WO2009127504A1 - Bauteil mit schweissnaht und verfahren zur herstellung einer schweissnaht - Google Patents

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WO2009127504A1
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substrate
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Bernd Burbaum
Selim Mokadem
Norbert Pirch
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Siemens Aktiengesellschaft
Fraunhofer Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
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Definitions

  • the invention relates to a component with a weld and a method for producing a weld.
  • Welding processes are often used to remelt cracks or to apply material. A certain amount of power is used to melt the material.
  • the object is achieved by a component according to claim 1 and a method for producing a weld according to claim 10.
  • Figure 3 4, 5 a weld of a component
  • Figure 6 7 shows a course of a laser power
  • Figure 8 is a gas turbine
  • FIG. 9 perspective view of a turbine blade FIG. 10 in perspective a combustion chamber and FIG. 11 a list of superalloys.
  • FIG. 1 shows a cross section through a substrate 4 of a component 1, 120, 130, 155 (FIGS. 8, 9, 10) with a weld seam 10 'according to the prior art.
  • the substrate 4 has a weld 10 ', which is given by a length 1 and a thickness d.
  • the length 1 is the longest extent of the weld 10, 10 '.
  • FIG. 2 shows a cross section along the length 1 of the welding seam 10 'from FIG. 1.
  • the weld 10 ' is rectangular in this cross section.
  • FIG. 3 shows a weld seam 10 according to the invention.
  • the substrate 4 has in particular for components 1, 120, 130,
  • the substrate 4 of the component 1, 120, 130 has a directionally solidified structure, ie a monocrystalline structure (SX) or has columnar grains (DS).
  • the thickness of the weld 10 tapers at the end 53 of the weld 10 at the end 53 of the weld 10 runs
  • Weld 10 thus in the form of a ramp 44, which is preferably formed bent, wherein the weld 10 also has a directionally solidified structure (DS, SX), in particular without misalignments.
  • the orientation of the directionally solidified structure (DS, SX) of the weld seam 10 is preferably the same as that of the directionally solidified structure (DS, SX) of the substrate 4.
  • the weld 10 preferably has the same material as the substrate 4. This is the case with laser remelting. When material has been added for the weld 10, the material of the weld 10 may be different.
  • the ramp 44 has in the direction of the length 1 a length .DELTA.X, which is significantly smaller than the total length 1 of the weld 10: .DELTA.X ⁇ 1, in particular .DELTA.X / 1 ⁇ 33%, in particular ⁇ 25%.
  • ⁇ X 3mm-7mm, especially 5mm. This is preferably independent of the length 1 of the weld 10.
  • the ramp 44 can extend to the surface 59 (FIGS. 3, 4) or remain below (FIG. 5) of the surface 59, so that a depth d '(d' ⁇ d) with vertical course to the surface 59 remains ,
  • the embodiments for the ramp 44 apply accordingly to the ramp 44 '.
  • the ramp-shaped course 44, 44 'of the weld 10 at the end 53, 56 of the weld 10 is achieved by reducing the power P of the welding device from a distance ⁇ X before the end 53 of the weld 10 or over a length ⁇ X and also a ramp-shaped Course 62 has (Fig. 6, 7).
  • the value for ⁇ X is 5mm.
  • the power P at the end 53 of the weld 10 is reduced to zero ( Figure 7).
  • the distance .DELTA.X corresponds to a certain time of a travel time of substrate 4 and welding device to each other, which is preferably between 4s and 8s, most preferably 6s.
  • the power of the welder or laser is linearly reduced (or linearly increased initially).
  • Laser power and travel speed are adjusted so that the size (depth) of the melt is continuously reduced, but so that the melt front is maintained, albeit at a reduced melt rate.
  • the power P of the welding device is raised by OW.
  • the laser power and the other parameters are adjusted so that a directionally solidified structure (SX, DS) is achieved in the weld 10, which preferably has the same structure (SX, DS) as the substrate.
