the component 10 due to the short time the warming does not or hardly takes place.
  • the heating also increases the gas pressure without the need for further gas supply.
  • the effect is the same, namely that cracks 22 are generated in the surface area 19.
  • the component 10 can additionally, for example also for heating, be exposed to a vacuum, so that the pressure difference between the gas bubble 25 and the component 10 increases and the process is accelerated.

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Abstract

Verfahren zum Entfernen von Oberflächenbereichen eines Substrats. Nach dem Stand der Technik sind elektrolytische Verfahren zur Entfernung von Oberflächenbereichenbekannt, die jedoch zeit- und kostenintensiv sind. Durch das erfindungsgemäße Verfahren zum Entfernen von Oberflächenbereichen wird innerhalb des Oberflächenbereiches (19) mindestens eine Gasblase (25) erzeugt, die zur Rissbildung (22) unddamit zur Entfernung von Oberflächenbereichen (19) führt.

Description

Verfahren zum Entfernen von zumindest einem Oberflächenbereich eines Bauteils
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Entfernen von zumindest einem Oberflächenbereich eines Bauteils gemäß Anspruch 1.
Die US 2001/0054447 AI offenbart ein Verfahren zur elektroly- tischen Abscheidung, bei dem gepulste Ströme mit ümkehrpulsen verwendet werden, um die Bildung von Wasserstoff zu vermindern.
Aus den Werkstoffblättern 500 (12.77) der Mannesmann Röhren Werke über druckwasserstoffbeständige Stähle ist bekannt, dass aus wässrigen Lösungen unter bestimmten Bedingungen Wasserstoff ohne weitere chemische Reaktion ins Metall aufgenommen wird, wobei eine Versprödung des Metalls und eine Lockerung des Gefüges auftreten können.
Oberflächenbereiche eines Bauteils (Substrat, Schicht) oder Teilbereiche eines Bauteils, die eine Schicht sind, die beispielsweise korrodiert sind und die entfernt werden sollen, können auf verschiedene Art und Weise entfernt werden.
Dies kann durch Sandstrahlen, chemisches Ätzen oder andere Verfahren erfolgen.
Diese Verfahren sind jedoch sehr aufwändig und beschädigen oft in unerwünschter Weise das Substrat oder Bauteile.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung ein Verfahren der eingangs genannten Art aufzuzeigen, das die obengenannten Probleme überwindet.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zum Entfernen von zumindest einem Oberflächenbereich gemäß Anspruch 1. Weitere vorteilhafte Verfahrensschritte oder Parameter sind in den Unteransprüchen aufgelistet.
Die Verfahrensschritte in den Unteransprüchen können miteinander in vorteilhafter Weise kombiniert werden.
Es zeigen
Figur 1, 6 und 7 jeweils eine Vorrichtung, mit der das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt werden kann, und
Figur 2 eine Gasblase in einer Fehlstelle eines Oberflächenbereichs,
Figur 3 Gasblasenbildung in geschlossenen Poren eines
Oberflächenbereichs, Figur 4 eine Fehlstelle zwischen einer Schicht und einem
Substrat, und
Figur 5 den Effekt von Gasdiffusion in Oberflächenbereiche eines Bauteils.
Figur 1 zeigt eine beispielhafte Vorrichtung 1, mit der das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt werden kann.
In einem Behälter 4 ist ein Elektrolyt 7 angeordnet, in dem wiederum ein Bauteil 10 (wirkt als Elektrode) und eine Elektrode 13 angeordnet sind.
Das Bauteil 10 und die Elektrode 13 sind elektrisch leitend mit einer Strom/Spannungsquelle 16 miteinander verbunden. Das Bauteil 10 bildet bspw. die Kathode mit einem negativen Potenzial von beispielsweise -1,086 Volt. Die Elektrode 13 ist dann die Anode.
Das Bauteil 10 kann auch die Anode und die andere Elektrode 13 die Kathode sein.
