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Verbesserte Hochtemperatureigenschaften gespritzter, artgleicher Reparaturen von Gasturbinenschaufeln

IP.com Disclosure Number: IPCOM000124646D
Published in the IP.com Journal: Volume 5 Issue 6A (2005-06-20)
Included in the Prior Art Database: 2005-Jun-20
Document File: 2 page(s) / 75K

Publishing Venue

Siemens

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Abstract

Gasturbinenbauteile werden im Betrieb stark beansprucht. Dabei koennen Risse in den Gasturbinenschaufeln entstehen. Bisher sind lediglich Schweiss- und Loetverfahren fuer die Reparatur von Gasturbinenschaufeln qualifiziert. Versuche zur Reparatur durch artgleiches Spritzen wurden bereits unternommen. Allerdings scheiterte eine Qualifizierung bisher an den unzureichenden mechanischen Eigenschaften der Spritzschichten. Fuer in Frage kommende Spritzverfahren LPPS (engl. Low Pressure Plasma Spraying), LVPS (Low-Vacuum Plasma Spraying), VPS (Vacuum Plasma Spraying), HVOF (High Velocity Oxygen Flame) oder Cold Spraying muessen sehr feine Pulverfraktionen (standardmaessig ≤63 μm) verwendet werden. Grobe Pulver koennen mit den zur Verfuegung stehenden Brennern nicht verarbeitet werden, fuehren aber auf jeden Fall zu erhoehter Porositaet der Spritzschichten, was unerwuenscht ist. Deshalb haben artgleich gespritzte Schichten im Hochtemperaturbereich von bis zu 1000°C ein sehr feines Gefuege, welches eine vergleichsweise geringe Festigkeit - insbesondere Kriechfestigkeit - aufweist. Diese geringe Festigkeit hat bisher eine Qualifizierung dieser Reparaturmethode verhindert. Die Hochtemperatureigenschaften - insbesondere die Kriechbestaendigkeit - der gespritzten Schichten werden durch Vorgaenge der plastischen Verformung an den Korngrenzen bestimmt. Das Hochtemperaturkriechen erfolgt durch Korngrenzengleiten mit gleichzeitiger Anpassung der Kornform (Akkomodation). Der zustaendige Materialtransport findet durch Diffusion durch das Korn (Nabarro-Herring-Mechanismus) oder entlang der Korngrenzen (Koble-Mechanismus) statt. Je feiner das durchschnittliche Korn ist, umso groesser ist der Anteil an Korngrenzen im Volumen, und umso mehr Korngrenzengleiten erfolgt. Unter bestimmten Umstaenden kann es sogar zur Superplastizitaet kommen, das heisst, das Material laesst sich im Hochtemperaturbereich nahezu beliebig verformen. Dieses Phaenomen ist fuer artgleiche Spritzschichten aus Nickelbasis-Superlegierungen beobachtet worden.

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Verbesserte Hochtemperatureigenschaften gespritzter, artgleicher Reparaturen von Gasturbinenschaufeln

Idee: Dr. Rolf Wilkenhoener, DE-Berlin

Gasturbinenbauteile werden im Betrieb stark beansprucht. Dabei koennen Risse in den Gasturbinenschaufeln entstehen. Bisher sind lediglich Schweiss- und Loetverfahren fuer die Reparatur von Gasturbinenschaufeln qualifiziert. Versuche zur Reparatur durch artgleiches Spritzen wurden bereits unternommen. Allerdings scheiterte eine Qualifizierung bisher an den unzureichenden mechanischen Eigenschaften der Spritzschichten. Fuer in Frage kommende Spritzverfahren LPPS (engl. Low Pressure Plasma Spraying), LVPS (Low-Vacuum Plasma Spraying), VPS (Vacuum Plasma Spraying), HVOF (High Velocity Oxygen Flame) oder Cold Spraying muessen sehr feine Pulverfraktionen (standardmaessig ≤63 µm) verwendet werden. Grobe Pulver koennen mit den zur Verfuegung stehenden Brennern nicht verarbeitet werden, fuehren aber auf jeden Fall zu erhoehter Porositaet der Spritzschichten, was unerwuenscht ist. Deshalb haben artgleich gespritzte Schichten im Hochtemperaturbereich von bis zu 1000°C ein sehr feines Gefuege, welches eine vergleichsweise geringe Festigkeit - insbesondere Kriechfestigkeit - aufweist. Diese geringe Festigkeit hat bisher eine Qualifizierung dieser Reparaturmethode verhindert.

Die Hochtemperatureigenschaften - insbesondere die Kriechbestaendigkeit - der gespritzten Schichten werden durch Vorgaenge der plastischen Verformung an den Korngrenzen bestimmt. Das Hochtemperaturkriechen erfolgt durch Korngrenzengleiten mit gleichzeitiger Anpassung der Kornform (Akkomodation). Der zustaendige Materialtransport findet durch Diffusion durch das Korn (Nabarro- Herring-Mechanismus) oder entlang der Korngrenzen (Koble-Mechanismus) statt. Je feiner das durchschnittliche Korn ist, umso groesser ist der Anteil an Korngrenzen im Volumen, und umso mehr Korngrenzengleiten erfolgt. Unter bestimmten Umstaenden kann es sogar zur Superplastizitaet kommen, das heisst, das Material laesst sich im Hochtemperaturbereich nahezu beliebig verformen. Dieses Phaenomen ist fuer artgleiche Spritzschichten aus Nickelbasis-Superlegierungen beobachtet worden.

Es wird vorgeschlagen, das Korngrenzengleiten der artgleichen Spritzschichten durch geeignete Zusaetze zum Spritzpulver zu unterbinden. Dazu werden dem Spritzpulver zum Beispiel feinste Partikel (Dispersoide) zugesetzt, die nach dem Spritzvorgang auf den Korngrenzen liegen. Dadurch werden die Korngrenzgleitvorgaenge effektiv behindert, woraus eine wesentlich verbesserte Kriechbestaendigkeit resultiert.

Die zugesetzten Partikel erfuellen folgende Anforderungen:

1. Thermische und chemische Bestaendigkeit waehrend des Spritzvorgangs.

2. Thermische, chemische und mechanische Bestaendigkeit unter Gasturbinenbetriebsbedingungen fuer bis zu 100kEOH und ggf. laenger.

3. Unloeslichkeit in der jeweiligen Superlegierung sowie in d...