  • a preheating temperature of the substrate 4 is preferably from 400 0 C to 600 0 C, most preferably 500 0 C, which is preferably controlled during the process.
  • the power of the laser is preferably 400W to 600W, most preferably 500W, the diameter of the laser beam being preferably 4mm.
  • the travel speed is preferably 40 mm / min - 60 mm / min, in particular 50 mm / min.
  • FIG. 8 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 with a shaft, which is also referred to as a turbine runner.
  • a compressor 105 for example, a torus-like
  • Combustion chamber 110 in particular annular combustion chamber, with a plurality of coaxially arranged burners 107, a turbine 108 and the exhaust housing 109.
  • the annular combustion chamber 110 communicates with an example annular hot gas channel 111.
  • 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.
  • 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 supplied 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 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 flow direction of the working medium 113, are subjected to the greatest thermal stress in addition to the heat shield elements lining the annular combustion chamber 110.
  • substrates of the components may have a directional structure, i. they are monocrystalline (SX structure) or have only longitudinal grains (DS structure).
  • SX structure monocrystalline
  • DS structure longitudinal grains
  • iron-, nickel- or cobalt-based superalloys are used as the material for the components, in particular for the turbine blade 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 documents are part of the disclosure regarding the chemical composition of the alloys.
  • 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. 9 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 adjacent thereto and an airfoil 406 and a blade tip 415.
  • 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 leading edge 409 and a trailing edge 412 for a medium flowing past the airfoil 406.
  • 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 documents are part of the disclosure regarding the chemical composition of the alloy.
  • the blade 120, 130 can hereby be manufactured by a casting process, also by directional solidification, by a forging process, by a milling process or combinations thereof.
  • Workpieces with a monocrystalline structure or structures are used as components for machines which are exposed to high mechanical, thermal and / or chemical stresses during operation.
  • Such monocrystalline workpieces for example, by directed solidification from the melt. These are casting processes in which the liquid metallic alloy to monocrystalline structure, ie the single-crystal workpiece, or directionally solidified.
  • dendritic crystals are aligned along the heat flow and form either a columnar grain structure (columnar, ie grains that run the entire length of the workpiece and here, in common parlance, referred to as directionally solidified) or a monocrystalline structure, ie the whole Workpiece consists of a single crystal.
  • Structures are also known as directionally rigidified structures
  • the blades 120, 130 may have coatings against corrosion or oxidation, e.g. M is at least one element 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 ones Earth, or hafnium (Hf)).
  • M is at least one element 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 ones Earth, or hafnium (Hf)).
  • Such alloys are known from EP 0 486 489 B1, EP 0 786 017 B1, EP 0 412 397 B1 or EP 1 306 454 A1, which should be part of this disclosure with regard to the chemical composition of the alloy.
  • the density is preferably 95% of the theoretical density.
  • the layer composition comprises Co-30Ni-28Cr-8A1-0, 6Y-0, 7Si or Co-28Ni-24Cr-10Al-0, 6Y.
  • nickel-based protective layers such as Ni-10Cr-12Al-0.6Y-3Re or Ni-12Co-21Cr-IIAl-O, 4Y-2Re or Ni-25Co-17Cr-10Al-0.4Y-1 are also preferably used , 5RE.
  • thermal barrier coating which is preferably the outermost layer, and consists for example of Zr ⁇ 2, Y2Ü3-Zr ⁇ 2, i. it is not, partially or completely stabilized by yttrium oxide and / or calcium oxide and / or magnesium oxide.
  • the thermal barrier coating covers the entire MCrAlX layer.
  • suitable coating methods e.g. Electron beam evaporation (EB-PVD) produces stalk-shaped grains in the thermal barrier coating.
  • the thermal barrier coating may have porous, micro- or macro-cracked grains for better thermal shock resistance.
  • the thermal barrier coating is therefore preferably more porous than the MCrAlX layer.
  • 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. 10 shows a combustion chamber 110 of the gas turbine 100.