Das zumindest eine Bauteil 10 muss nicht notwendigerweise eine Elektrode sein, die in dem elektrolytischen Stromkreis betrieben wird (Fig. 6) . Es können auch zwei Elektroden 13, 13 für die Elektrolyse verwendet werden, wobei das zumindest eine Bauteil 10 nur in dem Elektrolyt 7 angeordnet ist. In beiden Fällen ist es wesentlich, dass das Bauteil 10 mit dem Gas, das sich bei der Elektrolyse bildet, in Wechselwirkung tritt.
Der Elektrolyt 7 ist beispielsweise eine wässrige Lösung aus Säuren und/oder Basen.
Der Elektrolyt 7 kann auch eine nichtwässrige Lösung oder Schmelze (bspw. Salzschmelze) sein.
Ebenso ist es möglich, dass zwei Bauteile 10, 10 'die zwei für die Elektrolyse notwendigen Elektroden darstellen (Fig. 7) . An beiden Elektroden (Bauteilen) läuft eine chemische
Reaktion ab, d.h. an der einen eine Oxidation und an der anderen eine Reduktion. Bei beiden Bauteilen 10, 10' kann sich Gas bilden, das erfindungsgemäss (Fig. 2, 3, 4, 5) mit dem Bauteil 10, 10' in Wechselwirkung tritt. Das Gas, das sich an den beiden Elektroden 10, 10 (Bauteilen) bildet kann dasselbe sein oder auch verschieden sein.
Als Elektrolytsalz für die Elektrolyse werden vorzugsweise StickstoffVerbindungen, wie z. B. Ammoniumnitrit, verwendet. Da sowohl das Kation als auch das Anion im Elektrolyten Stickstoffatome beinhaltet, entsteht bei der Elektrolyse bei geeignet gewähltem pH-Wert und Potenzialen zwischen den Elektroden sowohl an der Kathode als auch an der Anode Stickstoffgas . Da die Bauteile, die zu entfernende Oberflächenbereiche 19 aufweisen, gleichzeitig als Anode und Kathode verwendet werden, wird die Effizienz des Verfahrens erhöht. Darüber ist Stickstoff als Gas weniger gefährlich als Sauerstoff und Wasserstoff bzw. deren Gemische. Das Bauteil 10 ist beispielsweise eine Nickel- oder Kobaltbasierte Superlegierung, insbesondere für Gasturbinenteile, wie z. B. Turbinenschaufeln, mit korrodierten Bereichen an der Oberfläche. Ebenso kann das Bauteil 10 ein Substrat 31 (Fig. 3) mit einer MCrAlY-Schicht 34 (Fig. 3) sein, die oxidiert oder degradiert ist. Diese Schicht stellt 34 dann zumindest einen zu entfernenden Oberflächenbereich 19 dar. Die beispielsweise mehrfach vorhandenen Oberflächenbereiche 19 weisen durch ihre Degradation Fehlstellen 28 wie z.B. Hinterschneidungen, Kerben, Risse, Mikrorisse,
Gitterfehlstellen, Korngrenzen u.a. auf (Figur 2).
Bei geeigneter Wahl des Elektrolyts 7 sowie dessen Konzentration und der Potenziale der Elektroden 10, 13 erfolgt an dem Bauteil 10 in den Fehlstellen 28 eine
Gasbildung. Einige der im Elektrolyt 7 enthaltenen Ionenarten entladen sich an dem Bauteil 10 und bilden dabei ein Gas, beispielsweise Wasserstoff oder Sauerstoff, das innerhalb der Fehlstellen 28 Gasblasen 25 bildet. Das Gas Wasserstoff oder Sauerstoff bildet sich beispielsweise aus dem Wasser des Elektrolyten 7.
Ebenso kann sich Stickstoff aus einem beispielsweise nicht- wässrigen Elektrolyten 7 bilden.
