WO2008155147A1 - Verfahren zur reparatur eines bereichs einer wärmedämmschicht - Google Patents

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Werner Stamm
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    • C23C28/3455—Coatings combining at least one metallic layer and at least one inorganic non-metallic layer including at least one inorganic non-metallic material layer, e.g. metal carbide, nitride, boride, silicide layer and their mixtures, enamels, phosphates and sulphates with at least one oxide layer with a refractory ceramic layer, e.g. refractory metal oxide, ZrO2, rare earth oxides or a thermal barrier system comprising at least one refractory oxide layer

Definitions

  • the invention relates to a method for repairing a region of a thermal barrier coating on a component that consists of an MCrAlY film deposited on the component.
  • Thermal insulation layers for turbine blades made of nickel or cobalt superalloys in many cases comprise an MCrAlY adhesion promoter layer applied directly to the component surface and a ceramic layer lying thereon.
  • the thermal barrier coating on the turbine blade can be damaged in some areas due to wear or impact of an object. In this case, it is essential to immediately repair the damaged area of the thermal barrier coating, otherwise the turbine blade will not be sufficiently protected from heat. It can then be damaged in its structure, ultimately leading to complete component failure.
  • thermal barrier coating In order to repair the thermal barrier coating in the damaged area, according to a method generally known in the art, first the thermal barrier coating is completely removed, i. Both the ceramic layer and the underlying MCrAlY adhesion promoter layer are removed. Subsequently, in the repair area, first a new MCrAlY adhesion promoter layer on the
  • junction between the old and the new ceramic is therefore weakened, which can lead to an undefined overall performance of the repaired thermal barrier coating and in the worst case to the spalling of the thermal barrier coating in the repair area.
  • This object is achieved according to the invention in that the shape and size of the repair area is determined after the removal of the thermal barrier coating, an MCrAlY film is produced having the shape and size of the repair area, the MCrAlY film is placed completely over the repair area on the component, the MCrAlY film is applied. Heat-treated film for connection to the component and the side of the MCrAlY film facing away from the component is coated with a ceramic.
  • the basic idea of the invention is therefore to determine the repair area in terms of shape and size after the thermal barrier coating has been removed therefrom. Subsequently, an MCrAlY film is produced which has the shape and size of the repair area. Then the MCrAlY film is placed on the component in such a way that it Repair area completely covered. In order to effect a connection of the MCrAlY film to the component, it is subjected to a heat treatment. Finally, the side of the MCrAlY film facing away from the component is coated with a ceramic.
  • the shape and size of the repair area is determined by means of optical methods.
  • optical methods especially photographic and in particular 3-D photographic methods are suitable.
  • the required data regarding shape and size of the repair area can be determined easily, quickly and with high accuracy.
  • MCrAlY films are commercially available in a wide variety of strengths. These can be quickly and with the highest precision cut to the required size with the aid of a laser.
  • the MCrAlY film is subjected to a heat treatment, in particular in a vacuum oven, for connection to the component.
  • the MCrAlY film can also be locally subjected to a heat treatment by induction.
  • the ceramic can be sprayed onto the side of the MCrAlY foil facing away from the component.
  • APS atmospheric plasma spraying
  • a development of the invention provides that the thermal barrier coating in the repair area is removed mechanically, for example by abrading, chemically or electrochemically.
  • the single figure shows a schematic representation of a turbine blade 1 with a blade platform 2 and an associated blade 3.
  • the turbine blade 1 is provided on the surface with a thermal barrier coating 4, the latter consisting of an MCrAlY adhesion promoter layer applied directly to the turbine blade 1 and a ceramic layer lying thereon.
  • the thermal barrier coating 4 is damaged on the blade platform 2 in a repair area 5.
  • the thermal barrier coating 4 in the repair area 5 is completely removed, for example by abrading. Both the ceramic layer and the MCrAlY adhesion promoter layer are removed in the repair area 5.
  • the shape and size of the repair area 5 is determined exactly. This can be done, for example, optically with the aid of a digital camera and a connected data processing system for the evaluation of the received camera data.
  • an MCrAlY film 6 is then produced, which determines the exact shape and size of the Repair area 5 has.
  • a freestanding MCrAlY film which has the same thickness as the MCrAlY adhesion promoter layer, can be cut with the aid of a laser.
  • the thickness of the film is adjusted.
  • the MCrAlY film 6 is then placed on the blade platform 2 so that it completely covers the repair area 5. No solder is used.
  • the MCrAlY film 6 is directly on the substrate or on the remaining MCrAlY layer portion.