  • the combustion chamber 110 is designed, for example, as a so-called annular combustion chamber, in which a multiplicity of burners 107 arranged in the circumferential direction about an axis of rotation 102 open into a common combustion chamber space 154, create the flames 156.
  • 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 with an inner lining formed of heat shield elements 155.
  • the heat shield elements 155 are then, for example, hollow and possibly still have cooling holes (not shown) which open into the combustion chamber space 154.
  • Each heat shield element 155 made of an alloy is equipped on the working fluid side with a particularly heat-resistant protective layer (MCrAlX layer and / or ceramic coating) or is made of high-temperature-resistant material (solid ceramic blocks).
  • M is at least one element 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 (Hf).
  • MCrAlX means: M is at least one element 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 (Hf).
  • Such alloys are known from EP 0 486 489 B1, EP 0 786 017 B1, EP 0 412 397 B1 or EP 1 306 454 A1, which should be part of this disclosure with regard to the chemical composition of the alloy.
  • a ceramic thermal barrier coating may be present and consists for example of ZrC> 2, Y2Ü3-ZrO2, ie it is not, partially or completely stabilized by yttrium oxide and / or calcium oxide and / or magnesium oxide.
  • Electron beam evaporation produces stalk-shaped grains in the thermal barrier coating.
  • thermal barrier coating may have porous, micro- or macro-cracked grains for better thermal shock resistance.
  • Refurbishment means that turbine blades 120, 130, heat shield elements 155 may need to be deprotected (e.g., by sandblasting) after use. This is followed by removal of the corrosion and / or oxidation layers or products.
  • cracks in the turbine blade 120, 130 or the heat shield element 155 are also repaired. This is followed by a re-coating of the turbine blades 120, 130, heat shield elements 155 and a renewed use of the turbine blades 120, 130 or the heat shield elements 155.

Abstract

Beim Schweißen treten oft Risse am Ende der Schweißnaht auf. Beim erfindungsgemäßen Verfahren, bei dem die Leistung am Ende (53) der Schweißnaht (10) reduziert wird, wird die Entstehung von Rissen reduziert.

Description

Bauteil mit Schweißnaht und Verfahren zur Herstellung einer
Schweißnaht
Die Erfindung betrifft ein Bauteil mit einer Schweißnaht und ein Verfahren zur Herstellung einer Schweißnaht.
Schweißverfahren werden oft eingesetzt, um Risse umzuschmel- zen oder um Material aufzutragen. Dabei wird eine bestimmte Leistung verwendet, um das Material aufzuschmelzen .
Dabei kann es jedoch immer wieder zu Rissen im Bereich des Endes der Schweißnaht und dem Substrat des Bauteils kommen.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung die Entstehung von Rissen zu vermeiden.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Bauteil gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren zur Herstellung einer Schweißnaht gemäß Anspruch 10.
In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Maßnahmen aufgelistet, die beliebig miteinander kombiniert werden können, um weitere Vorteile zu erzielen.
Es zeigen:
Figur 1, 2 eine Schweißnaht nach dem Stand der Technik,
Figur 3, 4, 5 eine Schweißnaht eines Bauteils, Figur 6, 7 einen Verlauf einer Laserleistung P Figur 8 eine Gasturbine
Figur 9 perspektivisch eine Turbinenschaufel Figur 10 perspektivisch eine Brennkammer und Figur 11 eine Liste von Superlegierungen .
Die Figuren und die Beschreibung stellen nur Ausführungsbeispiele der Erfindung dar. In Figur 1 ist ein Querschnitt durch ein Substrat 4 eines Bauteils 1, 120, 130, 155 (Fig. 8, 9, 10) mit einer Schweißnaht 10' nach dem Stand der Technik gezeigt.
Das Substrat 4 weist eine Schweißnaht 10' auf, die durch eine Länge 1 und eine Dicke d gegeben ist. Die Länge 1 ist die längste Ausdehnung der Schweißnaht 10, 10'.
