WO2007042395A1 - Verfahren zum reparieren eines bauteils mit einer gerichteten mikrostruktur - Google Patents

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WO2007042395A1
WO2007042395A1 PCT/EP2006/066779 EP2006066779W WO2007042395A1 WO 2007042395 A1 WO2007042395 A1 WO 2007042395A1 EP 2006066779 W EP2006066779 W EP 2006066779W WO 2007042395 A1 WO2007042395 A1 WO 2007042395A1
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repair
filling
base material
crack
component
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Rene Jabado
Jens Dahl Jensen
Ursus KRÜGER
Daniel Körtvelyessy
Michael Ott
Ralph Reiche
Michael Rindler
Rolf WILKENHÖNER
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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Definitions

  • the present invention relates to a method for repairing a component, in particular a gas turbine component, which is made of a base material with a directional microstructure.
  • Machine components which are subjected to high loads during operation are nowadays produced, among other things, from high-temperature superalloys and in particular from those with a directional microstructure. These materials are characterized by a high resistance to thermal and mechanical loads.
  • materials with directional microstructure particular monocrystalline materials and materials are to be regarded, which have a grain structure in which the expansion of the grains has a common direction common to all grains. Components with the described grain structure are referred to as directionally solidified.
  • the monocrystalline materials are also referred to as SX materials and the directionally solidified materials as DX materials.
  • a common method for repairing damaged components is, for example, the soldering.
  • soldering In this soldering, a solder is applied in the region of the crack on the material of the component and connected by means of heat to the base material. However, after soldering, the solder material does not have a monocrystalline or directionally solidified structure.
  • a non-directional microstructure has inferior material properties compared to a directional microstructure - especially in the high temperature region - so that the solder joint is a weak point of the component.
  • welding processes are available with which a directional microstructure can also be created in the welded areas. Such a method is disclosed, for example, in EP 0 892 090 A1.
  • EP 1 666 635 A1 discloses a method of repairing components made of a superalloy. Cold gas spraying is used to apply a repair material, which is plastically deformed when it hits the surface and bound to the surface of the superalloy.
  • solder applications for components of directionally oriented materials involves the risk of recrystallization during the heat treatment, since the solder application requires a temperature close to the melting point of the directionally oriented material.
  • solder alloys In solder processes for repairing components, the solder alloys generally contain melting point depressants. Often these are boron (B), which can lead to the formation of sputtering phases during heat treatment and later operation of the component under the influence of hot gases. The sputter phases worsen the mechanical properties of the repair site. In addition, for example, gas turbine blade solder repairs are lengthy processes that sometimes take longer than 24 hours and require multi-stage heat treatment. As a result, the repair costs are significantly increased. Furthermore, necessary for solder repairs
  • a second object of the present invention is to provide an improved method for repairing a component, in particular a turbine component, from a high-temperature superalloy.
  • the first object is achieved by a method for repairing a component according to claim 1
  • the second object by a method for repairing a component according to claim 10.
  • the dependent claims contain advantageous embodiments of the invention.
  • the method according to the invention for repairing a component made of a base material with a directional microstructure according to claim 1 comprises the steps of: cleaning the repair site, filling the repair site with a filler material corresponding to the composition of the base material and performing a heat treatment in the area of the filled repair site ,
  • the component to be repaired may in particular be a gas turbine component, for example a turbine blade.
  • the filling material has micro- and / or nanoscale particles.
  • measures are taken when filling the repair site, which prevent the oxidation of the filler.
  • the temperatures and holding times of the heat treatment are chosen such that the repair site has the same directional microstructure as the base material surrounding the repair site.
  • the directional microstructure can be brought about in particular by the fact that the temperature of the heat treatment is below the melting temperature of the
  • Base material is located and the cooling does not exceed a certain cooling rate. Too high a cooling rate would disturb the orderly growth and thus the formation of a directional microstructure in the repair site.
  • the respective temperatures to be respected and cooling rates depend u. a. from the base material so that they may be different for different base materials. Suitable cooling rates can be determined in particular empirically.
  • cracks in components made of directionally oriented materials can be structurally repaired in such a way that the repair point has the same direction. has a microstructure and without the properties of the surrounding base material are adversely affected. Due to the use of micro- and / or nanoscale particles, the melting temperature of the filling material is reduced relative to the melting temperature of the surrounding base material.
  • the heat treatment can therefore be carried out at temperatures which are lower than the temperatures in a soldering process. Also fall locally not as high amounts of heat, as in the welding process described above.
  • a spraying process can be used, which allows a low temperature of the sprayed particles. It is conceivable, for example, to use a low-temperature high-speed flame spraying process, as described, for example, in DE 102 53 794 A1. Preferably, however, a cold gas injection process, as described, for example, in DE 102 24 780 A1, is used to fill the repair site. In the case of low-temperature flame spraying, the oxidation of the sprayed particles can be largely suppressed. With cold gas spraying, in which spray particles are accelerated from a "cold" gas jet to high velocities, an even greater suppression of the oxidation is possible, so that virtually no oxidation of the sprayed particles takes place.
  • the particles are in an advantageous embodiment of the invention when filling the repair site surrounded by a shell.
  • the shell which may be constructed of a material component of the base material, for example nickel or cobalt, increases the dimension of the particles. Due to the increased size, the particles can be better entrained and accelerated by the cold gas flow. The kinetic energy converted into heat when hitting the walls of the filling station leads to a melting of the filling material.
  • those areas To protect those who surround the repair site, they can be covered during filling with a panel.
  • the filling material is present in the form of at least two constituents which have a eutectic mixing ratio.
  • a eutectic mixing ratio is a mixing ratio which results in only mixed crystals forming from a melt of the material composition on cooling.
  • a mixing ratio deviating from the eutectic mixing ratio leads to the formation on cooling of pure crystals of the two constituents of the material.
  • the eutectic mixing ratio is characterized by the fact that it has the lowest melting temperature of all mixing ratios of the two
  • the cleaning process before filling the repair site should preferably be such that any oxides present are completely removed from the site to be repaired.
  • the crack ends can be filled during the repair of cracks in the base material of a component. Filling the crack ends is not readily possible with larger particles. The filling of the crack ends but is of great importance, since by the
  • the volume of the cracks may also be greater than the size of the micro- and / or nanoscale particles.
  • an application of a coating takes place according to application 10 Repair material by spraying the repair material in the form of powder particles by means of cold gas spraying.
  • the repair material has a higher ductility than the high-temperature superalloy.
  • repair materials more ductile materials are proposed as the base material. These may in particular be materials which are already being used for repairs, in particular welding repairs, or they may be gamma-hardened superalloys. The latter are a good compromise between reduced strength and improved weldability compared to the base material. Further, as the repair materials, such Ni superalloys as Wrought Alloys are used because they have a much higher ductility compared to the currently used Ni cast superalloys for gas turbine blades (cast alloys). It is also possible to use materials as repair materials that are currently used for soldering repairs. However, it is possible to dispense with the addition or addition of melting point depressants, since the filler material is not melted during the cold gas repair.
  • the filler used as a repair material is applied cold.
  • the powdery filler material is only warmed up in the preheated gas stream, but not melted.
  • the component itself remains cold. Therefore, no hot cracks occur.
  • Base material is neither dissolved nor coarsened. Therefore, there can be no Strain Age Cracking cracks in the Base material arise. The risk of such cracks occurring in the weld metal when using ⁇ '-hardened filler materials is also substantially reduced.
  • connection heat treatment for example, 1000-1100 0 C for 10 min to 2 h
  • the component must then be completely heat-treated (low-loss and outsourcing), but this is usually also required after welding and solder repairs.
  • the particle velocities can be below about 900 m / s and in particular below 800 m / s.
  • the repair material can hide the site to be repaired done. In other words, material is removed in the area of the repair site, so that an easy-to-fill recess arises where the damage was. The missing material can then be subsequently applied by means of cold gas spraying.
  • damage such as cracks
  • the repair site first is cleaned, for example by fluoride ion cleaning, to remove surface contaminants such as oxides. Such contaminants would affect the bond between the base material and the repair material.
  • the entire crack may not be filled in the direct filling of cracks, but the crack only covers, which may be acceptable under certain circumstances.
  • a material which contains nanoscale powder particles which are surrounded by a shell of nanoscale particles can be used as powder material.
  • FIG. 1 shows by way of example a gas turbine in a longitudinal partial section
  • Figure 2 shows a perspective view of a blade or vane of a turbomachine
  • FIG. 3 shows a combustion chamber of a gas turbine
  • Figure 4 shows a schematic representation of a section of a turbine blade with a crack
  • Figure 5 shows a schematic representation of the crack in a sectional side view
  • FIG. 6 shows the filling of the crack from FIG. 5
  • Figure 7 shows the filled crack after performing a heat treatment
  • Figure 8 shows a particle agglomerate as used to fill the crack
  • Figures 9 to 11 show a further embodiment of the inventive method for repairing a
  • Figures 12 to 14 show a third embodiment of the inventive method for repairing a component.
  • FIG. 1 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, which is also referred to as a turbine runner.
  • a compressor 105 for example, a toroidal combustion chamber 110, in particular annular combustion chamber 106, with a plurality of coaxially arranged burners 107, a turbine 108 and the exhaust housing 109th
  • the annular combustion chamber 106 communicates with an annular annular hot gas channel 111, for example.