  • Turbine blade 1 are heated with the MCrAlY film 6 in a vacuum oven.
  • the blade platform 2 facing away from the MCrAlY film 6 is coated with a ceramic.
  • a ceramic which is identical to the ceramic of the ceramic layer 6 is applied to the MCrAlY foil 6, for example by atmospheric plasma spraying.
  • a portion of the newly applied ceramic layer can then be ground away, so that it is planar to the ceramic layer.
  • a particular advantage of the method according to the invention is that the new MCrAlY layer can be applied in the repair area 5 without the risk of the ceramic layer being contaminated.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reparatur eines Bereichs einer Wärmedämmschicht (4) auf einem Bauteil (1), die aus einer auf dem Bauteil (1) aufgebrachten MCrAlY- Haftvermittlerschicht und einer darauf liegenden Keramikschicht besteht/ bei dem die Wärmedämmschicht (4) im Reparaturbereich (5) entfernt, die Form und Größe des Reparaturbereichs nach der Entfernung der Wärmedämmschicht bestimmt, eine MCrAlY-Folie (6) mit der Form und Größe des Reparaturbereichs hergestellt, die MCrAlY-Folie (6) auf das Bauteil (1) den Reparaturbereich (5) vollständig bedeckend aufgelegt, die MCrAlY-Folie (6) zur Anbindung an das Bauteil (1) einer Wärmebehandlung unterzogen und die dem Bauteil abgewandte Seite der MCrAlY-Folie (6) mit einer Keramik beschichtete wird.

Description

Verfahren zur Reparatur eines Bereichs einer Wärmedämmschicht
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reparatur eines Bereichs einer Wärmedämmschicht auf einem Bauteil, die aus einer auf dem Bauteil aufgebrachten MCrAlY-
Haftvermittlerschicht und einer darauf liegenden Keramikschicht besteht, bei dem die Wärmedämmschicht im Reparaturbereich entfernt wird.
Bauteile, wie zum Beispiel Turbinenschaufeln von Gasturbinen, die in einer aggressiven Umgebung hohen Temperaturen ausgesetzt werden, sind häufig mit einer Wärmedämmschicht versehen, um sie zu schützen und ihre Lebensdauer zu erhöhen. Wärmedämmschichten für Turbinenschaufeln aus Nickel- oder Kobalt-Superlegierungen umfassen dabei in vielen Fällen eine direkt auf der Bauteiloberfläche aufgebrachte MCrAlY- Haftvermittlerschicht sowie eine auf dieser liegende Keramikschicht .
Während des Betriebs der Gasturbine kann die Wärmedämmschicht auf der Turbinenschaufel durch Verschleiß oder Aufprall eines Objektes bereichsweise beschädigt werden. In diesem Fall ist es unerlässlich, den beschädigten Bereich der Wärmedämmschicht unverzüglich zu reparieren, da ansonsten die Turbinenschaufel nicht mehr ausreichend vor Hitze geschützt ist. Sie kann dann in ihrer Struktur beschädigt werden, was letztendlich zu einem vollständigen Bauteilversagen führt.
Um die Wärmedämmschicht im beschädigten Bereich zu reparieren, wird gemäß eines allgemein im Stand der Technik bekannten Verfahrens zunächst die Wärmedämmschicht vollständig entfernt, d.h. sowohl die Keramikschicht als auch die darunterliegende MCrAlY-Haftvermittlerschicht werden abgetragen. Anschließend müssen im Reparaturbereich zunächst eine neue MCrAlY-Haftvermittlerschicht auf der
Turbinenschaufel und dann auf dieser einen neuen Keramikschicht aufgebracht werden. Dabei ist es jedoch schwierig, beim Auftragen der neuen MCrAlY-Haftvermittler- Schicht sicherzustellen, dass kein MCrAlY auf der noch vorhandenen Keramikschicht außerhalb des Reparaturbereichs abgeschieden wird. So gelangt selbst dann, wenn die Oberfläche der Keramikschicht vor dem Beschichtungsschritt abgedeckt wird, häufig trotzdem MCrAlY auf die senkrecht zur Bauteiloberfläche im Reparaturbereich liegenden Randbereiche der Keramikschicht. Wenn dann die neue Keramikschicht im Reparaturbereich aufgebracht wird, kann sich die neue Keramik nicht mit hinreichender Sicherheit mit der bereits auf dem Bauteil vorhandenen Keramikschicht verbinden. Die
Verbindungsstelle zwischen der alten und der neuen Keramik ist daher geschwächt, was insgesamt zu einem Undefinierten Betriebsverhalten der reparierten Wärmedämmschicht und im schlimmsten Fall zum Abplatzen der Wärmedämmschicht im Reparaturbereich führen kann.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren der eingangs genannten Art so weiter zu entwickeln, dass die neue MCrAlY-Haftvermittlerschicht im Reparaturbereich aufgebracht werden kann, ohne dass dabei Teile der Keramikschicht mit MCrAlY verunreinigt werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Form und Größe des Reparaturbereichs nach der Entfernung der Wärmedämmschicht bestimmt, eine MCrAlY-Folie mit der Form und Größe des Reparaturbereichs hergestellt, die MCrAlY-Folie auf das Bauteil den Reparaturbereich vollständig bedeckend aufgelegt, die MCrAlY-Folie zur Anbindung an das Bauteil einer Wärmebehandlung unterzogen und die dem Bauteil abgewandte Seite der MCrAlY-Folie mit einer Keramik beschichtet wird.