Figur 2 zeigt einen Querschnitt längs der Länge 1 der Schweiß- naht 10' aus Figur 1.
Die Schweißnaht 10' ist in diesem Querschnitt rechteckförmig.
Insbesondere in dem Bereich am Ende 53 der Schweißnaht 10 und dem ungeschweißten Bereich des Substrats 4 kommt es oft zu
Rissen .
Figur 3 zeigt eine erfindungsgemäße Schweißnaht 10.
Das Substrat 4 weist insbesondere bei Bauteilen 1, 120, 130,
155 für Gasturbinen 100 (Fig. 8) oder Dampfturbinen eine Superlegierung gemäß Figur 11 auf.
Das Substrat 4 des Bauteils 1, 120, 130 weist eine gerichtet erstarrte Struktur auf, also eine einkristalline Struktur (SX) oder weist kolumnare Körner (DS) auf. Die Dicke der Schweißnaht 10 verjüngt sich am Ende 53 der Schweißnaht 10. Am Ende 53 der Schweißnaht 10 verläuft die
Schweißnaht 10 also in Form einer Rampe 44, die vorzugsweise gebogen ausgebildet ist, wobei die Schweißnaht 10 ebenfalls eine gerichtet erstarrte Struktur (DS, SX) aufweist, insbesondere ohne Fehlorientierungen. Dabei ist die Orientierung der gerichtet erstarrten Struktur (DS, SX) der Schweißnaht 10 vorzugsweise dieselbe wie die der gerichtet erstarrten Struktur (DS, SX) des Substrats 4.
Die Schweißnaht 10 weist vorzugsweise dasselbe Material wie das Substrat 4 auf. Dies ist beim Laserumschmelzen der Fall. Wenn Material für die Schweißnaht 10 hinzugefügt wurde, kann das Material der Schweißnaht 10 verschieden sein. Die Rampe 44 weist in Richtung der Länge 1 eine Länge ΔX auf, die deutlich kleiner ist, als die Gesamtlänge 1 der Schweißnaht 10: ΔX < 1, insbesondere ΔX/1 ≤ 33%, ganz insbesondere ≤ 25%. Vorzugsweise beträgt ΔX = 3mm - 7mm, insbesondere 5mm. Dies ist vorzugsweise unabhängig von der Länge 1 der Schweißnaht 10.
Die Rampe 44 kann bis zur Oberfläche 59 verlaufen (Fig. 3, 4) oder unterhalb (Fig. 5) der Oberfläche 59 verbleiben, so dass eine Tiefe d' (d' < d) mit senkrechten Verlauf zur Oberfläche 59 vorhanden ist, verbleibt.
Ebenso kann am Anfang 56 der Schweißnaht 10 eine Rampe 44' erzeugt werden (Fig. 4, 5) . Die Ausführungen für die Rampe 44 gelten entsprechend für die Rampe 44' .
Der rampenförmige Verlauf 44, 44' der Schweißnaht 10 am Ende 53, 56 der Schweißnaht 10 wird dadurch erreicht, dass die Leistung P des Schweißgeräts ab einem Abstand ΔX vor dem Ende 53 der Schweißnaht 10 oder über eine Länge ΔX reduziert wird und ebenfalls einen rampenförmigen Verlauf 62 aufweist (Fig. 6, 7) . Vorzugsweise liegt der Wert für ΔX bei 5mm.
Während der Reduzierung der Laserleistung - vorzugsweise erläutert für ein Schweißgerät - findet weiterhin eine
Relativbewegung zwischen Substrat 4 und Schweißgerät oder
Laser statt.
