Verfahren zur Reparatur von einkristallinen Hochdruckturbinenschaufeln durch

Diffusionslδten

Beschreibung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Reparaturverfahren für einkristalline Hochdruckturbinenschaufeln mittels Diffusionslöten gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Schäden an Turbinenschaufeln, insbesondere Hochdruckturbinenschaufeln (nachfolgend als HDT-Schaufeln bezeichnet) führen heutzutage nicht notwendigerweise zum Gesamtaustausch des betreffenden Rotors oder Stators, sondern können nachhaltig auch im Fall einer Blisk-Konstruktion partiell repariert werden. Dies erfolgt im wesentlichen dadurch, dass eine beschädigte Schaufel an einer bestimmten Stelle abgeschnitten und eine passende Ersatzschaufel durch ein Fügeverfahren angesetzt wird.

Aufgrund der Anforderungen an die Verbindungsqualität kommen als Verfahren zum Fügen eines solchen Ersatzteils vorzugsweise Diffusionsverbindungen (Lötverbindungen) sowie Strahlschweißverbindungen, wie bspw. durch Lichtbogenschweißen oder SB-Schweißen erzeugte Verbindungen, in Frage. Derartige Verfahren weisen jedoch grundsätzlich Nachteile auf. So können bspw. beim Strahlschweißen nicht die inneren Wände einer Schaufel verbunden werden.

An dieser Stelle ist daraufhinzuweisen, dass im Fall einer „full-repair" die Anzahl der Risse an der Konkav- und Konvexseite einer HDT-Schaufel begrenzt (auf z.B. jeweils

2). Wird diese Anzahl überschritten, dann ist das Bauteil als Ausschuss zu deklarieren, wobei es sich hierbei um ein Hochkostenbauteil handelt.

Die US 2005/0091848 Al beschreibt daher bereits ein Verfahren zum Herstellen und Reparieren allgemein von Turbinenschaufeln. Dabei umfasst dieses bekannte Verfahren zum Reparieren von Turbinenschaufeln das Entfernen der Schaufelspitzenkappe und eines Abschnitts des Schaufeiprofils von der Turbinenschaufel, um eine Reparaturfläche an dem Schaufelprofil zu bilden. Daraufhin wird eine Ersatzschaufelspitze hergestellt, die eine Austauschschaufelspitze sowie einen Austauschschaufelabschnitt aufweist, die an die zu reparierende Oberfläche angepasst sind. Schließlich wird der Austauschspitzenabschnitt mit der Reparaturfläche verbunden. Die Verbindung zwischen dem Austauschteil und der Reparaturfläche erfolgt dabei entweder durch thermisches oder durch thermomechanisches Diffusionsverbinden, mittels Hochtemperaturlöten oder Schweißen. Auch hier werden jedoch die vorstehend genannten Nachteile der Verbindung des Austauschteils mit der Reparaturfläche nicht vermieden.

Des Weiteren ist aus der DE 10 2006 033 799 ein Verfahren zur Reparatur von HDT- Schaufeln durch Austauschen zumindest eines Teils des Schaufelprofils bekannt, welches die folgenden Schritte aufweist:

a. Herstellen eines Austauschschaufelteils als Gussteil, b. Abtrennen des beschädigten Bereichs der Turbinenschaufel mit standardisierter Schnittebene, wobei ein Restschaufelblatt verbleibt, c. Anpassen des Austauschschaufelteils an die Ist-Geometrie des Restschaufelblatts und d. Fügen des Austauschschaufelteils mit dem Restschaufelblatt durch kombiniertes Löten, insbesondere Hochtemperaturlöten und Schweißen, insbesondere Strahlschweißverbinden.

Obgleich die allgemeine Vorgehensweise für das Reparieren einer bestätigten Turbinenschaufel zumindest aus der zuletzt genannten Druckschrift per se bekannt ist, existieren eine Vielzahl von Einstellmöglichkeiten bezüglich der anzulegenden Temperatur beim Hochtemperaturlöten, der Lötzeit, des Abkühlprozesses und dgl., deren Unkenntnis in der Vergangenheit nach wie vor zu einem erhöhten Ausschuss bei den zu reparierenden Bauteilen geführt hat.