  • annular annular hot gas channel 111 for example.
  • turbine stages 112 connected in series form the turbine 108.
  • Each turbine stage 112 is formed, for example, from two blade rings. As seen in the direction of flow of a working medium 113, in the hot gas channel 111 of a row of guide vanes 115, a series 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.
  • Coupled to the rotor 103 is a generator or work machine (not shown).
  • air 105 is sucked in and compressed by the compressor 105 through the intake housing 104.
  • the compressed air provided at the turbine-side end of the compressor 105 is fed 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 on the rotor blades 120 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 direction of flow of the working medium 113, are subjected to the highest thermal stress in addition to the heat shield bricks lining the annular combustion chamber 106.
  • 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; these writings are part of the revelation.
  • blades 120, 130 may be anti-corrosion coatings (MCrAlX; M is at least one member 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).
  • M is at least one member 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).
  • 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, which are intended to be part of this disclosure.
  • a thermal barrier coating may still be present, consisting for example of ZrC> 2, Y2 ⁇ 3-ZrC> 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. 2 shows a perspective view of a moving blade 120 or guide blade 130 of a turbomachine that extends along a longitudinal axis 121.
  • the turbomachine may be a gas turbine of an aircraft or a power plant for 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 adjoining thereto and an airfoil 406.
  • 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 Christmas tree or Schwalbenschwanzfuß are possible.
  • the blade 120, 130 has a flow-on edge 409 and a downstream edge 412 for a medium that flows past the blade 406.
  • blades 120, 130 for example, solid metallic materials, in particular superalloys, are used in all regions 400, 403, 406 of the blade 120, 130.
  • superalloys are known, for example, from EP 1204776 Bl, EP 1306454, EP 1319729 A1, WO 99/67435 or WO 00/44949; these writings are part of the revelation.
  • the blade 120, 130 can be made by a casting process, also by directional solidification, by a forging process, by a Fras vide or combinations thereof.
  • Single-crystalline structures or structures are used as components for machines that are subject to high mechanical, thermal and / or chemical stresses during operation.
  • the production of such monocrystalline workpieces for example, by directed solidification from the melt.
  • These are casting processes in which the liquid metallic alloy solidifies to a monocrystalline structure, ie to a single-crystalline workpiece, or directionally.
  • dendritic crystals are aligned along the warm flow and form either a crystal grain structure (columnar, ie grains that run the entire length of the work piece and here, according to general usage, are referred to as directionally solidified) or a monocrystalline structure ie the whole work consists of a single crystal.
  • Structures are also called directionally solidified structures. Such methods are known from US Pat. No. 6,024,792 and EP 0 892 090 A1; these writings are part of the revelation.
  • the blades 120, 130 may be coatings against corrosion or oxidation (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 and / or at least one element of the rare earths, or hafnium (Hf)).
  • 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 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, which are intended to be part of this disclosure.
  • thermal barrier coating On the MCrAlX may still be present a thermal barrier coating and consists for example of ZrÜ2, Y2Ü3-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.
  • Refurbishment means that components 120, 130 may have to be freed from protective layers after use (eg 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. Thereafter, a the 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. 3 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 around the rotation axis 102 in the circumferential direction open into a common combustion chamber space.
  • 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 side with an inner lining formed from heat shield elements 155.
  • Each heat shield element 155 is equipped on the working medium side with a particularly heat-resistant protective layer or made of high-temperature-resistant material. These may be solid ceramic stones or alloys with MCrAlX and / or ceramic coatings. The materials of the combustion chamber wall and its coatings may be similar to the turbine blades.
  • the combustion chamber 110 may also be provided for the heat shield elements 155 and for their holding elements, a cooling system.
  • the combustion chamber 110 is designed in particular for detecting losses of the heat shield elements 155.
  • a number of temperature sensors 158 are positioned between the combustion chamber wall 153 and the heat shield elements 155.
  • FIG. 4 shows, in a highly schematized view, a section of the blade leaf 406 with a branched crack 420.
  • the blade leaf 406 is produced from a monocrystalline nickel-based alloy. In principle, however, it is also possible to repair components made of other monocrystalline base alloys, for example cobalt-base alloys or iron-based alloys, using the method according to the invention.
  • the crack 420 has a number of crack ends 422, in the vicinity of which particularly high stresses are present in the monocrystalline base material. The stresses may lead to further expansion of the crack 420. It is therefore particularly important to prevent the progress of the crack in the area of the crack ends 422.
  • a repair of the turbine blade 406 can be carried out by filling the crack 420 with a material similar to the base material and bonding it to the base material by means of a suitable heat treatment. In particular, if this happens in the area of the crack ends 422, further expansion of the crack is effectively prevented and the repaired turbine blade 406 can be put back into operation.
  • the fill of the crack 420 should have the same single crystalline structure as the surrounding base material. This can be achieved with the repair method described below.
  • FIG. 5 shows a schematic representation of a
  • Section of the turbine blade 406. The section is taken along the line AA in Figure 4.
  • the figure shows the crack 420 before filling and after cleaning, with all Oxides have been removed from the crack walls.
  • the crack cleaning can be done by common cleaning methods. Alternatively, it is also possible to widen the crack 420 by means of an erosion pin.
  • the cleaned crack 420 is filled with a material similar to the base material filling material.
  • the filling process is shown schematically in FIG. 6.
  • the base material is a nickel-base alloy containing, among others, aluminum as an additive.
  • As a filler nanoscale particles are used, which are injected by means of a cold gas spray gun 426 in the crack 420.
  • the nanoscale particles which have a particle size of less than 5 ⁇ m and preferably less than 1 ⁇ m, by means of the cold gas injection method, they are combined with other particles to form agglomerates 425.
  • the agglomerates then have the necessary cross-section to flow from the cold gas stream, for example a helium stream, into
  • the agglomerate 425 in the present embodiment comprises a central nanoscale aluminum particle 425a, around which nanoscale nickel particles 425b are deposited.
  • the cohesion of the agglomerate is caused by electrostatic forces.
  • the nickel particles 425b form a shell around the aluminum particle 425a, so that the diameter of the agglomerate is at least 5 ⁇ m.
  • the cross section of the agglomerate is then large enough to be entrained by the helium stream.
  • agglomerate 425 disintegrates.
  • the composition of the agglomerates 425 ie the ratio of shell particle number to a central particle, is selected so that the filler is present in a eutectic mixture.
  • the filler material forms a mixed crystal during the heat treatment.
  • the melting temperature of a eutectic mixture is the lowest possible melting temperature of the mixture compared to a mixture with the same ingredients but different mixing ratios. Therefore, if the filler contains the same constituents as the surrounding base material and is in a eutectic mixing ratio, its melting temperature is particularly far below the melting temperature of the surrounding base material.
  • the described method can be used in particular to fill the crack 420 in the region of the ends 422 in such a way that the monocrystalline structure of the surrounding base material is continued. In this way, the stresses in the base material in the region of the crack ends 422 can be significantly reduced, so that a progression of the crack 420 can be effectively prevented. The remaining areas of the crack can then be filled with coarser than nanoscale particles with which not readily the monocrystalline
  • Structure of the base material can be continued. It is important in this context, above all, that the crack ends 422 can be reliably filled by means of the nanoscale particles.
  • FIG. 9 shows, in a highly schematic sectional view, a section of an airfoil 506 with a crack 520.
  • the airfoil 506 is made of a nickel-based alloy with a polycrystalline crystal structure.
  • other base alloys for example cobalt or iron-based alloys, can also be repaired by the method according to the invention.
  • the component to be repaired may also have a monocrystalline base material or a directionally solidified base material.
  • the crack is widened, for example by means of an erosion pin, whereby also contaminants in the area of the crack wall are removed. The widening creates a recess 522 in the component 506 where the crack 520 was located. This recess 522 is then filled with a repair material.
  • FIG. 5 The filling of the recess 522 with the repair material is shown schematically in FIG.
  • the figure shows next to the blade 506 and the recess 522, the nozzle 526 a Cold gas spraying device and repair material 529, which is injected by means of the cold gas spraying device in the form of powder 528 in the recess 522.
  • the repair material As a shaped repair material, a material is used which has a higher ductility than the base material of the airfoil 506. In other words, the repair material tends under the action of external forces to plastic and thus permanent deformations without causing material separations occur. Ductile substances are especially good cold formability.
  • the repair material may be a material used in the prior art for repair by means of welding. Examples of these are nickel base alloys with high ductility and weldability, such as alloys known as IN 617, Haste Alloy X, Coat Metal CM64, PWA 795. Alternatively, ⁇ '-hardened superalloys can also be used as a repair material.
  • ⁇ '-hardened superalloys grains of ⁇ ' phase are present in a ⁇ -phase, which has a cubic body-centered lattice structure.
  • the grains of ⁇ 'phase lead to a hardening of the superalloy material.
  • Suitable ⁇ '-hardened superalloys as coating material are, for example, materials known by the name Nimonic C263, Rene 41,
  • Haynes 282 are known. These represent a good compromise between reduced strength and improved weldability compared to the base material. The improved weldability results from the increased ductility compared to the base material. As another
  • repair materials such nickel superalloys can be used, which are considered as wrought alloys, as they have a much higher ductility compared to the commonly used cast iron superalloys for gas turbine blades (so-called cast alloys).