Der Gasdruck in den Gasblasen 25 steigt mit der Zeit an, insbesondere dynamisch (überproportional) , solange eine Spannung an den Elektroden 7, 10 anliegt, da immer mehr Gas gebildet wird. Der Gasdruck erzeugt in dem Oberflächenbereich 19 mechanische Spannungen, die zur Bildung von Rissen 22 in dem Oberflächenbereich 19 führen. Durch diese Rissbildung kommt es zum Abplatzen von Teilen des Oberflächenbereichs 19 und zur Entfernung des Oberflächenbereichs 19. Figur 3 zeigt die Diffusion des sich bspw. im Elektrolyt 7 bildenden Gases in das Bauteil 10.
Aufgrund der Elektrolyse bildet sich ein Gas, beispielsweise Wasserstoff, das das Bauteil 10 als Elektrode oder als zusätzliche Anordnung im Elektrolyt 7 umgibt. Der Wasserstoff kann in das Bauteil 10 hineindiffundieren, insbesondere in geschlossene Poren 37. In der Pore 37 bildet sich ebenfalls eine Gasblase 25, deren Druck immer weiter ansteigt bis dieser zur Bildung von Rissen 22 führt.
Figur 4 zeigt Oberflächenbereiche 19 eines Bauteils 10, das eine Schicht 34 aufweist. Das Bauteil 10 besteht beispielsweise aus einem Substrat 31 und der Schicht 34. Die Schicht 34 oder Teile der Schicht 34 stellen bspw. den Oberflächenbereich 19 dar, der entfernt werden soll.
Das Substrat 31 ist bspw. eine Superlegierung und weist zumindest eine Schicht 34 auf, wie z.B. eine MCrAlY und/oder eine keramische Schicht.
Insbesondere kann es durch die Degradation der Schicht 34 auch zu Fehlstellen 28, wie Risse oder Trennungen im Grenzbereich zwischen Substrat 31 und Schicht 34 kommen, in dem sich das Gas ansammeln kann und das Material um den Riss oder Fehlstelle 28 schwächt, so dass der Riss weiterwachsen kann bis das Risswachstum zum Abplatzen der Schicht 34 im Grenzbereich zwischen Substrat 31 und Schicht 34 führt.
Figur 5 zeigt den Effekt der Diffusion eines Gases aus dem Elektrolyten in ein Bauteil 10.
Der Oberflächenbereich 19, der entfernt werden soll, kann Teil eines Substrats 31 oder einer Schicht 34 sein. Das Gas, beispielsweise Wasserstoff, das sich in dem Elektrolyt 7 bildet und/oder bereits vorhanden ist oder zugeleitet wird, diffundiert in die metallischen Bereiche des Bauteils 10 ein und kann örtlich rekombinieren. Insbesondere Vorsprünge 37, die durch Einkerbungen und Hinterschneidungen gebildet werden, bilden eine große Oberfläche mit dem Elektrolyten 7 oder der Umgebung und damit eine große Berührungsfläche für das Gas, bspw. Wasserstoff. Somit kann das Gas von allen Seiten in den Vorsprung 37 hineindiffundieren und der Vorsprung 37 ist sehr viel schneller mit Gas angereichert als andere Bereiche. Die Diffusion von Gas in das Bauteil 10 führt erfindungsgemäss zu einer Lockerung des metallischen Gefüges im Bauteil 10 bis hin zur Rissbildung 22. Das Gas wird ohne weitere chemische Reaktion ins Metall aufgenommen, wobei eine Versprödung des Metalls und eine Lockerung des Gefüges auftritt.
Insbesondere eignet sich Wasserstoff, da Wasserstoffione im Vergleich zu anderen Gasionen klein und besser diffundieren und in größerer Anzahl im Gefüge aufgenommen werden kann.
Die in Zusammenhang mit den Figuren 2, 3, 4 und 5 beschrieben Wechselwirkungsarten eines Gases mit dem Bauteil 10 können separat aber auch gleichzeitig stattfinden.