Angesichts dieser Problematik besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein Verfahren zur Reparatur von Turbinenschaufeln, insbesondere von einkristallinen HDT-Schaufeln durch Diffusionslöten bereit zu stellen, welches die eingangs genannten Nachteile des Stands der Technik vermeidet. Insbesondere soll die Reparierbarkeit von beschädigten HDT-Schaufeln erhöht und damit die Ausschussrate verringert werden.

Diese Aufgabe wird durch ein Reparaturverfahren mit den Verfahrensschritten gemäß dem Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Reparaturverfahrens sind dabei Gegenstand der übrigen Unteransprüche.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines Restschaufelblatts und darüber ein passendes Ersatzteil,

Fig. 2 das Restschaufelblatt mit dem damit verbundenen Ersatzteil und

Fig. 3 eine Draufsicht auf die Schnittebene eines Restschaufelblatts.

In der Fig. 1 ist im unteren Bereich ein Restschaufelblatt 2 dargestellt, welches bereits von einem beschädigten Schaufelspitzenteil befreit wurde. Gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel handelt es sich bei der dargestellten Turbinenschaufel 1 bzw. dem Turbinenschaufelstumpf 2 um eine einkristalline Hochdruckturbinenschaufel, deren oberes Schaufelspitzenteil auf der Basis strukturmechanischer sowie geometrischer

Randbedingungen entlang einer standardisierten Schnittebene abgetrennt wurde, wobei die hierbei entstehende Trennfläche 8 einem anschließenden Schleifprozess unterzogen wurde. Wie ferner aus der Fig. 1 zu entnehmen ist, ist die Turbinenschaufel 1 in der Regel hohl ausgebildet, wobei in ihrem Inneren Stege 5 vorhanden sind, mittels denen Kammern 6 ausgebildet werden.

Oberhalb des Restschaufelblatts 2 ist ein Austauschschaufelteil 3 mit Schaufelspitze 7 dargestellt. Das Austauschschaufelteil 3 ist dabei an die Ist-Geometrie des Restschau-

felblatts 2 angepasst, d.h. die Außenkontur 4 des Restschaufelblatts 2 stimmt mit der Außenkontur des Austauschschaufelteils 3 überein. Vorzugsweise werden eine Mehrzahl von Austauschschaufelteilen 3 (auch der Einfachheit halber Ersatzteile bezeichnet) durch ein gießtechnisches Herstellungsverfahren bereitgestellt. Weiter vorzugsweise hat jedes Ersatzteil 3 in der Regel ein Aufmaß am Schaufelblatt 4 sowie an der Innenkontur 5, um geometrische Toleranzen abschließend ausgleichen zu können.

Insofern lassen sich die vorstehend beschriebenen, vorbereitenden Reparaturschritte einer in Fig. 1 beispielhaft gezeigten HDT-Schaufel 1 durch Austausch eines beschädig- ten Schaufelteils wie folgt zusammenfassen:

a. Abtrennen des oberen beschädigten Teils der HDT-Schaufel 1 auf der Basis strukturmechanischer sowie geometrischer Randbedingungen entsprechend einer standardisierten Schnittebene sowie anschließendes Schleifen der Trennflä- che 8. b. Gießtechnisches Herstellen von entsprechenden Ersatzteilen 3 mit vorbestimmtem Aufmaß am Schaufelblatt 4 sowie ggf. an der Innenkontur 5 für einen nachträglichen Ausgleich von geometrischen Toleranzen.

Insbesondere durch den Betrieb einer Hochdruckturbinenschaufel im Triebwerk kann nämlich die Soll-Kontur erheblich von der Ist-Kontur der zu reparierenden Turbinenschaufel abweichen. Daher ist das Austauschschaufelteil 3 in der Regel mit Auf- bzw. übermaß an der Innen- und Außenkontur hergestellt, wie dies vorstehend bereits ausgeführt wurde. Dabei muss das übermaß derart gewählt werden, dass alle bzw. die meis- ten der realen Ist-Konturen an der zu fugenden Fläche des Restschaufelblatts 2 abgedeckt werden können. Nach entsprechender Anpassung des Austauschschaufelteils 3 an die Ist-Kontur des Restschaufelblatts 2 insbesondere unter Beachtung, dass keine sprungartigen änderungen der Innen- und Außenkontur entstehen, erfolgen erst die nächsten erfindungsgemäßen Verfahrensschritte, wie sie nachfolgend beschrieben wer- den.