  • repair materials can be used, as they are currently used for soldering repairs.
  • melting point depressants such as in particular boron (B), but also eg zirconium (Zr), hafnium (Hf), scandium (Sc), platinum (Pt) or palladium (Pd)
  • the sprayed 528 of the repair material by means of the nozzle 526 is compacted by cold deformation when hitting the surface of the recess 522. Due to the cold deformation and in addition to adhesion, the sprayed powder adheres to the surface of the recess 522. These mechanisms work the better the more ductile the repair material used is. By means of the cold gas spraying of ductile repair materials, therefore, a dense and well adhering layer is produced in the recess 522.
  • the spraying of the powder 528 takes place in the preheated helium stream. The powder is only warmed up in it, but not melted. The component 506 itself remains cold, ie usually below 300 0 C, so no hot cracks occur.
  • the preheated helium may have temperatures in the range of 500 0 C to 700 0 C. Instead of helium, another inert gas, for example nitrogen, can be used for cold gas spraying.
  • the particle velocities in the sprayed powder material are about 900 m / sec or less, in particular less than about 800 m / s. Due to the relatively low
  • Particle velocities may find use with nozzles 526 having relatively large nozzle diameters, which results in an increase in coating speed compared to
  • the airfoil after spraying the repair material is shown in FIG. 11.
  • the repair material injected into the recess 522 forms a tight and well-adhering insert 530 in the recess, which also has a smooth surface.
  • a heat treatment of the complete component for example a solution annealing, can take place.
  • FIG. 12 shows an airfoil 606 with a crack 620, which corresponds to the airfoil 506 from FIG. 9.
  • the crack walls Prior to filling the crack 620, the crack walls are cleaned to remove oxides. The crack cleaning can be done by common cleaning methods.
  • the crack 620 is filled with a repair material having a higher ductility than the base material of the airfoil 606.
  • the repair material is injected into the crack 620 in the form of a powder 628 by means of the nozzle 626 of a cold gas injection device.
  • the surface of the member 606 in the area outside the crack 620 was covered by a mask 630 to suppress adhesion of the repair material to this area.
  • the repair material After the repair material has been injected into the crack, it forms a dense insert 632 which adheres well to the base material of the airfoil 606 and also has a smooth surface.
  • the powder used 628 it may be that not the entire crack is filled, but the crack is only capped. In other words, in areas of the crack, which have particularly small dimensions, the powder may not penetrate. However, such a capping of the crack can be tolerated in some cases.
  • nanoscale particles as a repair material. Since particles smaller than 5 ⁇ m in size, and preferably smaller than 1 ⁇ m in size, can not readily be sprayed by cold gas spraying, the particles can be sprayed in the form of agglomerates as described with reference to FIG. 8. A central particle then has a shell surrounding the central particle so that the agglomerate has a dimension of at least 5 ⁇ m. When hitting the surface of the crack or repair material already in the crack, the agglomerates break up due to the relatively weak bond between the particles, so that the individual nanoscale particles are then present separately.
  • composition of the agglomerates is chosen to correspond to an alloy having a higher ductility than the base alloy of the blade 606.
  • such particle agglomerates can be sprayed by means of the cold gas spraying method.

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Abstract

Ein Verfahren zum Reparieren eines Bauteils (406), insbesondere eines Gasturbinenbauteils, welches aus einem Basismaterial mit einer gerichteten Mikrostruktur hergestellt ist, umfasst die Schritte: Reinigen der Reparaturstelle (420), Füllen der Reparaturstelle (420) mit einem der Zusammensetzung des Basiswerkstoffes entsprechenden Füllmaterial, Durchführen einer Wärmebehandlung im Bereich der gefüllten Reparaturstelle (420), wobei das Füllmaterial mikro- und/oder nanoskalige Partikel (425a, 425b) aufweist, beim Füllen der Reparaturstelle (420) Maßnahmen getroffen sind, welche die Oxidation des Füllmaterials verhindern, und die Temperaturen und Haltezeiten der Wärmebehandlung derart auf die Zusammensetzung des Füllmaterials und des Basismaterials des Bauteils (406) abgestimmt sind, dass eine epitaktische Anbindung des Füllmaterials an das umgebende Basismaterial erfolgt.

Description

Verfahren zum Reparieren eines Bauteils mit einer gerichteten
Mikrostruktur
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Reparieren eines Bauteils, insbesondere eines Gasturbinenbauteils, welches aus einem Basismaterial mit einer gerichteten Mikrostruktur hergestellt ist.
Maschinenbauteile, welche im Betrieb hohen Belastungen ausgesetzt sind, wie etwa Turbinenbauteile, werden heutzutage unter anderem aus hochwarmfesten Superlegierungen hergestellt und insbesondere aus solchen mit einer gerichteten Mikrostruktur. Diese Materialien zeichnen sich durch eine hohe Widerstandsfähigkeit gegenüber thermischen und mechanischen Belastungen aus. Als Materialien mit gerichteter Mikrostruktur sind insbesondere einkristalline Materialien und solche Materialien anzusehen, die eine Kornstruktur aufweisen, in der die Ausdehnung der Körner eine allen Körnern gemeinsame Vorzugsrichtung besitzt. Bauteile mit der beschriebenen Kornstruktur werden als direktional erstarrt (directional solidified) bezeichnet. Die einkristallinen Materialien werden auch SX-Materialien und die direktional erstarrten Materialien als DX-Materialien bezeichnet.
Wenn die Bauteile im Betrieb einer hohen thermischen und mechanischen Beanspruchung ausgesetzt sind, kann es trotz Superlegierung und sogar beim Vorhandensein einer gerichteten Mikrostruktur zu Materialermüdungen und infolgedessen zu Rissen kommen. Man ist bestrebt, Bauteile mit Rissen zu reparieren, da das Herstellen von Bauteilen aus Superlegierungen, insbesondere solchen mit einer gerichteten Mikrostruktur, kostspielig ist. Dabei ist darauf zu achten, dass das reparierte Bauteil den thermischen und mechanischen Beanspruchungen im weiteren Einsatz hinreichend widerstehen kann . Ein gängiges Verfahren zum Reparieren beschädigter Bauteile ist bspw. das Löten. Bei diesem Löten wird ein Lot im Bereich des Risses auf das Material des Bauteils aufgebracht und mittels Wärmeinwirkung mit dem Basismaterial verbunden. Nach dem Löten weist das Lotmaterial jedoch keine einkristalline oder direktional erstarrte Struktur auf. Eine ungerichtete Mikrostruktur besitzt jedoch im Vergleich zu einer gerichteten Mikrostruktur schlechtere Materialeigenschaften - vor allem im Hochtemperaturbereich -, sodass die Lötstelle eine Schwachstelle des Bauteils darstellt. Zum Reparieren von geschädigten Bauteilen mit einer gerichteten Mikrostruktur stehen Schweißverfahren zur Verfügung, mit denen auch in den verschweißten Bereichen eine gerichtete Mikrostruktur geschaffen werden kann. Ein derartiges Verfahren ist bspw. in EP 0 892 090 Al offenbart.
EP 1 666 635 Al offenbart ein Verfahren zum Reparieren von Komponenten, die aus einer Superlegierung hergestellt sind. Mittels Kaltgasspritzens wird ein Reparaturmaterial aufgetragen, das beim Auftreffen auf die Oberfläche plastisch deformiert und an die Oberfläche der Superlegierung gebunden wird.
Weitere Verfahren bzw. zu verwendende Lotpulver sind bekannt aus der US 6,283,356, US 4,705,203, US 4,900,394, US
6,565,678, US 4,830,934, US 4,878,953, US 5,666,643, US 6,454,885, US 6,503,349, US 5,523,170, US 4,878,953, US 4,987,736, US 5,806,751, US 5,783,318, US 5,873,703.
Die Entwicklung von Lötanwendungen für Bauteile aus direktional gerichteten Werkstoffen, insbesondere aus Einkristallwerkstoffen, birgt die Gefahr der Rekristallisierung während der Wärmebehandlung in sich, da die Lötanwendung eine Temperatur nahe dem Schmelzpunkt des direktional gerichteten Werk- Stoffes erfordert.
Die Reparatur von direktional gerichteten Werkstoffen und insbesondere von Einkristallwerkstoffen ist in den vergange- nen Jahren daher zumeist durch Schweißanwendungen, bspw. mittels eines Lasers, realisiert worden. Hierbei besteht eine große Herausforderung darin, die Kornausrichtung weiterzuführen, damit keine Schwachstellen entstehen können. Zudem lei- ten alle Scheißanwendungen lokal große Wärmemengen in den Werkstoff und führen daher bedingt durch den entstehenden Temperaturgradienten zu Spannungen im Werkstoff. Diese Spannungen können selbst zu Rissen führen, was den Effekt der Reparatur zu Nichte macht.