Grundgedanke der Erfindung ist also den Reparaturbereich in Form und Größe zu bestimmen, nachdem die Wärmedämmschicht in diesem entfernt worden ist. Anschließend wird eine MCrAlY- Folie hergestellt, die die Form und Größe des Reparaturbereiches aufweist. Dann wird die MCrAlY-Folie derart auf das Bauteil aufgelegt, dass sie den Reparaturbereich vollständig bedeckt. Um eine Anbindung der MCrAlY-Folie an das Bauteil zu bewirken, wird diese einer Wärmebehandlung unterzogen. Zuletzt wird die dem Bauteil abgewandte Seite der MCrAlY-Folie mit einer Keramik beschichtet.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist insbesondere vorteilhaft, dass eine Verunreinigung der auf dem Bauteil vorhandenen Keramikschicht während des Aufbringens der neuen MCrAlY-Schicht im Reparaturbereich ausgeschlossen ist.
Gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Form und Größe des Reparaturbereichs mit Hilfe optischer Methoden bestimmt wird. Dafür sind besonders fotografische und insbesondere 3-D fotografische Methoden geeignet. Auf diese Weise können einfach, schnell und mit hoher Genauigkeit die benötigten Daten bezüglich Form und Größe des Reparaturbereichs ermittelt werden.
Es ist ebenfalls möglich, die MCrAlY-Folie mit Hilfe eines
Lasers aus einer freistehenden MCrAlY-Folie auf die benötigte Form und Größe zuzuschneiden. MCrAlY-Folien sind in verschiedensten Stärken im Handel erhältlich. Diese können unter Zuhilfenahme eines Lasers schnell und mit höchster Präzision auf die benötigte Größe zugeschnitten werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die MCrAlY-Folie zur Anbindung an das Bauteil einer Wärmebehandlung, insbesondere im Vakuumofen unterzogen wird. Die MCrAlY-Folie kann auch lokal einer Wärmebehandlung durch Induktion unterzogen werden.
Die Keramik kann auf die auf dem Bauteil abgewandte Seite der MCrAlY-Folie aufgespritzt werden. Dabei ist insbesondere ein Auftragen durch atmosphärisches Plasmaspritzen (APS) vorteilhaft . Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Wärmedämmschicht im Reparaturbereich mechanisch, beispielsweise durch Abschleifen, chemisch oder elektrochemisch entfernt wird.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass ein Bereich einer Wärmedämmschicht auf einer Turbinenschaufel repariert wird.
Der Erfindung wird im Folgenden anhand eines
Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt die einzige Figur eine schematische Darstellung einer Turbinenschaufel 1 mit einer Schaufelplattform 2 und einem damit verbundenen Schaufelblatt 3.
Die Turbinenschaufel 1 ist flächig mit einer Wärmedämmschicht 4 versehen, wobei diese aus einer unmittelbar auf der Turbinenschaufel 1 aufgebrachten MCrAlY-Haftvermitt- lerschicht und einer darauf liegenden Keramikschicht besteht. Die Wärmedämmschicht 4 ist auf der Schaufelplattform 2 in einem Reparaturbereich 5 beschädigt.
Um die Wärmedämmschicht 4 gemäß des erfindungsgemäßen Verfahrens zu reparieren, wird in einem ersten Schritt die Wärmedämmschicht 4 im Reparaturbereich 5 vollständig, beispielsweise durch Abschleifen entfernt. Dabei werden sowohl die Keramikschicht als auch die MCrAlY-Haftver- mittlerschicht im Reparaturbereich 5 abgetragen.