Um ein möglichst rissfreies Ansetzen des Ersatzteils 3 an das Restschaufelblatt 2 zu ermöglichen, ist es erforderlich, die Trennfläche 8 des zu reparierenden Rest-

Schaufelblatts 2 exakt auszumessen. Dies erfolgt in der Regel visuell, ggf. durch einen Abtast- bzw. Einscannvorgang und einer nachgeschalteten Bildverarbeitung. Entsprechend diesen geometrischen Informationen lässt sich dann das Ersatzteil 3 an der entsprechenden Kontaktfläche vorzugsweise durch einen Mikrofräsvorgang individuell anpassen.

Die weiteren Reparaturschritte des erfindungsgemäßen Verfahrens lassen sich demnach wie folgt zusammenfassen:

c. Messen der Trennfläche 8 des zu reparierenden Rest-Schaufelblatts 2 und des

Ersatzteils 3 vorzugsweise mittels Bildverarbeitung. d. Anpassen des Ersatzteils 3 durch (bevorzugter Weise) Mikrofräsen.

Parallel bzw. im Vorfelde zu den Verfahrensschritten c. und d. erfolgt erfindungsgemäß eine Klassifizierung des zu reparierenden Schaufelblatts 1 bezüglich seiner kristallogra- fischen Orientierung bevorzugt durch Anwendung einer sog. Laue-Messung. Auf der Basis dieser Messergebnisse wird ein passendes Ersatzteil 5 aus den im Verfahrensschritt b. hergestellten Ersatzteilen ausgewählt. "Passend" bedeutet hier, dass sich die Sekundär- und Primärorientierung des Ersatzteils 3 und des Restschaufelblatts 2 um höchstens δ0 unterscheiden. δ0 muss in jedem Fall kleiner sein als eine Großwinkelkorngrenze, wobei typischerweise δ0 kleiner als 10° ist. Andernfalls würde sich eine drastische Abnahme der Festigkeit ergeben. Schließlich erfolgt ein Fügeprozess für das Fügen des ausgewählten Ersatzteils 3 durch vorzugsweises Diffusionslöten an das Restschaufelblatt 2. Hierbei findet bevorzugt eine NiCrB-Lötfolie mit einer Foliendicke von 25 bis lOOμm Verwendung, wobei die B-Konzentration größer als 3% (Gew.-%) sowie die B x Cr-Konzentration (Gew.-%) größer als 40% ist.

D.h., dass das erfindungsgemäße Reparaturverfahren folgende abschließende Reparaturschritte vorsieht:

e. Klassifizierung des zu reparierenden Schaufelblatts 1 bezüglich seiner kristal- lografischen Orientierung vorzugsweise durch eine Laue-Messung.

f. Klassifizierung der hergestellten Ersatzteile bezüglich ihrer jeweiligen kristal- lografischen Orientierung vorzugsweise durch eine Laue-Messung. g. Auswahl des passenden Ersatzteils 3 bezüglich seiner Sekundär- und Primärorientierung derart, dass das δ0 gemäß vorstehender Definition in einem Bereich von 1° bis 10° liegt. h. Fügen des ausgewählten Ersatzteils 3 vorzugsweise durch Diffusionslöten vorzugsweise unter Verwendung einer NiCrB-Lötfolie mit vorstehend angegebener Dicke und Zusammensetzung.

