WO2011103860A1 - Verfahren zur beschichtung oder reparatur eines bauteils mittels eines thermischen spritzverfahrens und abdeckbeschichtung - Google Patents

Verfahren zur beschichtung oder reparatur eines bauteils mittels eines thermischen spritzverfahrens und abdeckbeschichtung Download PDF

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    • C23C4/18—After-treatment

Definitions

  • the invention relates to a method for producing or repairing a component for a gas turbine, in particular for an aircraft gas turbine, according to the preamble of patent claim 1 and a cover coating for a component of a gas turbine according to the preamble of patent claim 12.
  • the kinetic cold spraying method has proven particularly advantageous as a layer-building method in which a powdered material or a powdery mixture of different materials is applied at very high speed to a component, for example an airfoil.
  • the powder particles are injected into a gas jet of heated carrier gas, wherein the gas jet is accelerated by expansion in a mostly laval-like design Kaltgasspritzdüse.
  • the spray particles are accelerated by injection into the gas jet to such a high speed that, in contrast to other thermal spraying methods, they form a dense and firmly adhering layer or a shaped body upon impact with the substrate even without prior melting or melting.
  • Such a cold gas spraying process allows the formation of a high-strength, non-porous component or a corresponding component repair.
  • plastic tapes so-called tapes
  • the component partially enclosing silicone rings or steel masks, in particular made of sheet steel.
  • a disadvantage of these solutions is that plastic bands and silicone rings are not particularly suitable for kinetic cold spraying because of their low strength, since the particles impinge on the component with very high kinetic energy and destroy the covers.
  • Steel masks must be made in approximation to the component contour to be covered, so that they are expensive manufacturing technology. Because of the inherent rigidity complete coverage with
  • CONFIRMATION COPY Steel masking is practically impossible, it may also come to a coating unwanted component areas.
  • a cover coating In a method according to the invention for producing or repairing a component, in particular a gas turbine component, by means of a thermal spraying method, wherein the component has at least one area to be covered or masked, a cover coating, a so-called masking, is applied to the area of the component to be covered. Subsequently, at least one sprayed layer is applied to the component.
  • application of the cover coating is also understood to mean segmental embedding of the component. After completion of the spray coating, the cover coating is removed from the component.
  • the covering coating according to the invention can be applied easily and inexpensively in terms of manufacturing technology. A coating of unwanted component areas is practically impossible.
  • a cold spraying method (cold spray method) is used as the thermal spraying method.
  • a cold gas spraying method makes it possible to form a firmly adhering, high-strength layer.
  • sand preferably quartz sand
  • a covering layer of sand provided with a binder has a high abrasion resistance compared to conventional plastic tapes or silicone rings, so that the masking is particularly suitable for kinetic cold spraying methods, since these have a particle beam with very high kinetic energy.
  • the binder used is preferably an adhesive and / or cement, preferably Portland cement. Portland cement is produced, among other things, from the raw materials limestone, clay, sand and iron ore.
  • the binder may contain adhesive, in particular a permanently elastic adhesive. Due to the high abrasion resistance, such masking is also suitable for kinetic spraying processes and is particularly cost-effective.
  • the cover coating can also be made of cement, preferably Portland cement, without additives. Due to the high strength of cement, such masking is also suitable for kinetic spray processes.
  • a clay-bonded molding material and / or a ceramic is applied as a cover coating on the area to be covered. Tone-bonded moldings and ceramics are particularly suitable for masking due to their high abrasion resistance and surface hardness.
  • the curing of the cover coatings is preferably carried out in the air, if necessary thermally assisted by the action of heat.
  • liquid water glass for example liquid potassium and / or sodium silicate
  • glass of water is understood as meaning, in particular, glassy, that is to say amorphous, water-soluble sodium and potassium silicates or their aqueous solutions. Due to its high abrasion resistance, such masking is also suitable for kinetic
  • the cover coating of water glass is preferably cured in reaction with existing in the ambient air and / or zumarinter carbonation.
  • the covering coating can be applied at least in sections to a running or stator blade, preferably in the region of a blade root and / or a blade blade, and allows a layer application to the remaining areas.
  • a cover of shrouds is also advantageously possible.
  • the cover coating can be removed after the spray-coating of the component with destruction of the covering layer. The removal of the cover layer can be done mechanically, for example. Alternatively or additionally, the coating is dissolved depending on the type of binder with the addition of a liquid.
  • the coating material can be prepared and further utilized or used.
  • a covering coating according to the invention for a component of a gas turbine, in particular an aircraft gas turbine, in the production or repair by means of a thermal spraying method uses at least one of the components sand with a binder, cement, clay-bonded molding material, ceramic and / or water glass.