Die Schmelzfront bleibt also weiter in Vorwärtsbewegung obwohl die Schmelztiefe kontinuierlich reduziert wird. So können die gewünschten Erstarrungsbedingungen (SX, DS) bis zum Ende 53, 56 der Schweißnaht 10 aufrecht erhalten, mit dem
Ergebnis einem von Fehlstellen freien Ende 53, 56 der
Schweißnaht 10. Die Verfahrgeschwindigkeit
(Relativgeschwindigkeit) bei der Erzeugung der Rampe 44, 44' bleibt vorzugsweise konstant. Vorzugsweise wird die Leistung P am Ende 53 der Schweißnaht 10 auf null reduziert (Fig. 7) . Dabei entspricht der Abstand ΔX einer bestimmten Zeit einer Verfahrzeit von Substrat 4 und Schweißgerät zueinander, die vorzugsweise zwischen 4s und 8s, ganz vorzugsweise 6s beträgt. Vorzugsweise wird die Leistung des Schweißgeräts oder des Lasers linear reduziert (bzw. am Anfang linear erhöht) .
Laserleistung und Verfahrgeschwindigkeit werden so einge- stellt, dass die Größe (Tiefe) der Schmelze kontinuierlich reduziert wird, aber so dass die Schmelzfront erhalten bleibt, wenn auch mit einer reduzierten Schmelzrate.
Für die Rampe 44' am Anfang der Schweißnaht 10 gilt vorzugs- weise entsprechend, dass die Leistung P des Schweißgeräts von OW hochgefahren wird.
Die Laserleistung und die anderen Parameter werden so eingestellt, dass eine gerichtet erstarrte Struktur (SX, DS) in der Schweißnaht 10 erzielt wird, die vorzugsweise die gleiche Struktur (SX, DS) wie das Substrat aufweist.
Somit werden die Anzahl der Risse am Ende 53, 56 der Schweißnaht 10 deutlich reduziert oder vermieden.
Eine Vorheiztemperatur des Substrats 4 beträgt vorzugsweise 4000C bis 6000C, ganz vorzugsweise 5000C, die vorzugsweise während des Verfahrens kontrolliert wird. Die Leistung des Lasers beträgt vorzugsweise 400W bis 600W, ganz vorzugsweise 500W, wobei der Durchmesser des Laserstrahls vorzugsweise 4mm beträgt.
Die Verfahrgeschwindigkeit beträgt vorzugsweise 40mm/min - 60mm/min, insbesondere 50mm/min.
Die Figur 8 zeigt beispielhaft eine Gasturbine 100 in einem Längsteilschnitt . Die Gasturbine 100 weist im Inneren einen um eine Rotationsachse 102 drehgelagerten Rotor 103 mit einer Welle 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, mit mehreren koaxial angeordneten Brennern 107, eine Turbine 108 und das Abgasgehäuse 109. Die Ringbrennkammer 110 kommuniziert mit einem beispielsweise ringförmigen Heißgaskanal 111. Dort bilden beispielsweise vier hintereinander geschaltete 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 geführt 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 entspannt 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 unterliegen 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 110 auskleidenden Hitzeschildelementen am meisten thermisch belastet .
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 Turbinenschaufel 120, 130 und Bauteile der Brennkammer 110 werden beispielsweise eisen-, nickel- oder kobaltbasierte Super- legierungen 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 bzgl. der chemischen Zusammensetzung der Legierungen Teil der Offenbarung.
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 .
Die Figur 9 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 und eine Schaufelspitze 415 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 ausgestaltet. Andere Ausgestaltungen als Tannenbaum- oder Schwalbenschwanzfuß sind möglich. Die Schaufel 120, 130 weist für ein Medium, das an dem Schaufelblatt 406 vorbeiströmt, eine Anströmkante 409 und eine Abströmkante 412 auf.
Bei herkömmlichen Schaufeln 120, 130 werden in allen Berei- chen 400, 403, 406 der Schaufel 120, 130 beispielsweise massive metallische Werkstoffe, insbesondere Superlegierungen 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 bzgl. der chemischen Zusammensetzung der Legierung Teil der Offenbarung. Die Schaufel 120, 130 kann hierbei durch ein Gussverfahren, auch mittels gerichteter Erstarrung, durch ein Schmiedeverfahren, durch ein Fräsverfahren oder Kombinationen daraus ge- fertigt sein.