An dieser Stelle sei daraufhingewiesen, dass bei einem konventionellen Löten das flüssige Lötgut durch Wärmeabfuhr unterkühlt wird, wobei eine thermische Erstarrung (Bindung) entsteht. Im Gegensatz zum konventionellen Löten wird beim Diffusionslöten im Allgemeinen die Löttemperatur solange gehalten, bis durch Diffusion zwischen Grundwerkstoff und flüssigem Lot das Lotgut bei Löttemperatur erstarrt. Ein großer Vorteil ist hierbei die erhöhte Wiederaufschmelz- oder Auslösetemperatur der Lötverbindung. Damit wird eine derartige Verbindung auch bei Temperaturen oberhalb der Löttemperatur mechanisch belastbar.

Entscheidend für das Verringern der Bauteilausschussrate ist demzufolge der zuletzt durchzuführende Fügeprozess durch Diffusionslöten. Dieser Diffusionslötprozess kann erfindungsgemäß auf zwei Arten durchgeführt werden:

Gemäß einer ersten Verfahrensvariante der vorliegenden Erfindung wird der Diffusionslötprozess zweistufig durchgeführt, wobei in der ersten Stufe das Temperaturniveau mindestens 100K oberhalb der Liquidiustemperatur des Lotwerkstoffes liegt und wobei das Temperaturniveau in der zweiten Stufe mindestens 2OK über der Liquidiustemperatur des Lotwerkstoffs liegt. Darüber hinaus soll die Prozesszeit, in der das erste Temperaturniveau vorherrscht, zwischen 10 und 60 Minuten liegen und die Prozesszeit, in der das zweite Temperaturniveau vorliegt, zwischen 240 und 1200 Minuten liegen.

Alternativ hierzu ist es gemäß einer zweiten bevorzugten Verfahrensvariante vorgesehen, den Diffusionslötprozess im Rahmen eines einstufigen Prozesses durchzuführen, bei welchen das Temperaturniveau mindestens 80K oberhalb der Liquidiustemperatur

des verwendeten Lotwerkstoffes liegt und die Prozesszeit zwischen 360 und 1200 Minuten festgelegt wird.

Im nachfolgenden werden noch einige Abwandlungen des Erfindungsgegenstands be- schrieben, welche sich auf einzelne Schritte des erfindungsgemäßen Reparaturverfahrens beziehen. Alle übrigen, vorstehend beschriebenen Verfahrensschritte bleiben jedoch auch für die Abwandlungen gleich.

Gemäß einer ersten Abwandlung wird anstelle der Verwendung der vorstehend be- schriebenen Lotfolie ein Borierverfahren zur Bereitstellung einer diffusionslötfähigen Zusammensetzung (chemische) in oberflächennahen Bereichen der Trennfläche 8 angewendet. Anschließend wird das Reparaturverfahren mit dem Diffusionslötprozess weitergeführt.

Gemäß einer weiteren Abwandlung ist es vorgesehen, die Trennfläche am Ersatzteil 3 durch eine sog. physikalische Gasphasenabscheidung (nachfolgend als PVD bezeichnet) zu beschichten. Hierfür wird das abzuscheidende Material in fester Form (Ergebnis) in einer vorzugsweise evakuierten Beschichtungskammer auf die Trennfläche aufgebracht. Zu diesem Zweck wird beispielsweise durch den Beschuss mit Laserstrahlen, magne- tisch abgelenkten Ionen oder Elektronen sowie durch Lichtbogenentladung das Zielmaterial verdampft. Das verdampfte oder zerstäubte Material bewegt sich entweder ballistisch oder durch elektrische Felder geführt durch die Kammer und trifft dabei auf die zu beschichtende Trennfläche auf, wo es schließlich zur Schichtbildung durch Ablagerung kommt.

Schließlich wird gemäß einer weiteren Abwandlung der Diffusionslötprozess vorzugsweise durch induktives Diffusionslöten ausgeführt, wodurch verhindert wird, dass die Festigkeitseigenschaften am hoch belasteten Schaufelfuß reduziert werden.

Prinzipiell könnte auch - was in den Figuren gezeigt ist - das gesamte Schaufelblatt oberhalb des Schaufelfußes abgetrennt und durch ein Ersatz-Schaufelblatt ersetzt werden. Dabei ist insbesondere die Trennebene unterhalb der Plattform vorgesehen.