  • Figure 1 is a perspective view of a blade of an aircraft gas turbine with a covering layer according to the invention.
  • Figure 2 is a sectional view of the blade of Figure 1 along the section line A-A.
  • FIG. 1 shows a rotor blade 1 of a gas turbine designed as an aircraft gas turbine 2.
  • the rotor blade 1 has a blade root 4, a blade platform 6 and an aerodynamically optimized blade 8.
  • the blade root 4 is provided in the illustrated embodiment with a Christmas tree structure, by means of which a secure connection of the blade 1 is achieved with a disc, not shown.
  • FIG. 2 which shows a sectional view of the blade along the line AA from FIG. 1, in a method according to the invention for producing or repairing the blade 1 by means of a thermal spraying method
  • a so-called masking provided to be covered or masked area 10 with a cover coating 12, a so-called masking provided.
  • the blade root 4 is completely provided with a cover coating 12 made of a cement-quartz sand mixture.
  • the grain of the sand is chosen here according to the layer to be produced.
  • a cover coating 12 made of cement-provided sand has a high abrasion resistance compared to conventional plastic tapes or silicone rings, so that the masking is particularly suitable for kinetic cold spraying, since they produce a particle beam with very high kinetic energy.
  • the application of the cover coating 12 can be done by spraying, dipping or brushing.
  • the curing of the cover coating 12 is preferably carried out in the air, if necessary thermally assisted by the action of heat.
  • the covering coating 12 according to the invention can be applied simply and inexpensively in terms of manufacturing technology. A coating of unwanted component areas is practically impossible.
  • At least one spray coat (not shown) is sprayed onto the unmasked blade areas by means of a cold gas injection process, i. on the blade 8, applied.
  • a cold gas spraying process makes it possible to form a firmly adhering, high-strength layer.
  • the cover coating 12 is removed from the blade root 4.
  • the cover coating 12 may be removed to mechanically destroy the cover layer, with the removed cover material subsequently being supplied to a reconditioning process.
  • a method for producing or repairing a component 1, in particular a gas turbine component, by means of a thermal spraying method, the component 1 having at least one region 10 to be covered comprising the steps of: a) applying a cover coating 12 to the region 10 of the component 1 to be covered ; b) applying at least one sprayed layer to the component 1 and c) removing the cover coating 12 from the component 1.
  • cover coating for a component 1 of a gas turbine 2 in the manufacture or repair by means of a thermal spraying process.

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Abstract

Offenbart ist ein Verfahren zur Herstellung oder Reparatur eines Bauteils (1), insbesondere eines Gasturbinenbauteils, mittels eines thermischen Spritzverfahrens, wobei das Bauteil (1) zumindest einen abzudeckenden Bereich (10) aufweist, mit den Schritten: a) Aufbringen einer Abdeckbeschichtung (12) auf den abzudeckenden Bereich (10) des Bauteils (1); b) Aufbringen zumindest einer Spritzschicht auf das Bauteil (1) und c) Entfernen der Abdeckbeschichtung (12) von dem Bauteil (1). Weiterhin offenbart ist eine Abdeckbeschichtung für ein Bauteil (1) einer Gasturbine (2) bei der Herstellung oder Reparatur mittels eines thermischen Spritzverfahrens.

Description

Beschreibung
VERFAHREN ZUR BESCHICHTUNG ODER REPARATUR EINES BAUTEILS MITTELS EINES THERMISCHEN SPRITZVERFAHRENS UND ABDECKBESCHICHTUNG
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung oder Reparatur eines Bauteils für eine Gasturbine, insbesondere für eine Fluggasturbine, nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und eine Abdeckbeschichtung für ein Bauteil einer Gasturbine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 12.
Bei der Herstellung und Reparatur von Bauteilen einer Gasturbine, insbesondere einer Fluggasturbine, werden vielfach thermische Spritzverfahren eingesetzt. Als besonders vorteilhaft hat sich hierbei das kinetische Kaltgasspritzverfahren (Cold Spray- Verfahren) als schichtaufbauendes Verfahren erwiesen, bei dem ein pulverförmiger Werkstoff oder eine pulverförmige Mischung von unterschiedlichen Werkstoffen mit sehr hoher Geschwindigkeit auf ein Bauteil, beispielsweise auf ein Schaufelblatt, aufgebracht wird. Hierzu werden die Pulverpartikel in einen Gasstrahl aus aufgeheiztem Trägergas injiziert, wobei der Gasstrahl durch Expansion in einer meist lavalartig ausgebildeten Kaltgasspritzdüse beschleunigt wird. Die Spritzpartikel werden durch Injektion in den Gasstrahl auf eine derart hohe Geschwindigkeit beschleunigt, dass sie im Gegensatz zu anderen thermischen Spritzverfahren auch ohne vorangehendes An- oder Aufschmelzen beim Aufprall auf das Substrat eine dichte und fest haftende Schicht bzw. einen Formkörper bilden. Ein derartiges Kaltgasspritzverfahren ermöglicht die Ausbildung eines hochfesten, porenfreien Bauteils oder einer entsprechenden Bauteilreparatur.