Aber selbst dann, wenn Bauteile aus Superlegierungen hergestellt sind, die keine gerichtete Mikrostruktur aufweisen, ist die Reparatur mittels Schweiß- oder Lötverfahren nicht immer ohne weiteres möglich. So neigen beispielsweise Superlegierungen auf Nickel- und Kobaltbasis, welche häufig als Basismaterialien für Turbinenschaufeln zum Einsatz kommen, zur Heißrissbildung. Heißrisse treten beim Schweißen in der Wärmeeinflusszone des Schweißprozesses auf sowie - bei Verwendung eines artgleichen Werkstoffes als Schweißgut - im Schweißgut selbst, γ' -gehärtete
Superlegierungen neigen zudem zur Bildung von Rissen in der ersten Wärmebehandlung nach dem Schweißen (sog. post-weld heat treatment cracking oder strain age cracking) . Die Ursache hierfür liegt in der inhomogenen Ausbildung der γ' - Phase (von gelöst bis vergröbert mit allen dazwischen liegenden Möglichkeiten) in der Wärmeeinflusszone und - bei Verwendung von artgleichem Zusatzwerkstoff als Schweißgut - im Schweißgut selbst. Während der ersten Wärmebehandlung kommt es dann zur lokalen Ausscheidung der γ' -Phase, was mit einer Volumenkontraktion und mit Eigenspannungsaufbau einhergeht und deshalb zur Rissbildung führt. Weiterhin führt die lokale Erwärmung beim Schweißen zum Aufbau hoher Eigenspannungen im Werkstück. Schließlich können im Schweißgut aufgrund der Schweißmetallurgie (z.B. schnelle Erstarrung und Vermischung von Grundwerkstoff und
Zusatzwerkstoff) unerwünschte Effekte, wie die Ausbildung spröder Phasen oder Seigerungen, d.h. die Entmischung der Schmelze, auftreten. All die genannten Effekte verschlechtern die mechanischen Eigenschaften eines mittels eines Schweißverfahrens reparierten Bauteils. Zudem ist bei Verwendung von γ' -geharteten Zusatzwerkstoffen (z.B. Nimonic C263, Rene 41, Haynes 282) zumeist eine langwierige Uberalterungswarmebehandlung vor dem Schweißen erforderlich, um die Schweißbarkeit des Grundwerkstoffes zu erhohen. Dies verteuert die Schweißreparatur.
In Lotverfahren zum Reparieren von Bauteilen enthalten die Lotlegierungen in der Regel Schmelzpunkterniedriger . Häufig handelt es sich dabei um Bor (B) , was zur Bildung von Sprodphasen wahrend einer Wärmebehandlung und des spateren Betriebs des Bauteils unter Einwirkung von Heißgasen fuhren kann. Die Sprodphasen verschlechtern die mechanischen Eigenschaften der Reparaturstelle. Außerdem sind beispielsweise Lotreparaturen für Gasturbinenschaufeln langwierige Prozesse, die teilweise langer als 24 h dauern und die eine mehrstufige Wärmebehandlung erfordern. Dadurch werden die Reparaturkosten wesentlich erhöht. Weiterhin können die bei Lotreparaturen notwendigen
Hochtemperaturwarmebehandlungen zu Rekristallisationen bei gerichtet erstarrten Werkstoffen oder einkristallinen Werkstoffen fuhren. Die Rekristallisation ist aber zumeist inakzeptabel, so dass Lotreparaturen für solche Werkstoffe oft nicht zugelassen sind.
Gegenüber dem genannten Stand der Technik ist es eine erste Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren zum Reparieren eines Bauteils aus einem Basismaterial mit einer gerichteten Mikrostruktur, insbesondere eines Turbinenbauteils zur Verfugung zu stellen.
Eine zweite Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein verbessertes Verfahren zum Reparieren eines Bauteils, insbesondere eines Turbinenbauteils, aus einer hochwarmfesten Superlegierung zur Verfugung zu stellen. Die erste Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Reparieren eines Bauteils nach Anspruch 1 gelöst, die zweite Aufgabe durch ein Verfahren zum Reparieren eines Bauteils nach Anspruch 10. Die abhängigen Ansprüche enthalten vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Reparieren eines Bauteils, welches aus einem Basismaterial mit einer gerichteten Mikrostruktur hergestellt ist, umfasst gemäß Anspruch 1 die Schritte: Reinigen der Reparaturstelle, Füllen der Reparaturstelle mit einem der Zusammensetzung des Basiswerkstoffes entsprechenden Füllmaterial und Durchführen einer Wärmebehandlung im Bereich der gefüllten Reparaturstelle. Das zu reparierende Bauteil kann insbesondere ein Gasturbinenbauteil, bspw. eine Turbinenschaufel, sein. Im erfindungsgemäßen Verfahren weist das Füllmaterial mikro- und/oder nanoskalige Partikel auf. Zudem sind beim Füllen der Reparaturstelle Maßnahmen getroffen, welche die Oxidation des Füllmaterials verhindern. Schließ- lieh sind die Temperaturen und Haltezeiten der Wärmebehandlung derart gewählt, dass die Reparaturstelle dieselbe gerichtete Mikrostruktur wie das die Reparaturstelle umgebende Basismaterial aufweist. Die gerichtete Mikrostruktur lässt sich insbesondere dadurch herbeiführen, dass die Temperatur der Wärmebehandlung unterhalb der Schmelztemperatur des
Basismaterials liegt und die Abkühlung eine bestimmte Abkühlungsrate nicht überschreitet. Eine zu hohe Abkühlungsrate würde das geordnete Wachsen und damit die Ausbildung einer gerichteten Mikrostruktur im in der Reparaturstelle stören. Die jeweils einzuhaltenden Temperaturen und Abkühlungsraten hängen u. a. vom Basismaterial ab, so dass sie für verschiedene Basismaterialien unterschiedlich sein können. Geeignete Abkühlungsraten können insbesondere empirisch ermittelt werden .
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können Risse in Bauteilen aus direktional gerichteten Werkstoffen derart strukturell repariert werden, dass die Reparaturstelle dieselbe gerich- tete Mikrostruktur aufweist und ohne dass die Eigenschaften des umgebenden Basismaterials negativ beeinflusst werden. Aufgrund der Verwendung mikro- und/oder nanoskaliger Partikel ist die Schmelztemperatur des Füllmaterials gegenüber der Schmelztemperatur des umgebenden Basismaterials herabgesetzt. Die Wärmebehandlung kann daher mit Temperaturen erfolgen, welche niedriger sind als die Temperaturen in einem Lötverfahren. Auch fallen lokal nicht so hohe Wärmemengen an, wie bei dem eingangs beschriebenen Schweißverfahren.
Zum Füllen der Reparaturstelle kann ein Spritzverfahren zur Anwendung kommen, welches eine niedrige Temperatur der verspritzten Partikel ermöglicht. Denkbar ist bspw. die Anwendung eines Niedertemperatur-Hochgeschwindigkeits-Flam- menspritz-Verfahrens, wie es bspw. in DE 102 53 794 Al beschrieben ist. Vorzugsweise kommt zum Füllen der Reparaturstelle jedoch ein Kaltgas-Spritz-Verfahren, wie es bspw. in DE 102 24 780 Al beschrieben ist, zur Anwendung. Beim Niedertemperatur-Flammenspritzen kann die Oxidation der verspritz- ten Partikel weitgehend unterdrückt werden. Beim Kaltgas- Spritzen, in dem Spritzpartikel von einem „kalten" Gasstrahl auf hohe Geschwindigkeiten beschleunigt werden, ist sogar eine noch weiter gehende Unterdrückung der Oxidation möglich, sodass praktisch gar keine Oxidation der verspritzten Parti- kel stattfindet.
Da Partikel mit Durchmessern von weniger als ca. 5 μm mittels Kaltgas-Spritzverfahren nicht ohne Weiteres direkt verspritzt werden können, sind in einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung die Partikel beim Füllen der Reparaturstelle von einer Hülle umgeben. Die Hülle, die aus einem Materialbestandteil des Basismaterials, bspw. Nickel oder Kobalt, aufgebaut sein kann, vergrößert die Dimension der Partikel. Auf Grund der vergrößerten Abmessung können die Partikel vom Kaltgasstrom besser mitgerissen und beschleunigt werden. Die beim Auftreffen auf die Wände der Füllstelle in Wärme umgewandelte kinetische Energie führt dabei zu einem Anschmelzen des Füllmaterials. Um während des Spritzens diejenigen Berei- che, welche die Reparaturstelle umgeben, zu schützen, können diese beim Füllen mit einer Blende abgedeckt werden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt das Füllmaterial in Form mindestens zweier Bestandteile vor, welche ein eutektisches Mischungsverhältnis aufweisen. Ein eutektisches Mischungsverhältnis ist ein Mischungsverhältnis, welches dazu führt, dass sich aus einer Schmelze der Materialzusammensetzung beim Abkühlen nur Misch- kristalle bilden. Ein vom eutektischen Mischungsverhältnis abweichendes Mischungsverhältnis führt hingegen dazu, dass sich beim Abkühlen reine Kristalle der beiden Materialbestandteile bilden. Zudem zeichnet sich das eutektische Mischungsverhältnis dadurch aus, dass es die niedrigste Schmelztemperatur aller Mischungsverhältnisse der beiden
Materialbestandteile aufweist. Im erfindungsgemäßen Verfahren bietet dies insbesondere den Vorteil, dass die Wärmebehandlung mit besonders niedrigen Temperaturen durchgeführt werden kann .