Werkstücke mit einkristalliner Struktur oder Strukturen werden als Bauteile für Maschinen eingesetzt, die im Betrieb hohen mechanischen, thermischen und/oder chemischen Belastun- gen ausgesetzt sind.
Die Fertigung von derartigen einkristallinen Werkstücken erfolgt z.B. durch gerichtetes Erstarren aus der Schmelze. Es handelt sich dabei um Gießverfahren, bei denen die flüssige metallische Legierung zur einkristallinen Struktur, d.h. zum einkristallinen Werkstück, oder gerichtet erstarrt. Dabei werden dendritische Kristalle entlang dem Wärmefluss ausgerichtet und bilden entweder eine stängelkristalline Kornstruktur (kolumnar, d.h. Körner, die über die ganze Länge des Werkstückes verlaufen und hier, dem allgemeinen Sprachgebrauch nach, als gerichtet erstarrt bezeichnet werden) oder eine einkristalline Struktur, d.h. das ganze Werkstück besteht aus einem einzigen Kristall. In diesen Verfahren muss man den Übergang zur globulitischen (polykristallinen) 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 bzgl. des Erstar- rungsverfahrens Teil der Offenbarung.
Ebenso können die Schaufeln 120, 130 Beschichtungen gegen Korrosion oder Oxidation aufweisen, z. B. (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 bzgl. der chemischen Zusammenset- zung der Legierung Teil dieser Offenbarung sein sollen. Die Dichte liegt vorzugsweise bei 95% der theoretischen Dichte . Auf der MCrAlX-Schicht (als Zwischenschicht oder als äußerste Schicht) bildet sich eine schützende Aluminiumoxidschicht (TGO = thermal grown oxide layer) .
Vorzugsweise weist die Schichtzusammensetzung Co-30Ni-28Cr- 8A1-0, 6Y-0, 7Si oder Co-28Ni-24Cr-10Al-0, 6Y auf. Neben diesen kobaltbasierten Schutzbeschichtungen werden auch vorzugsweise nickelbasierte Schutzschichten verwendet wie Ni-10Cr-12Al- 0,6Y-3Re oder Ni-12Co-21Cr-llAl-0, 4Y-2Re oder Ni-25Co-17Cr- 10Al-0,4Y-l,5Re.
Auf der MCrAlX kann noch eine Wärmedämmschicht vorhanden sein, die vorzugsweise die äußerste Schicht ist, und besteht beispielsweise aus Zrθ2, Y2Ü3-Zrθ2, d.h. sie ist nicht, teil- weise oder vollständig stabilisiert durch Yttriumoxid und/oder Kalziumoxid und/oder Magnesiumoxid. Die Wärmedämmschicht bedeckt die gesamte MCrAlX-Schicht . Durch geeignete Beschichtungsverfahren wie z.B. Elektronen- strahlverdampfen (EB-PVD) werden stängelförmige Körner in der Wärmedämmschicht erzeugt.
Andere Beschichtungsverfahren sind denkbar, z.B. atmosphärisches Plasmaspritzen (APS), LPPS, VPS oder CVD. Die Wärmedämmschicht kann poröse, mikro- oder makrorissbehaftete Körner zur besseren Thermoschockbeständigkeit aufweisen. Die Wärmedämmschicht ist also vorzugsweise poröser als die MCrAlX-Schicht.
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 10 zeigt eine Brennkammer 110 der Gasturbine 100. Die Brennkammer 110 ist beispielsweise als so genannte Ringbrennkammer ausgestaltet, bei der eine Vielzahl von in Um- fangsrichtung um eine Rotationsachse 102 herum angeordneten Brennern 107 in einen gemeinsamen Brennkammerraum 154 münden, die Flammen 156 erzeugen. 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 ermög- liehen, ist die Brennkammerwand 153 auf ihrer dem Arbeitsmedium M zugewandten Seite mit einer aus Hitzeschildelementen 155 gebildeten Innenauskleidung versehen.