Bereiche, die nicht mit einer Spritzschicht zu versehen sind, werden mit Kunststoffbän- dern, sogenannten Tapes, das Bauteil abschnittsweise umgreifenden Silikonringen oder Stahlmaskierungen, insbesondere aus Stahlblech abgedeckt. Nachteilig bei diesen Lösungen ist, dass Kunststoffbänder und Silikonringe aufgrund ihrer geringen Festigkeit insbesondere nicht für kinetische Kaltgasspritzverfahren geeignet sind, da die Partikel mit sehr hoher kinetischer Energie auf das Bauteil auftreffen und die Abdeckungen zerstören. Stahlmaskierungen müssen in Annäherung an die abzudeckende Bauteilkontur hergestellt werden, so dass diese fertigungstechnisch aufwendig sind. Da aufgrund der Eigensteifigkeit eine vollständige Abdeckung mit
BESTÄTIGUNGSKOPIE Stahlmaskierungen praktisch nicht möglich ist, kann es ferner zu einer Beschichtung ungewünschter Bauteilbereiche kommen.
Demgegenüber ist es die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Abdeckbe- schichtung zur Herstellung oder Reparatur eines Bauteils zu schaffen, bei denen eine Abdeckung nicht zu beschichtender Bauteilabschnitte fertigungstechnisch einfach und kostengünstig gewährleistet ist.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung oder Reparatur eines Bauteils mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und durch eine Abdeckbeschichtung für ein Bauteil einer Gasturbine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 12.
Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung oder Reparatur eines Bauteils, insbesondere eines Gasturbinenbauteils, mittels eines thermischen Spritzverfahrens, wobei das Bauteil zumindest einen abzudeckenden bzw. zu maskierenden Bereich aufweist, wird eine Abdeckbeschichtung, eine sogenannte Maskierung, auf den abzudeckenden Bereich des Bauteils aufgebracht. Anschließend wird zumindest eine Spritzschicht auf das Bauteil appliziert. Im Rahmen der Erfindung wird unter Aufbringen der Abdeckbeschichtung auch ein abschnittsweises Einbetten des Bauteils verstanden. Nach der Fertigstellung der Spritzschicht wird die Abdeckbeschichtung von dem Bauteil entfernt. Die erfindungsgemäße Abdeckbeschichtung ist fertigungstechnisch einfach und kostengünstig aufbringbar. Eine Beschichtung ungewünschter Bauteilbereiche ist praktisch nicht möglich.
Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn als thermisches Spritzverfahren ein Kaltgasspritzverfahren (Cold Spray- Verfahren) verwendet wird. Ein derartiges Kaltgasspritzver- fahren ermöglicht die Ausbildung einer fest haftenden, hochfesten Schicht.
Gemäß eines bevorzugten Ausfuhrungsbeispiels wird auf den abzudeckenden Bereich Sand, vorzugsweise Quarzsand, mit einem Bindemittel aufgebracht. Eine Abdeckbeschichtung aus mit einem Binder versehenem Sand weist gegenüber herkömmlichen Kunststoffbändern oder Silikonringen eine hohe Abriebfestigkeit auf, so dass die Maskierung insbesondere für kinetische Kaltgasspritzverfahren geeignet ist, da diese einen Partikelstrahl mit sehr hoher kinetischer Energie aufweisen. Als Bindemittel wird vorzugsweise ein Klebstoff und/oder Zement, vorzugsweise Portlandzement, verwendet. Portlandzement wird u.a. aus den Rohmaterialien Kalkstein, Ton, Sand und Eisenerz hergestellt. Das Bindemittel kann Kleber, insbesondere einen dauerelastischen Kleber, enthalten. Aufgrund der hohen Abriebfestigkeit ist eine derartige Maskierung auch für kinetische Spritzverfahren geeignet und besonders kostengünstig.
Die Abdeckbeschichtung kann ferner aus Zement, vorzugsweise Portlandzement, ohne Zuschlagstoffe ausgebildet werden. Aufgrund der hohen Festigkeit von Zement ist eine derartige Maskierung ebenfalls für kinetische Spritzverfahren geeignet.
Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird ein tongebundener Formstoff und/oder eine Keramik als Abdeckbeschichtung auf den abzudeckenden Bereich aufgebracht. Tongebundene Formstoffe und Keramiken sind aufgrund ihrer hohen Abriebfestigkeit und Oberflächenhärte für Maskierungen besonders geeignet.
Die Aushärtung der Abdeckbeschichtungen erfolgt vorzugsweise an der Luft ggf. thermisch unterstützt durch Wärmeeinwirkung.
Gemäß einer alternativen Ausführungsform wird flüssiges Wasserglas, beispielsweise flüssiges Kalium- und/oder Natriumsilikat, auf den abzudeckenden Bereich aufgebracht und ausgehärtet. Unter Wasserglas werden im Rahmen der Erfindung insbesondere glasartige, also amorphe, wasserlösliche Natrium- und Kaliumsilicate oder ihre wässrigen Lösungen verstanden. Aufgrund ihrer hohen Abriebfestigkeit ist eine derartige Maskierung auch für kinetische
Spritzverfahren geeignet.
Die Abdeckbeschichtung aus Wasserglas wird vorzugsweise unter Reaktion mit in der Umgebungsluft vorhandener und/oder zugefuhrter Kohlensäure ausgehärtet.
Die Abdeckbeschichtung kann zumindest abschnittsweise auf eine Lauf- oder Statorschaufel, vorzugsweise im Bereich eines Schaufelfußes und/oder ein Schaufelblatts aufgebracht werden und ermöglicht einen Schichtauftrag auf die verbleibenden Bereiche. Eine Abdeckung von Deckbändern ist ebenfalls vorteilhaft möglich. Erfindungsgemäß kann die Abdeckbeschichtung nach dem Spritzbeschichten des Bauteils unter Zerstörung der Abdeckschicht entfernt werden. Das Entfernen der Abdeckschicht kann beispielsweise mechanisch erfolgen. Alternativ oder zusätzlich wird die Beschichtung je nach Binderart unter Zugabe einer Flüssigkeit aufgelöst.
Das Beschichtungsmaterial kann aufbereitet und weiter verwertet bzw. verwendet werden.
Eine erfindungsgemäße Abdeckbeschichtung für ein Bauteil einer Gasturbine, insbesondere einer Fluggasturbine, bei der Herstellung oder Reparatur mittels eines thermischen Spritzverfahrens verwendet zumindest einen der Bestandteile Sand mit einem Bindemittel, Zement, tongebundener Formstoff, Keramik und/oder Wasserglas.
Sonstige vorteilhafte Ausfuhrungsbeispiele sind Gegenstand weiterer Unter ansprüche.
Im Folgenden wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand schemati- scher Darstellungen näher erläutert. Die Figuren zeigen:
Figur 1 eine räumliche Darstellung einer Laufschaufel einer Fluggasturbine mit einer erfindungsgemäßen Abdeckschicht und
Figur 2 eine Schnittdarstellung der Laufschaufel aus Figur 1 entlang der Schnittlinie A-A.
Figur 1 zeigt eine Laufschaufel 1 einer als Fluggasturbine 2 ausgebildeten Gasturbine. Die Laufschaufel 1 weist einen Schaufelfuß 4, eine Schaufelplattform 6 und ein aerodynamisch optimiertes Schaufelblatt 8 auf. Der Schaufelfuß 4 ist bei dem dargestellten Ausfuhrungsbeispiel mit einer Tannenbaumstruktur versehen, mittels der eine sichere Verbindung der Laufschaufel 1 mit einer nicht dargestellten Scheibe erreicht wird.
Wie insbesondere Figur 2 zu entnehmen ist, die eine Schnittdarstellung der Laufschaufel entlang der Linie A-A aus Figur 1 zeigt, wird bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung oder Reparatur der Laufschaufel 1 mittels eines thermischen Spritzverfahrens ein abzudeckender bzw. zu maskierender Bereich 10 mit einer Abdeckbeschichtung 12, einer sogenannte Maskierung, versehen. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Schaufelfuß 4 vollständig mit einer Abdeckbeschichtung 12 aus einer Zement-Quarzsand-Mischung versehen. Die Körnung des Sandes wird hierbei entsprechend der herzustellenden Schicht gewählt. Eine Abdeckbeschichtung 12 aus mit Zement versehenem Sand weist gegenüber herkömmlichen Kunststoffbändern oder Silikonringen eine hohe Abriebfestigkeit auf, so dass die Maskierung insbesondere für kinetische Kaltgasspritzverfahren geeignet ist, da diese einen Partikelstrahl mit sehr hoher kinetischer Energie erzeugen. Das Aufbringen der Abdeckbeschichtung 12 kann hierbei durch Spritzen, Tauchen oder Streichen erfolgen. Die Aushärtung der Abdeckbeschichtung 12 erfolgt vorzugsweise an der Luft ggf. thermisch unterstützt durch Wärmeeinwirkung. Die erfindungsgemäße Abdeckbeschichtung 12 ist fertigungstechnisch einfach und kostengünstig aufbringbar. Eine Beschichtung ungewünschter Bauteilbereiche ist praktisch nicht möglich.