Der Reinigungsprozess vor dem Füllen der Reparaturstelle sollte vorzugsweise derart erfolgen, dass eventuell vorhandene Oxide vollständig von der zu reparierenden Stelle entfernt werden.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können insbesondere die Rissenden beim Reparieren von Rissen im Basismaterial eines Bauteils gefüllt werden. Das Füllen der Rissenden ist mit größeren Partikeln nicht ohne weiteres möglich. Das Füllen der Rissenden ist aber von großer Bedeutung, da durch das
Reparieren insbesondere der Rissenden eine Verlängerung der Risse wirksam unterbunden werden kann. Das Volumen der Risse kann dann gegebenenfalls auch mit größeren als den mikro- und/oder nanoskaligen Partikeln erfolgen.
Im erfindungsgemäßen Verfahren zum Reparieren eines Bauteils, welches aus einer hochwarmfesten Superlegierung hergestellt ist, erfolgt gemäß Anspurch 10 ein Auftragen eines Reparaturmaterials durch Spritzen des Reparaturmaterials in Form von Pulverpartikeln mittels Kaltgasspritzen. Das Reparaturmaterial weist hierbei eine höhere Duktilität als die hochwarmfeste Superlegierung auf.
Als Reparaturmaterialien werden duktilere Werkstoffe als der Basiswerkstoff vorgeschlagen. Dies können insbesondere Werkstoffe sein, die bereits jetzt für Reparaturen - insbesondere Schweißreparaturen - eingesetzt werden, oder es können γ' -gehärtete Superlegierungen sein. Die letzteren stellen einen guten Kompromiss zwischen verringerter Festigkeit und verbesserter Schweißbarkeit dar - im Vergleich zum Grundwerkstoff. Weiterhin können als Reparaturmaterialien solche Ni-Superlegierungen eingesetzt werden, die als Knetlegierungen (Wrought Alloys) gelten, da sie im Vergleich zu den derzeit verwendeten Ni-Guss-Superlegierungen für Gasturbinenschaufeln (Cast Alloys) eine wesentlich höhere Duktilität aufweisen. Es können auch Werkstoffe als Reparaturmaterialien verwendet werden, wie sie derzeit für Lötreparaturen verwendet werden. Allerdings kann auf den Zusatz oder das Zulegieren von Schmelzpunkterniedrigern verzichtet werden, da der Zusatzwerkstoff während der Kaltgas-Reparatur nicht aufgeschmolzen wird.
Die Reparatur insbesondere von Gasturbinenschaufeln aus Ni- oder Co-Superlegierungen mittels Kaltgasspritzen hat gegenüber herkömmlichen Schweiß- und Lötreparaturen folgende Vorteile :
• Das als Reparaturmaterial verwendete Zusatzmaterial wird kalt aufgetragen. Der pulverförmige Zusatzwerkstoff wird im vorgewärmten Gasstrom nur angewärmt, nicht aber angeschmolzen. Das Bauteil selbst bleibt kalt. Deshalb treten keine Heißrisse auf.
• Es gibt keine Wärmeeinflusszone. Die γ' -Phase im
Grundwerkstoff wird weder gelöst noch vergröbert. Es können deshalb keine Strain Age Cracking-Risse im Grundwerkstoff entstehen. Die Gefahr, dass solche Risse im Schweißgut bei Verwendung von γ' -geharteten Zusatzwerkstoffen entstehen, ist ebenso wesentlich verringert .
• Der Werkstoff wird nicht aufgeschmolzen. Deshalb treten keine unerwünschten metallurgischen Reaktionen, wie zum Beispiel Sprodphasenbildung und Seigerungen beim Schweißen oder Ausbildung versprodender Boride beim Loten, auf.
• Langwierige Wärmebehandlungen wie beim Loten und beim Schweißen (falls Überalterung erforderlich ist) sind nicht erforderlich. Weniger und kürzere Wärmebehandlungen fuhren zu verringerten Reparturkosten . Nach der Kaltgasreparatur muss lediglich eine Anbindungswarmebehandlung (zum Beispiel 1000-11000C für 10 min bis 2 h) erfolgen. Gegebenenfalls muss das Bauteil anschließend komplett warmebehandelt werden (Losungsgluhen und Auslagerung) , was aber zumeist auch nach Schweiß- und Lotreparaturen erforderlich ist.
• Die Gefahr der Oxidation der Reparaturstelle ist gering. Es wird im Schutzgasstrom (zumeist Helium, eventuell Stickstoff) gearbeitet, und das Bauteil (meist < 3000C) sowie der Zusatzwerkstoff (meist < 500 bis 7000C) bleiben vergleichsweise kalt. Der Restsauerstoffgehalt (in etwa 400 ppm O2 oder weniger) ist geringer als bei anderen Spritzverfahren, wie z.B. HVOF. Deshalb bilden sich nur wenige störende oxidische Fermdphasen, die zur Versprodung der Reparaturstellen fuhren konnten.
• Kaltgasgespritzte Oberflachen sind allgemein sehr glatt. Der Durchmesser des kaltgasgespritzten Pulverstrahls ist sehr fein. Deshalb verlangen die reparierten Stellen nur sehr wenig mechanische Nacharbeit, was die Reparaturkosten verringert. Artgleiche Reparaturen haben das Potential, dass die Eigenschaften der Reparaturstelle denen des Grundwerkstoffes entsprechen. Allerdings sind die handelsüblich verwendeten Ni-Superlegierungen (z.B. ReneδO, IN738LC, IN393, CM247CC /DS, IN939, PWA1483SX, SIEMET DS ...) extrem hart und spröde. Diese Eigenschaften beeinträchtigen die Verarbeitbarkeit solcher Werkstoffe mittels Kaltgasspritzens .
Deshalb bietet die Verwendung von mehr duktilen Zusatzwerkstoffen für eine Reparatur von Gasturbinenschaufeln aus Ni-Superlegierungen folgende Vorteile im Vergleich zu artgleichen Reparaturen (bei allerdings verringerter Festigkeit des Zusatzwerkstoffes) :
• Es können dichtere, besser haftende Schichten durch Kaltgasspritzen aufgetragen werden.
• Der Pulverwirkungsgrad (liegt in etwa zwischen 15 und 35 %) wird erhöht, was die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens erhöht.
• Es kann mit geringeren Partikelgeschwindigkeiten gespritzt werden, was die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens erhöht. So könnten beispielsweise größere Düsendurchmesser eingesetzt werden, was mit einer erhöhten Beschichtungsgeschwindigkeit einhergeht. Die Partikelgeschwindigkeiten können unter ca. 900 m/s und insbesondere unter 800 m/s liegen.
Im Spritzen des Reparaturmaterials kann ein Ausblenden der zu reparierenden Stelle erfolgen. Mit anderen Worten, es wird Material im Bereich der Reparaturstelle abgetragen, so dass eine einfach zu befüllende Ausnehmung entsteht, wo sich der Schaden befunden hat. Das fehlende Material kann dann anschließend mittels des Kaltgasspritzens aufgetragen werden. Alternativ ist es auch möglich, Schäden, wie beispielsweise Risse, mittels Kaltgasspritzen direkt zu befüllen. In diesem Fall ist es vorteilhaft, wenn die Reparaturstelle zunächst gereinigt wird, beispielsweise durch Fluoride-Ion-Cleaning, um Oberflächenverunreinigungen, wie etwa Oxide, zu entfernen. Derartige Verunreinigungen würden die Anbindung zwischen dem Grundwerkstoff und dem Reparaturmaterial beeinträchtigen. Zwar wird beim direkten Befüllen von Rissen evtl. nicht der gesamte Riss befüllt, sondern der Riss nur bedeckelt, was aber unter Umständen akzeptabel sein kann.
Als Pulvermaterial kann im erfindungsgemäßen Verfahren insbesondere ein Material zum Einsatz kommen, das nanoskalige Pulverpartikel beinhaltet, die von einer Hülle aus nanoskaligen Partikeln umgeben sind.
Weitere Merkmale, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren.
Figur 1 zeigt beispielhaft eine Gasturbine in einem Längsteilschnitt
Figur 2 zeigt in perspektivischer Ansicht eine Laufschaufel oder Leitschaufel einer Strömungsmaschine
Figur 3 zeigt eine Brennkammer einer Gasturbine
Figur 4 zeigt in einer schematischen Darstellung einen Ausschnitt aus einer Turbinenschaufel mit einem Riss
Figur 5 zeigt in einer schematischen Darstellung den Riss in einer geschnittenen Seitenansicht
Figur 6 zeigt das Füllen des Risses aus Figur 5
Figur 7 zeigt den gefüllten Riss nach dem Durchführen einer Wärmebehandlung Figur 8 zeigt ein Teilchenagglomerat, wie es zum Füllen des Risses Verwendung findet
Figuren 9 bis 11 zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel für das erfindungsgemäße Verfahren zum Reparieren eines
Bauteils .
Figuren 12 bis 14 zeigen ein drittes Ausführungsbeispiel für das erfindungsgemäße Verfahren zum Reparieren eines Bauteils.
