DE102008025848A1

DE102008025848A1 - Verfahren zur Reparatur von einkristallinen Hochdruckturbinenschaufeln durch Diffusionslöten

Info

Publication number: DE102008025848A1
Application number: DE102008025848A
Authority: DE
Inventors: Karl-Hermann Dr. Richter; Dieter Schneefeld
Original assignee: MTU Aero Engines GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines AG
Priority date: 2008-05-29
Filing date: 2008-05-29
Publication date: 2009-12-03
Also published as: WO2009143819A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reparatur von einkristallinen Turbinenschaufeln vorzugsweise einer Hochdruckturbinenstufe durch Austausch eines Schaufelteils mit den Verfahrensschritten - Abtrennen des beschädigten Teils der Turbinenschaufel mit standardisierter Schnittebene am Restschaufelblatt, - Herstellen von Ersatzteilen mit Aufmaß, - Auswählen eines geeigneten Ersatzteils entsprechend der erfassten kristallografischen Orientierung am Restschaufelblatt, - Anpassen des ausgewählten Ersatzteils an die Ist-Geometrie des Restschaufelblatts und - Fügen des Ersatzteils mit dem Restschaufelblatt durch Diffusionslöten.

Description

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 darauf hinzuweisen, dass im Fall einer „fullrepair” 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 A1 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 Schaufelprofils 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:
1 eine perspektivische Ansicht eines Restschaufelblatts und darüber ein passendes Ersatzteil,
2 das Restschaufelblatt mit dem damit verbundenen Ersatzteil und
3 eine Draufsicht auf die Schnittebene eines Restschaufelblatts.
In der 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 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 Restschaufelblatts 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 1 beispielhaft gezeigten HDT-Schaufel 1 durch Austausch eines beschädigten 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 Trennfläche 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 meisten der realen Ist-Konturen an der zu fügenden 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 werden.
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 kristallografischen 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 Δ∅ unterscheiden. Δ∅ muss in jedem Fall kleiner sein als eine Großwinkelkorngrenze, wobei typischerweise Δ∅ 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 100 μm Verwendung, wobei die B-Konzentration größer als 3% (Gew.-%) sowie die B × 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 kristallografischen Orientierung vorzugsweise durch eine Laue-Messung.
f. Klassifizierung der hergestellten Ersatzteile bezüglich ihrer jeweiligen kristallografischen Orientierung vorzugsweise durch eine Laue-Messung.
g. Auswahl des passenden Ersatzteils 3 bezüglich seiner Sekundär- und Primärorientierung derart, dass das Δ∅ 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 darauf hingewiesen, 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 Lötgut 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 100 K oberhalb der Liquidiustemperatur des Lotwerkstoffes liegt und wobei das Temperaturniveau in der zweiten Stufe mindestens 20 K 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 80 K 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 beschrieben, 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 beschriebenen 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, magnetisch 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.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- US 2005/0091848 A1 [0005]
- DE 102006033799 [0006]

Claims

Verfahren zur Reparatur von einkristallinen Turbinenschaufeln (1) vorzugsweise einer Hochdruckturbinenstufe durch Austausch eines Schaufelteils mit den folgenden Verfahrensschritten: – Abtrennen des beschädigten Teils der Turbinenschaufel (1) mit standardisierter Schnittebene (8) am Restschaufelblatt (2), – Herstellen von Ersatzteilen mit Aufmaß vorzugsweise durch einen Gießprozess, – Auswählen eines geeigneten Ersatzteils (3) entsprechend der erfassten kristallografischen Orientierung am Restschaufelblatt (2), – Anpassen des ausgewählten Ersatzteils (3) an die Ist-Geometrie des Restschaufelblatts (2) vorzugsweise durch Mikrofräsen und – Fügen des Ersatzteils (3) mit dem Restschaufelblatt (2) durch Diffusionslöten.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswahl des geeigneten Ersatzteils (3) so erfolgt, dass sich die Sekundär- und Primärorientierung zwischen dem ausgewählten Ersatzteil (3) und dem Restschaufelblatt (2) um höchstens eine Winkeldifferenz Δ∅ unterscheiden, wobei Δ∅ kleiner ist als eine Großwinkelkorngrenze und vorzugsweise kleiner als 10° ist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Diffusionslöten zweistufig durchgeführt wird, wobei in der ersten Stufe das Temperaturniveau mindestens 100 K oberhalb der Liquidiustemperatur des verwendeten Lotwerkstoffes liegt und wobei das Temperaturniveau in der zweiten Stufe mindestens 20 K über der Liquidiustemperatur des verwendeten Lotwerkstoffs liegt.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Prozesszeit, in der das erste Temperaturniveau vorherrscht, zwischen 10 min und 60 min liegt und die Prozesszeit, in der das zweite Temperaturniveau vorliegt, zwischen 240 min und 1200 min liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Diffusionslöten als ein einstufiger Prozess durchgeführt wird, bei welchen das Temperaturniveau mindestens 80 K oberhalb der Liquidiustemperatur des verwendeten Lotwerkstoffes liegt.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Prozesszeit zwischen 360 min und 1200 min festgelegt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch den Verfahrensschritt: Klassifizieren der hergestellten Ersatzteile bezüglich ihrer jeweiligen kristallografischen Orientierung vorzugsweise durch eine Laue-Messung.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch den Verfahrensschritt: Klassifizierung des zu reparierenden Schaufelblatts (1) bezüglich seiner kristallografischen Orientierung vorzugsweise durch eine Laue-Messung.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch den Verfahrensschritt: Messen der Trennfläche (8) des zu reparierenden Restschaufelblatts (2) und der Kontaktfläche des Ersatzteils (3) vorzugsweise mittels Bildverarbeitung.