Anschließend wird zumindest eine Spritzschicht (nicht dargestellt) mittels eines Kaltgas- spritzverfahrens auf die unmaskierten Schaufelbereiche, d.h. auf das Schaufelblatt 8, aufgebracht. Ein derartiges Kaltgasspritzverfahren ermöglicht die Ausbildung einer fest haftenden, hochfesten Schicht.
Nach der Fertigstellung der Spritzschichten wird die Abdeckbeschichtung 12 von dem Schaufelfuß 4 entfernt. Beispielsweise kann die Abdeckbeschichtung 12 nach dem Spritzbeschichten der Schaufel 1 unter mechanischer Zerstörung der Abdeckschicht entfernt werden, wobei das entfernte Abdeckmaterial anschließend einem Wiederaufbereitungsprozess zugeführt wird.
Offenbart ist ein Verfahren zur Herstellung oder Reparatur eines Bauteils 1 , insbesondere eines Gasturbinenbauteils, mittels eines thermischen Spritzverfahrens, wobei das Bauteil 1 zumindest einen abzudeckenden Bereich 10 aufweist, mit den Schritten: a) Aufbringen einer Abdeckbeschichtung 12 auf den abzudeckenden Bereich 10 des Bauteils 1; b) Aufbringen zumindest einer Spritzschicht auf das Bauteil 1 und c) Entfernen der Abdeckbeschichtung 12 von dem Bauteil 1.
Weiterhin offenbart ist eine Abdeckbeschichtung für ein Bauteil 1 einer Gasturbine 2 bei der Herstellung oder Reparatur mittels eines thermischen Spritzverfahrens.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung oder Reparatur eines Bauteils (1), insbesondere eines Gasturbinenbauteils, mittels eines thermischen Spritzverfahrens, wobei das Bauteil (1) zumindest einen abzudeckenden Bereich (10) aufweist, mit den Schritten: a) Aufbringen einer Abdeckbeschichtung (12) auf den abzudeckenden Bereich (10) des Bauteils (1); b) Aufbringen zumindest einer Spritzschicht auf das Bauteil (1) und c) Entfernen der Abdeckbeschichtung (12) von dem Bauteil (1).
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei als thermisches Spritzverfahren ein Kaltgasspritz- verfahren verwendet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei in Schritt a) Sand, insbesondere Quarzsand, mit einem Bindemittel auf den abzudeckenden Bereich (10) aufgebracht wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei als Bindemittel ein Klebstoff und/oder Zement, vorzugsweise Portlandzement, verwendet wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei in Schritt a) Zement, vorzugsweise Portlandzement auf den abzudeckenden Bereich (10) aufgebracht wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei in Schritt a) ein tongebundener Formstoff und/oder eine Keramik als Abdeckbeschichtung (12) auf den abzudeckenden Bereich (10) aufgebracht wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Abdeckbeschichtung (12) thermisch ausgehärtet wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei in Schritt a) flüssiges Wasserglas, insbesondere flüssiges Kalium- und/oder Natriumsilikat, auf den abzudeckenden Bereich (10) aufgebracht wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Abdeckbeschichtung (12) unter Reaktion mit in der Umgebungsluft vorhandener und/oder zugeführter Kohlensäure ausgehärtet wird.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Abdeckbeschichtung (12) zumindest abschnittsweise auf eine Lauf- oder Statorschaufel, vorzugsweise im Bereich eines Schaufelfußes (4) und/oder ein Schaufelblatts (8) aufgebracht wird.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Abdeckbeschichtung (12) nach dem Spritzbeschichten des Bauteils unter Zerstörung der Abdeckschicht entfernt wird.
12. Abdeckbeschichtung für ein Bauteil (1) einer Gasturbine (2), insbesondere einer Fluggasturbine, bei der Herstellung oder Reparatur mittels eines thermischen Spritzverfahrens, gekennzeichnet durch zumindest einen der Bestandteile Sand mit einem Bindemittel, Zement, tongebundener Formstoff, Keramik und/oder Wasserglas.
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