Die Figur 1 zeigt beispielhaft eine Gasturbine 100 in einem Längsteilschnitt. Die Gasturbine 100 weist im Inneren einen um eine Rotationsachse 102 drehgelagerten Rotor 103 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 106, mit mehreren koaxial angeordneten Brennern 107, eine Turbine 108 und das Abgasgehäuse 109.
Die Ringbrennkammer 106 kommuniziert mit einem beispielsweise ringförmigen Heißgaskanal 111. Dort bilden beispielsweise vier hintereinandergeschaltete Turbinenstufen 112 die Turbine 108.
Jede Turbinenstufe 112 ist beispielsweise aus zwei Schaufelringen gebildet. In Strömungsrichtung eines Arbeitsmediums 113 gesehen folgt im Heißgaskanal 111 einer Leitschaufelreihe 115 eine aus Laufschaufeln 120 gebildete Reihe 125.
Die Leitschaufeln 130 sind dabei an einem Innengehäuse 138 eines Stators 143 befestigt, wohingegen die Laufschaufeln 120 einer Reihe 125 beispielsweise mittels einer Turbinenscheibe 133 am Rotor 103 angebracht sind.
An dem Rotor 103 angekoppelt ist ein Generator oder eine Arbeitsmaschine (nicht dargestellt) . Während des Betriebes der Gasturbine 100 wird vom Verdichter 105 durch das Ansauggehäuse 104 Luft 135 angesaugt und verdichtet. Die am turbinenseitigen Ende des Verdichters 105 bereitgestellte verdichtete Luft wird zu den Brennern 107 ge- führt 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 ent- spannt 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 unter- liegen 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 106 auskleidenden Hitzeschildsteinen am meisten thermisch be- lastet.
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; diese Schriften sind Teil der Offenbarung.
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 und/oder zumindest ein Element der Seltenen Erden bzw. Hafnium) . 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 Teil dieser Offenbarung sein sollen.
Auf der MCrAlX kann noch eine Wärmedämmschicht vorhanden sein, und besteht beispielsweise aus ZrC>2, Y2θ3-ZrC>2, 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 .
Figur 2 zeigt in perspektivischer Ansicht eine Laufschaufel 120 oder Leitschaufel 130 einer Strömungsmaschine, die sich entlang einer Längsachse 121 erstreckt.
Die Strömungsmaschine kann eine Gasturbine eines Flugzeugs oder eines Kraftwerks zur Elektrizitätserzeugung, eine 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 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 ausge- staltet. Andere Ausgestaltungen als Tannenbaum- oder Schwalbenschwanzfuß sind möglich.
Die Schaufel 120, 130 weist für ein Medium, das an dem Schaufelblatt 406 vorbeistromt, eine Anstromkante 409 und eine Ab- stromkante 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 1204776 Bl, EP 1306454, EP 1319729 Al, WO 99/67435 oder WO 00/44949 bekannt; diese Schriften sind Teil der Offenbarung. Die Schaufel 120, 130 kann hierbei durch ein Gussverfahren, auch mittels gerichteter Erstarrung, durch ein Schmiedeverfahren, durch ein Frasverfahren oder Kombinationen daraus gefertigt sein.
Werkstucke 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 Werkstucken erfolgt z.B. durch gerichtetes Erstarren aus der Schmelze. Es handelt sich dabei um Gießverfahren, bei denen die flussige metallische Legierung zur einkristallinen Struktur, d.h. zum einkristallinen Werkstuck, oder gerichtet erstarrt. Dabei werden dendritische Kristalle entlang dem Warmefluss ausgerichtet und bilden entweder eine stangelkri- stalline Kornstruktur (kolumnar, d.h. Korner, die über die ganze Lange des Werkstuckes verlaufen und hier, dem allgemei- nen Sprachgebrauch nach, als gerichtet erstarrt bezeichnet werden) oder eine einkristalline Struktur, d.h. das ganze Werkstuck besteht aus einem einzigen Kristall. In diesen Verfahren muss man den Übergang zur globulitischen (polykristal- linen) Erstarrung meiden, da sich durch ungerichtetes Wachstum notwendigerweise transversale und longitudinale Korngrenzen ausbilden, welche die guten Eigenschaften des gerichtet erstarrten oder einkristallinen Bauteiles zunichte machen. Ist allgemein von gerichtet erstarrten Gefügen die Rede, so sind damit sowohl Einkristalle gemeint, die keine Korngrenzen oder höchstens Kleinwinkelkorngrenzen aufweisen, als auch Stängelkristallstrukturen, die wohl in longitudinaler Richtung verlaufende Korngrenzen, aber keine transversalen Korn- grenzen aufweisen. Bei diesen zweitgenannten kristallinen
Strukturen spricht man auch von gerichtet erstarrten Gefügen (directionally solidified structures) . Solche Verfahren sind aus der US-PS 6,024,792 und der EP 0 892 090 Al bekannt; diese Schriften sind Teil der Offenbarung.
Ebenso können die Schaufeln 120, 130 Beschichtungen gegen Korrosion oder Oxidation (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 Teil dieser Offenbarung sein sollen.
Auf der MCrAlX kann noch eine Wärmedämmschicht vorhanden sein und besteht beispielsweise aus ZrÜ2, Y2Ü3-Zrθ2, d.h. sie ist nicht, teilweise oder vollständig stabilisiert durch Yttriumoxid und/oder Kalziumoxid und/oder Magnesiumoxid. Durch geeignete Beschichtungsverfahren wie z.B. Elektronenstrahlver- dampfen (EB-PVD) werden stängelförmige Körner in der Wärmedämmschicht erzeugt.
Wiederaufarbeitung (Refurbishment) bedeutet, dass Bauteile 120, 130 nach ihrem Einsatz gegebenenfalls von Schutzschich- ten 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 3 zeigt eine Brennkammer 110 einer Gasturbine. Die Brennkammer 110 ist beispielsweise als so genannte Ringbrennkammer ausgestaltet, bei der eine Vielzahl von in Umfangs- richtung um die Rotationsachse 102 herum angeordneten Brennern 107 in einen gemeinsamen Brennkammerraum münden. 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 ermöglichen, ist die Brennkammerwand 153 auf ihrer dem Arbeitsmedium M zugewandten Seite mit einer aus Hitzeschildelementen 155 gebildeten Innenauskleidung versehen.
Jedes Hitzeschildelement 155 ist arbeitsmediumsseitig mit einer besonders hitzebeständigen Schutzschicht ausgestattet oder aus hochtemperaturbeständigem Material gefertigt. Dies können massive keramische Steine oder Legierungen mit MCrAlX und/oder keramischen Beschichtungen sein. Die Materialien der Brennkammerwand und deren Beschichtungen können ähnlich der Turbinenschaufeln sein.
Aufgrund der hohen Temperaturen im Inneren der Brennkammer
110 kann zudem für die Hitzeschildelemente 155 bzw. für deren Halteelemente ein Kühlsystem vorgesehen sein. Die Brennkammer 110 ist insbesondere für eine Detektion von Verlusten der Hitzeschildelemente 155 ausgelegt. Dazu sind zwischen der Brennkammerwand 153 und den Hitzeschildelementen 155 eine Anzahl von Temperatursensoren 158 positioniert.
Figur 4 zeigt in einer stark schematisierten Ansicht einen Ausschnitt aus dem Schaufelblatt 406 mit einem verzweigten Riss 420. Das Schaufelblatt 406 ist aus einer einkristallinen Nickel-Basislegierung hergestellt. Grundsätzlich können je- doch auch Bauteile aus anderen einkristallinen Basislegierungen, bspw. Kobalt-Basislegierungen oder Eisen-Basislegierungen mit dem erfindungsgemäßen Verfahren repariert werden. Der Riss 420 weist eine Anzahl von Rissenden 422 auf, in deren Umgebung besonders hohe Spannungen im einkristallinen Basis- material vorliegen. Die Spannungen können zu einer weiteren Ausdehnung des Risses 420 führen. Es ist daher besonders wichtig, das Fortscheiten des Risses im Bereich der Rissenden 422 zu unterbinden.
Eine Reparatur des Turbinenblattes 406 kann erfolgen, indem der Riss 420 mit einem zum Basismaterial artgleichen Material gefüllt und durch eine geeignete Wärmebehandlung mit dem Basismaterial verbunden wird. Insbesondere wenn dies im Bereich der Rissenden 422 geschieht, ist eine weitere Ausdeh- nung des Risses wirksam unterbunden und das reparierte Turbinenblatt 406 kann wieder in Betrieb genommen werden.
Damit das reparierte Turbinenblatt 406 die hohen thermischen und mechanischen Beanspruchungen beim Betrieb der Turbine aushalten kann, sollte die Füllung des Risses 420 dieselbe einkristalline Struktur aufweisen, wie das umgebende Basismaterial. Dies kann mit dem nachfolgend beschriebenen Reparaturverfahren erreicht werden.
Figur 5 zeigt in einer schematischen Darstellung eine
Schnittansicht des Turbinenblattes 406. Der Schnitt verläuft entlang der Linie A-A in Figur 4. Die Figur zeigt den Riss 420 vor dem Füllen und nach dem Reinigen, wobei sämtliche Oxide von den Risswänden entfernt worden sind. Die Rissreinigung kann durch gängige Reinigungsverfahren erfolgen. Alternativ ist es auch möglich, den Riss 420 mittels eines Erodierstiftes zu weiten.