In einem Zwischenschritt oder einem letztem Schritt kann einmal oder mehrmals das Bauteil 10 mit dem Oberflächenbe- reich 19 herausgenommen werden und insbesondere durch Laser- oder Induktivheizung 20 schnell erwärmt werden, so dass eine Diffusion des Gases aus dem Material des Bauteils 10 aufgrund der zeitlichen Kürze der Erwärmung nicht oder kaum stattfindet. Durch die Erwärmung steigt ebenfalls der Gasdruck an, ohne dass eine weitere Gaszufuhr stattfinden muss. Der Effekt ist derselbe, nämlich dass Risse 22 im Oberflächenbereich 19 erzeugt werden. Das Bauteil 10 kann zusätzlich, bspw. auch zur Erwärmung, einem Vakuum ausgesetzt werden, so dass der Druckunterschied zwischen Gasblase 25 und Bauteil 10 größer wird und das Ver- fahren beschleunigt wird.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Entfernen von zumindest einem Oberflächenbereich (19) zumindest eines Bauteils (10) , wobei das zumindest eine Bauteil (10) in einem Elektrolyt (7) angeordnet ist, wobei ein Gas in dem Elektrolyt (7) erzeugt wird, so dass durch eine Wechselwirkung von Gas und dem zumindest einem Bauteil (10) der zumindest eine Oberflächenbereich (19) aufgrund von Bildung von zumindest einem Riss (22) entfernt wird, wobei das Gas in die Oberflächenbereiche (19) hineindiffundiert und so dort das Gefüge lockert, so dass eine Versprödung erfolgt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass
in dem Elektrolyt (7) zumindest zwei Elektroden angeordnet sind, die für die Elektrolyse benutzt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass
das zumindest eine Bauteil (10) als Elektrode verwendet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass
zwei Bauteile (10, 10') als Elektroden verwendet werden.
. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass
zusätzlich zu den zwei Elektroden (13), die für die Elektrolyse benutzt werden, in dem Elektrolyt (7) zumindest ein Bauteil (10) angeordnet ist.
6. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass
das Bauteil (10) Fehlstellen (28) aufweist, wobei die Fehlstellen (28) insbesondere Risse, Kerben oder Hinterschneidungen sind, wobei sich in den Fehlstellen (28) Gas bildet, so dass sich bei entsprechend hohem Gasdruck des Gases zumindest ein Riss (22) innerhalb des Oberflächenbereichs (19) bildet, wodurch Teile des Oberflächenbereichs (19) entfernt werden.
7. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass
als Gas Wasserstoff erzeugt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 1 oder 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass
als Gas Sauerstoff erzeugt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 1, 7 oder 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass
als Gas Stickstoff erzeugt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass
für den Elektrolyt (7) eine wässrige Lösung verwendet wird.
11. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass
für den Elektrolyt (7) eine nichtwässrige Lösung oder Schmelze verwendet wird.
12. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass
das Bauteil (10) als Kathode betrieben wird.
13. Verfahren nach Anspruch 3, 4 oder 10, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass
das Bauteil (10) als Anode betrieben wird.
14. Verfahren nach Anspruch 1 oder 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass
der Oberflächenbereich (19) zumindest ein Teil einer Schicht (34) des Bauteils (10) ist.
15. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass
der Oberflächenbereich (19) zumindest teilweise korrodiert ist.
16. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass
das Gas in die Oberflächenbereiche (19) hineindiffundiert und dort rekombiniert.
17. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass
das Gas in mindestens eine geschlossene Pore (37) hineindiffundiert und dort mindestens eine Gasblase (25) bildet.
18. Verfahren nach Anspruch 14, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t ,
dass das Bauteil eine Schicht (34) und ein Substrat (31) aufweist, und dass sich eine Gasblase (25) an einer Fehlstelle (28) zwischen Substrat (31) und Schicht (34) bildet.
9. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass
in einem Verfahrenszwischenschritt oder in einem letzten Verfahrensschritt das Bauteil (10) mit dem Oberflächenbereich (19) erwärmt wird, wobei durch die Wärmezufuhr der Gasdruck erhöht wird.
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