Aufgrund der hohen Temperaturen im Inneren der Brennkammer 110 kann zudem für die Hitzeschildelemente 155 bzw. für deren Halteelemente ein Kühlsystem vorgesehen sein. Die Hitzeschildelemente 155 sind dann beispielsweise hohl und weisen ggf. noch in den Brennkammerraum 154 mündende Kühllöcher (nicht dargestellt) auf.
Jedes Hitzeschildelement 155 aus einer Legierung ist arbeits- mediumsseitig mit einer besonders hitzebeständigen Schutzschicht (MCrAlX-Schicht und/oder keramische Beschichtung) ausgestattet oder ist aus hochtemperaturbeständigem Material (massive keramische Steine) gefertigt.
Diese Schutzschichten können ähnlich der Turbinenschaufeln sein, also bedeutet beispielsweise 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 bzgl. der chemischen Zusammensetzung der Legierung Teil dieser Offenbarung sein sollen.
Auf der MCrAlX kann noch eine beispielsweise keramische Wärmedämmschicht vorhanden sein und besteht beispielsweise aus ZrC>2, Y2Ü3-Zrθ2, d.h. sie ist nicht, teilweise oder vollsten- dig 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.
Andere Beschichtungsverfahren sind denkbar, z.B. atmosphärisches Plasmaspritzen (APS), LPPS, VPS oder CVD. Die Wärmedämmschicht kann poröse, mikro- oder makrorissbehaftete Körner zur besseren Thermoschockbeständigkeit aufweisen.
Wiederaufarbeitung (Refurbishment) bedeutet, dass Turbinenschaufeln 120, 130, Hitzeschildelemente 155 nach ihrem Einsatz gegebenenfalls von Schutzschichten befreit werden müssen (z.B. durch Sandstrahlen) . Danach erfolgt eine Entfernung der Korrosions- und/oder Oxidationsschichten bzw. -produkte.
Gegebenenfalls werden auch noch Risse in der Turbinenschaufel 120, 130 oder dem Hitzeschildelement 155 repariert. Danach erfolgt eine Wiederbeschichtung der Turbinenschaufeln 120, 130, Hitzeschildelemente 155 und ein erneuter Einsatz der Turbinenschaufeln 120, 130 oder der Hitzeschildelemente 155.

Claims

Patentansprüche
1. Bauteil (1, 120, 130, 155), das im Substrat (4) eine gerichtet erstarrte Struktur (DS,
SX) aufweist, mit einer Schweißnaht (10), die (10) an einem ihrer Ende (53, 56) zumindest teilweise in Form einer Rampe (44, 44') verläuft, insbesondere vollständig in Form einer Rampe (44, 44') verläuft, und die (10) ebenfalls eine gerichtet erstarrte Struktur
(DS, SX) aufweist, insbesondere dieselbe gerichtet erstarrte Struktur wie im Substrat (4) , ganz insbesondere ohne Fehlorientierungen.
2. Bauteil nach Anspruch 1, bei dem die Schweißnaht (10) an beiden Enden (53, 56) in Form einer Rampe (44, 44') verläuft.
3. Bauteil nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Schweißnaht (10) eine Länge (1) aufweist bei dem die Rampe (44, 44') in Richtung der Länge (1) der Schweißnaht (10) eine Rampenlänge (ΔX) aufweist, wobei die Rampenlänge (ΔX) deutlich kleiner ist als die Länge (1) der Schweißnaht (10), insbesondere ΔX/1 < 33%, ganz insbesondere ΔX/1 ≤ 25%.
4. Bauteil nach Anspruch 1, 2 oder 3, bei dem die Schweißnaht (10) eine Tiefe (d) aufweist und bei dem der rampenförmige Verlauf (44, 44') auf Höhe der Tiefe (d) der Schweißnaht (10) beginnt.