Der gereinigte Riss 420 wird mit einem zum Basismaterial artgleichen Füllmaterial gefüllt. Der Füllvorgang ist schematisch in Fig. 6 dargestellt. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist, wie oben erwähnt, das Basismaterial eine Legierung auf Nickelbasis, die unter anderem Aluminium als Zusatz enthält. Als Füllstoff kommen nanoskalige Partikel zur Anwendung, die mittels einer Kaltgas-Spritzpistole 426 in den Riss 420 eingespritzt werden.
Um die nanoskaligen Partikel, die eine Partikelgröße von weniger als 5 μm und vorzugsweise weniger als 1 μm aufweisen, mittels des Kaltgas-Spritzverfahrens verspritzen zu können, werden sie mit anderen Partikeln zu Agglomeraten 425 zusammengelagert. Die Agglomerate besitzen dann den nötigen Quer- schnitt, um vom Kaltgasstrom, bspw. einem Heliumstrom, in
Richtung auf den Riss 420 mitgerissen zu werden. Ein derartiges Agglomerat ist beispielhaft in Figur 8 dargestellt. Das Agglomerat 425 umfasst im vorliegenden Ausführungsbeispiel ein zentrales nanoskaliges Aluminiumteilchen 425a, um das herum nanoskalige Nickelteilchen 425b angelagert sind. Der Zusammenhalt des Agglomerats wird durch elektrostatische Kräfte bewirkt. Die Nickelteilchen 425b bilden eine Hülle um das Aluminiumteilchen 425a, sodass der Durchmesser des Agglomerats mindestens 5 μm beträgt. Der Querschnitt des Agglome- rats ist dann groß genug, um vom Heliumstrom mitgerissen zu werden. Beim Auftreffen auf die Risswand 421 zerfällt das Agglomerat 425 in seine Bestandteile.
Beim Füllen des Risses 420 sind diejenigen Oberflächenberei- che des Schaufelblattes 406, in denen kein Riss 420 vorliegt, mittels einer Maske 428 abgedeckt, um an diesen Stellen kein Material aufzutragen. Nachdem der Riss 420 vollständige mit den nanoskaligen Partikeln gefüllt ist, erfolgt eine Wärmebehandlung, deren Temperaturen und Haltezeiten derart an das Basismaterial angepasst sind, dass sowohl eine epiktaktische Anbindung des Füllmate- rials an die Risswand 421 als auch die notwendige Interdiffu- sion der Partikel des Füllmaterialgemisches erfolgt. Aufgrund der geringen Partikeldurchmesser ist der Schmelzpunkt der Partikel herabgesetzt, sodass die bei der Wärmebehandlung notwendigen Temperaturen unterhalb des Schmelzpunktes des um- gebenden Basismaterials des Schaufelblattes 406 liegen. Die Abkühlung des Bauteils erfolgt so langsam, dass ein geordnetes Wachstum der Kristallstruktur des Materials in der Reparaturstelle nicht behindert wird.
Auf diese Weise kann mit Temperaturen unterhalb der Schmelztemperatur des Basismaterials des Schaufelblattes 406 eine epiktaktische Anbindung des Füllmaterials an das Basismaterial erfolgen, sodass das Füllmaterial die Kristallstruktur des umgebenden Basismaterials weiterführt. Im Ergebnis erhält man den in Figur 7 dargestellten gefüllten Riss 420', in welchem das Füllmaterial zusammen mit dem umgebenden Basismaterial eine einkristalline Struktur bildet.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens ist die Zusammensetzung der Agglomerate 425, d.h. das Verhältnis von Hüllenteilchenzahl zu einem zentralen Teilchen, so gewählt, dass das Füllmaterial in einer eutektischen Mischung vorliegt. Dies führt dazu, dass das Füllmaterial beim Wiedererstarren nach dem Aufschmelzen währen der Wärmebehand- lung einen Mischkristall bildet. Zudem ist die Schmelztemperatur einer eutektischen Mischung im Vergleich zu einer Mischung mit denselben Bestandteilen aber anderen Mischungsverhältnissen die niedrigste mögliche Schmelztemperatur der Mischung. Wenn das Füllmaterial dieselben Bestandteile wie das umgebende Basismaterial enthält und in einem eutektischen Mischungsverhältnis vorliegt, liegt seine Schmelztemperatur daher besonders weit unter der Schmelztemperatur des umgebenden Basismaterials . Das geschilderte Verfahren kann insbesondere dazu Verwendung finden, den Riss 420 im Bereich der Enden 422 so zu füllen, dass die einkristalline Struktur des umgebenden Basismateri- als weitergeführt wird. Auf diese Weise können die Spannungen im Basismaterial im Bereich der Rissenden 422 deutlich reduziert werden, sodass ein Fortschreiten des Risses 420 wirksam unterbunden werden kann. Die übrigen Bereiche des Risses können dann auch mit gröberen als nanoskaligen Partikeln gefüllt werden, mit denen nicht ohne weiteres die einkristalline
Struktur des Basismaterials fortgeführt werden kann. Wichtig ist in diesem Zusammenhang vor allem, dass mittels der nanoskaligen Partikel die Rissenden 422 zuverlässig gefüllt werden können.
Fig. 9 zeigt in einer stark schematisierten Schnittansicht einen Ausschnitt aus einem Schaufelblatt 506 mit einem Riss 520. Das Schaufelblatt 506 ist aus einer Nickel- Basislegierung mit polykristalliner Kristallstruktur hergestellt. Grundsätzlich können jedoch auch andere Basislegierungen, beispielsweise Kobalt- oder Eisen- Basislegierungen, mit dem erfindungsgemäßen Verfahren repariert werden. Auch kann das zu reparierende Bauteil statt einem polykristallinen Basismaterial auch ein einkristallines Basismaterial oder ein direktional erstarrtes Basismaterial besitzen .
In einem ersten Schritt des Verfahrens erfolgt ein Erweitern des Risses, beispielsweise mittels eines Erodierstiftes, wobei auch Verschmutzungen im Bereich der Risswand mit entfernt werden. Durch das Erweitern entsteht eine Ausnehmung 522 im Bauteil 506 dort, wo sich der Riss 520 befunden hat. Diese Ausnehmung 522 wird anschließend mit einem Reparaturmaterial befüllt.
Das Füllen der Ausnehmung 522 mit dem Reparaturmaterial ist schematisch in Fig. 10 dargstellt. Die Figur zeigt neben dem Schaufelblatt 506 und der Ausnehmung 522 die Düse 526 einer Kaltgasspritzvorrichtung und Reparaturmaterial 529, das mittels der Kaltgasspritzvorrichtung in Form von Pulver 528 in die Ausnehmung 522 eingespritzt wird.
Als förmiger Reparaturwerkstoff kommt ein Material zur Anwendung, welches eine höhere Duktilität als das Basismaterial der Schaufelblattes 506 aufweist. Mit anderen Worten, das Reparaturmaterial neigt unter Einwirkung äußerer Kräfte zu plastischen und damit dauerhaften Verformungen, ohne dass dabei Werkstofftrennungen auftreten. Duktile Stoffe sind insbesondere gut kalt verformbar. Der Reparaturwerkstoff kann insbesondere ein Werkstoff sein, wie er aus dem Stand der Technik für das Reparieren mittels Schweißverfahren eingesetzt wird. Beispiele hierfür sind Nickel- Basislegierungen mit hoher Duktilität und Schweißbarkeit, wie etwa Legierungen, die unter der Bezeichnung IN 617, Haste Alloy X, Coat Metal CM64, PWA 795 bekannt sind. Alternativ können auch γ' -gehärtete Superlegierungen als Reparaturmaterial Verwendung finden. In γ' -gehärteten Superlegierungen liegen Körner aus γ' -Phase in einer γ-Phase, welche eine kubisch raumzentrierte Gitterstruktur aufweist, vor. Die Körner aus γ' -Phase führen dabei zu einer Härtung des Superlegierungsmaterials. Geeignete γ' -gehärtete Superlegierungen als Beschichtungsmaterial sind etwa Materialien, die unter den Namen Nimonic C263, Rene 41,
Haynes 282 bekannt sind. Diese stellen einen guten Kompromiss zwischen verringerter Festigkeit und verbesserter Schweißbarkeit im Vergleich zum Grundwerkstoff dar. Die verbesserte Schweißbarkeit resultiert aus der im Vergleich zum Grundwerkstoff erhöhten Duktilität. Als weitere
Alternative können als Reparaturmaterialien solche Nickel- Superlegierungen eingesetzt werden, die als Knetlegierungen (wrought alloys) gelten, da sie im Vergleich zu den häufig verwendeten Nickel-Guss-Superlegierungen für Gasturbinenschaufeln (sog. cast alloys) eine wesentlich höhere Duktilität aufweisen. Außerdem können auch Reparaturmaterialien eingesetzt werden, wie sie derzeit für Lötreparaturen Verwendung finden. Allerdings kann auf den Zusatz oder das Zulegieren von Schmelzpunkterniedrigern (wie insbesondere Bor (B), aber auch z.B. Zirkon (Zr), Hafnium (Hf), Scandium (Sc), Platin (Pt) oder Palladium (Pd)) verzichtet werden, da das Reparaturmaterial während des Kaltgasspritzens nicht aufgeschmolzen wird.