Anschließend wird die Form und Größe des Reparaturbereiches 5 exakt bestimmt. Dies kann beispielsweise optisch mit Hilfe einer digitalen Kamera und einer angeschlossenen Datenverarbeitungsanlage zur Auswertung der erhaltenen Kameradaten erfolgen.
In einem weiteren Schritt wird dann eine MCrAlY-Folie 6 hergestellt, die die exakte Form und Größe des Reparaturbereichs 5 aufweist. Dazu kann beispielsweise eine freistehende MCrAlY-Folie, welche dieselbe Dicke wie die MCrAlY-Haftvermittlerschicht aufweist, mit Hilfe eines Lasers zugeschnitten werden. Vorzugsweise wird die Dicke der Folie angepasst.
Die MCrAlY-Folie 6 wird anschließend so auf die Schaufelplattform 2 aufgelegt, dass sie den Reparaturbereich 5 vollständig bedeckt. Dabei wird kein Lot verwendet. Die MCrAlY Folie 6 liegt direkt auf dem Substrat oder auf dem verbliebenen MCrAlY Schichtanteil auf.
Sie 6 wird einer Wärmebehandlung unterzogen, um sie 6 an die Oberfläche der Schaufelplattform 2 durch eine Diffusionsanbindung anzubinden. Dazu kann die gesamte
Turbinenschaufel 1 mit der MCrAlY-Folie 6 im Vakuumofen erhitzt werden.
Alternativ ist es ebenfalls möglich, lediglich die MCrAIy- Folie 6 lokal durch Induktion zu erhitzen. In allen Fällen erfolgt die endgültige und vollständige Anbindung der MCrAlY- Folie 6 während des Betriebs der Turbinenschaufel 1.
Nachfolgend wird die der Schaufelplattform 2 abgewandte Seite der MCrAlY-Folie 6 mit einer Keramik beschichtet. Dazu wird zunächst die noch auf der Schaufelplattform 2 vorhandene Keramikschicht in herkömmlicher Weise abgedeckt und dann eine Keramik, die mit der Keramik der Keramikschicht 6 identisch ist, beispielsweise durch atmosphärisches Plasmaspritzen auf die MCrAlY-Folie 6 aufgebracht. Gegebenenfalls kann anschließend ein Teil der neu aufgebrachten Keramikschicht weggeschliffen werden, so dass diese plan zu der Keramikschicht ist.
Besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist, dass die neue MCrAlY-Schicht im Reparaturbereich 5 aufgebracht werden kann, ohne dass die Gefahr besteht, dass die Keramikschicht verunreinigt wird.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Reparatur eines Bereichs einer
Wärmedämmschicht (4) auf einem Bauteil (1), die aus einer auf dem Bauteil (1) aufgebrachten MCrAlY-Haftvermittler-schicht und einer darauf liegenden Keramikschicht besteht, bei dem die Wärmedämmschicht (4) im Reparaturbereich (5) entfernt wird,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Form und Größe des Reparaturbereichs (5) nach der Entfernung der Wärmedämmschicht (4) exakt bestimmt, eine MCrAlY-Folie (6) mit der exakten Form und Größe des Reparaturbereichs hergestellt, die MCrAlY-Folie (6) auf das Bauteil (1) den Reparaturbereich (5) vollständig bedeckend aufgelegt, die MCrAlY-Folie (6) zur Anbindung an das Bauteil einer Wärmebehandlung unterzogen und die dem Bauteil (1) abgewandte Seite der MCrAlY-Folie (6) mit einer Keramik beschichtet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Form und Größe des Reparaturbereichs (5) mit Hilfe optischer Methoden, besonders fotografisch, insbesondere 3D- fotografisch bestimmt wird.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die MCrAlY-Folie (6) mit Hilfe eines Lasers aus einer freistehenden MCrAlY-Folie auf die Form und Größe zugeschnitten wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die MCrAlY-Folie (6) zur Anbindung an das Bauteil (1) einer Wärmebehandlung insbesondere in einem Vakuumofen unterzogen wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die MCrAlY-Folie (6) zur Anbindung an das Bauteil (1) lokal einer Wärmebehandlung durch Induktion unterzogen wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Keramik auf die dem Bauteil (1) abgewandte Seite der MCrAlY-Folie (6), insbesondere durch atmosphärisches Plasmaspritzen (APS) aufgespritzt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmedämmschicht (4) im Reparaturbereich (5) mechanisch, chemisch oder elektrochemisch entfernt wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Bereich einer Wärmedämmschicht (4) auf einer Turbinenschaufel (1) repariert wird.
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