5. Bauteil nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, bei dem der rampenförmige Verlauf (44, 44') sich nicht bis zur Oberfläche (59) des Bauteils (4, 120, 130, 155) erstreckt .
6. Bauteil nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, bei dem der rampenförmige Verlauf (44, 44') sich bis zur
Oberfläche (59) des Bauteils (4, 120, 130, 155) erstreckt.
7. Bauteil nach Anspruch 3, 4, 5 oder 6, bei dem ΔX = 3mm - 7mm, insbesondere 5mm beträgt.
8. Bauteil nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5, 6 oder 7, bei dem die Schweißnaht (10) dasselbe Material aufweist wie das Substrat (4) .
9. Bauteil nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 oder 8, bei dem die Rampe (44, 44') der Schweißnaht (10) einen gebogenen Verlauf aufweist.
10. Verfahren zum Erzeugen einer Schweißnaht (10) mit einer Länge (1) in einem Bauteil (4, 120, 130, 155), insbesondere zur Erzeugung eines Bauteils (1, 120, 130, 155) nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 oder 9, mittels eines Schweißgeräts, bei dem die Leistung (P) des Schweißgeräts über eine be- stimmte Länge ΔX, mit ΔX < 1 am Ende (53, 56) der Schweißnaht (10) reduziert wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem ein Laser als Schweißgerät verwendet wird.
12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, bei dem die Leistung (P) des Schweißgeräts an einem Ende (53, 56) der Schweißnaht (10) auf null Watt reduziert wird.
13. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, bei dem die Leistung (P) des Schweißgeräts am Ende (53, 56] der Schweißnaht (10) nicht auf null Watt reduziert wird.
14. Verfahren nach Anspruch 10, 11, 12 oder 13, bei dem die Leistung (P) des Schweißgeräts am Ende (53, 56] der Schweißnaht (10) innerhalb von 4s bis 8s, insbesondere innerhalb von 6s, reduziert, insbesondere auf null Watt, reduziert wird.
15. Verfahren nach Anspruch 10, 11, 12, 13 oder 14, bei dem eine Vorheiztemperatur des Substrats (4) kontrolliert und/oder geregelt wird.
16. Verfahren nach Anspruch 10, 11, 12, 13, 14 oder 15, bei dem eine Verfahrgeschwindigkeit bei der Rampenbildung 40mm/min - 60mm/min, insbesondere 50mm/min beträgt.
17. Verfahren nach Anspruch 10, 11, 12, 13, 14, 15 oder 16, bei dem die Leistung (P) des Schweißgeräts über eine bestimmte Länge ΔX, mit ΔX < 1 am Anfang (53, 56) der Schweißnaht (10) erhöht wird.
18. Verfahren nach Anspruch 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16 oder
17, bei dem die Leistung (P) des Schweißgeräts bei der
Erzeugung der Rampe (44, 44') linear erhöht oder erniedrigt wird.
19. Verfahren nach Anspruch 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17 oder 18, bei dem das Substrat (4) des Bauteils (1, 120, 130, 155) eine gerichtet erstarrte Struktur (SX, DS) aufweist.
20. Verfahren nach Anspruch 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18 oder 19, bei dem die Schweißnaht (10) mit einer gerichtet erstarrten Struktur (SX, DS) erzeugt wird.
21. Verfahren nach Anspruch 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19 oder 20, bei dem eine Schmelzfront, die durch das Schweißgerät erzeugt wird, bis zum Ende (53, 56) der Schweißnaht (10) oder bis zu Ausschalten des Schweißgeräts weiter in Vorwärtsbewegung bleibt.
22. Verfahren nach Anspruch 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20 oder 21, bei dem die Relativbewegung zwischen Substrat (4) und Schweißgerät bis zum Ausschalten des Schweißgeräts erhalten bleibt, die insbesondere konstant ist.
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