Das mittels der Düse 526 verspritzte Pulver 528 aus Reparaturmaterial wird beim Auftreffen auf die Oberfläche der Ausnehmung 522 durch Kaltverformung verdichtet. Aufgrund der Kaltverformung und zusätzlich von Adhäsion haftet das verspritzte Pulver an der Oberfläche der Ausnehmung 522. Diese Mechanismen funktionieren umso besser, je duktiler das verwendete Reparaturmaterial ist. Mit Hilfe des Kaltgasspritzens duktiler Reparaturmaterialien wird daher eine dichte und gut haftende Schicht in der Ausnehmung 522 erzeugt. Das Verspritzen des Pulvers 528 erfolgt im vorgewärmten Heliumstrom. Das Pulver wird darin nur angewärmt, nicht aber aufgeschmolzen. Das Bauteil 506 selbst bleibt kalt, d.h. zumeist unter 3000C, weshalb keine Heißrisse auftreten. Das vorgewärmte Helium kann Temperaturen im Bereich von 5000C bis 7000C aufweisen. Statt des Heliums kann auch ein anderes Inertgas, beispielsweise Stickstoff, zum Kaltgasspritzen zur Anwendung kommen.
Die Partikelgeschwindigkeiten im verspritzten Pulvermaterial betragen ca. 900 m/sec oder weniger, insbesondere weniger als ca. 800 m/s. Aufgrund der relativ geringen
Partikelgeschwindigkeiten können Düsen 526 mit relativ großen Düsendurchmessern Verwendung finden, was eine Erhöhung der Beschichtungsgeschwindigkeit im Vergleich zu
Kaltgasspritzverfahren zum Reparieren von Turbinenschaufeln nach Stand der Technik ermöglicht.
Das Schaufelblatt nach dem Verspritzen des Reparaturmaterials ist in Fig. 11 dargestellt. Das in die Ausnehmung 522 gespritzte Reparaturmaterial bildet einen dichten und gut haftenden Einsatz 530 in der Ausnehmung, welcher zudem eine glatte Oberfläche aufweist. Nach dem Befüllen der Ausnehmung 522, also im in Fig. 11 dargestellten Zustand, kann eine Wärmebehandlung des kompletten Bauteils, beispielsweise ein Lösungsglühen, erfolgen.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel für das erfindungsgemäße Verfahren zum Reparieren eines Bauteils ist in Figuren 12 bis 14 dargestellt. Fig. 12 zeigt ein Schaufelblatt 606 mit einem Riss 620, welches dem Schaufelblatt 506 aus Fig. 9 entspricht. Vor dem Befüllen des Risses 620 erfolgt ein Reinigen der Risswände, um Oxide zu entfernen. Die Rissreinigung kann durch gängige Reinigungsverfahren erfolgen .
Nach der Reinigung erfolgt ein Befüllen des Risses 620 mit einem Reparaturmaterial, welches eine höhere Duktilität als das Basismaterial des Schaufelblattes 606 aufweist. Das Reparaturmaterial wird in Form eines Pulvers 628 mittels der Düse 626 einer Kaltgas-Spritzvorrichtung in den Riss 620 eingespritzt. Zuvor wurde die Oberfläche des Bauteils 606 im Bereich außerhalb des Risses 620 mittels einer Maske 630 abgedeckt, um ein Anhaften des Reparaturmaterials in diesen Bereich zu unterdrücken.
Zu den Spritzbedingungen und den möglichen
Reparaturmaterialien gilt das, was in Bezug auf das in den Ausführungsbeispielen 9 bis 11 dargestellte Verfahren gesagt worden ist, entsprechend.
Nachdem das Reparaturmaterial in den Riss eingespritzt worden ist, bildet es einen dichten und gut am Basismaterial des Schaufelblattes 606 haftenden Einsatz 632, der zudem eine glatte Oberfläche aufweist. Je nach Partikelgröße des verwendeten Pulvers 628 kann es sein, dass nicht der gesamte Riss befüllt wird, sondern der Riss nur gedeckelt wird. Mit anderen Worten, in Bereiche des Risses, die besonders geringe Abmessungen aufweisen, kann das Pulver ggf. nicht eindringen. Eine derartige Deckelung des Risses kann aber in manchen Fällen toleriert werden.
Es besteht auch die Möglichkeit, nanoskalige Partikel als Reparaturmaterial zu verspritzen. Da sich Partikel unter 5 μm Abmessung und vorzugsweise mit Abmessungen von weniger als 1 μm mittels Kaltgasspritzverfahren nicht ohne weiteres verspritzen lassen, können die Partikel in Form von Agglomeraten, wie sie mit Bezug auf Fig. 8 beschrieben worden sind, verspritzt werden. Ein zentrales Partikel weist dann eine Hülle auf, welche das zentrale Partikel umgibt, so dass das Agglomerat eine Abmessung von mindestens 5 μm aufweist. Beim Auftreffen auf die Oberfläche des Risses oder bereits im Riss befindlichen Reparaturmaterials brechen die Agglomerate aufgrund der relativ schwachen Bindung zwischen den Partikeln auf, so dass die einzelnen nanoskaligen Partikel dann getrennt vorliegen.
Die Zusammensetzung der Agglomerate ist so gewählt, dass sie einer Legierung entspricht, welche eine höhere Duktilität als die Basislegierung des Schaufelblattes 606 aufweist. Selbstverständlich können auch in dem mit Bezug auf die Figuren 9 bis 11 beschriebenen Ausführungsbeispiel derartige Partikelagglomerate mittels des Kaltgasspritzverfahrens verspritzt werden.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Reparieren eines Bauteils (406), insbesondere eines Gasturbinenbauteils, welches aus einem Basismaterial mit einer gerichteten Mikrostruktur hergestellt ist, mit den Schritten:
- Reinigen der Reparaturstelle (420) ,
- Füllen der Reparaturstelle (420) mit einem der Zusammensetzung des Basiswerkstoffes entsprechenden Füllmaterial, - Durchführen einer Wärmebehandlung im Bereich der gefüllten Reparaturstelle (420), wobei
- das Füllmaterial mikro- und/oder nanoskalige Partikel (425a, 425b) aufweist, - beim Füllen der Reparaturstelle (420) Maßnahmen getroffen sind, welche die Oxidation des Füllmaterials verhindern, und
- die Temperaturen und Haltezeiten der Wärmebehandlung derart auf die Zusammensetzung des Füllmaterials und des Basismaterials des Bauteils (406) abgestimmt sind, dass eine epitaktische Anbindung des Füllmaterials an das umgebende Basismaterial erfolgt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
zum Füllen der Reparaturstelle (420) ein Spritzverfahren zur Anwendung kommt, das eine niedrige Temperatur der ver- spritzten Partikel ermöglicht.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass
zum Füllen der Reparaturstelle (420) ein Kaltgas-Spritz- Verfahren zur Anwendung kommt.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass
die Partikel (425a) beim Füllen der Reparaturstelle von einer Hülle (425b) umgeben sind.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass
die Hülle aus einem Bestandteil des Basismaterials aufgebaut ist.
6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
beim Füllen der Reparaturstelle (420) eine nicht zu füllende Bereiche abdeckende Blende (428) zur Anwendung kommt .
7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
das Füllmaterial wenigstens zwei Materialbestandteile mit einem eutektischen Mischungsverhältnis aufweist.
8. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
das Reinigen ein Entfernen sämtlicher Oxide von der Reparaturstelle (420) umfasst.
9. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
ein Riss (420) im Basismaterial als Reparaturstelle repariert wird und das Füllen des Risses derart erfolgt, dass ein Rissende (422) mit mikro- oder nanoskaligen Partikeln gefüllt wird.
10.Verfahren zum Reparieren eines Bauteils (506, 606), insbesondere eines Gasturbinenbauteils, welches aus einer hochwarmfesten Superlegierung hergestellt ist, in dem ein Auftragen eines Reparaturmaterials (529, 629) durch Spritzen des Reparaturmaterials (529, 629) in Form von Pulverpartikeln (528, 628) mittels Kaltgasspritzen erfolgt, wobei das Reparaturmaterial (529, 629) eine höhere Duktilität als die hochwarmfeste Superlegierung aufweist.
11. Verfahren nach Anspruch 10, in dem das Reparaturmaterial ein γ' -gehärtetes Superlegierungsmaterial ist.
12. Verfahren nach Anspruch 10, in dem das Reparaturmaterial eine Knetlegierung ist.
13. Verfahren nach Anspruch 10, in dem das Reparaturmaterial ein Löt-Reparaturmaterial ist.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, in dem die
Geschwindigkeit der verspritzten Pulverpartikel (528, 628) nicht mehr als 900 m/s beträgt.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 14, in dem vor dem Spritzen des Reparaturmaterials (529) ein Ausblenden der zu reparierenden Stelle (520) erfolgt.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 15, in dem vor dem Spritzen des Reparaturmaterials (629) ein Reinigen der zu reparierenden Stelle (620) erfolgt.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 16, in dem nanoskalige Pulverpartikel zur Anwendung kommen, die von einer Hülle aus nanoskaligen Partikeln umgeben sind.
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