DE102019008167A1 - Gerichtet erstarrter gegenstand, turbinenlaufschaufel, und verfahren zur reperatur von gerichtet erstarrtem gegenstand - Google Patents

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Abstract

Ein Verfahren zur Reparatur eines gerichtet erstarrten Gegenstands gemäß einer Ausführungsform umfasst einen Schritt des Ausbildens eines Nutteils, welches lediglich mit einer einzelnen aus einer Vielzahl von Kristallkorngrenzen in einem Basismaterial überlappt, wobei das Basismaterial aus einer gerichtet erstarrten Legierung besteht, in der die Vielzahl von Kristallkorngrenzen in einer Richtung ausgerichtet sind, und einen Schritt des Ausbildens eines Schweißteils, welches eine der Metallzusammensetzung des Basismaterials ähnliche Metallzusammensetzung besitzt, in dem Nutteil mittels eines beim Schweißen des Basismaterials verwendeten Metall.

Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Die vorliegende Offenbarung betrifft einen gerichtet erstarrten Gegenstand, eine Turbinenlaufschaufel, und ein Verfahren zur Reparatur eines gerichtet erstarrten Gegenstands.
  • HINTERGRUND
  • Ein gerichtet erstarrter Gegenstand ist dafür bekannt, dass es sich um ein Material handelt, welches für eine in einer Hochtemperaturumgebung verwendete Struktur geeignet ist. Der gerichtet erstarrte Gegenstand kann die Zeitstandfestigkeitstemperatur sowie die Ermüdungsfestigkeit im Vergleich zu herkömmlich gegossenen Legierungen drastisch verbessern, und wird für Turbinenschaufeln von Gasturbinen, Flugzeugtriebwerken und dergleichen verwendet.
  • Allerdings kann selbst eine Turbinenschaufel oder dergleichen, in welcher ein derartiger, gerichtet erstarrter Gegenstand zur Anwendung gelangt, bei Verwendung der Turbinenschaufel oder dergleichen Risse bekommen. Folglich muss eine Risse aufweisende Turbinenschaufel oder dergleichen repariert werden.
  • So offenbart beispielsweise Patentdokument 1 ein Verfahren zur Reparatur eines wärmebeständigen Legierungselements mit einer Kristallstruktur, welche in gerichteter oder in monokristalliner Art und Weise kontrolliert wird (siehe Patentdokument 1).
  • Literaturliste
  • Patentliteratur
  • Patentdokument 1: JP 2001-288554 A
  • Beispielsweise bildet sich in einer aus einem gerichtet erstarrten Gegenstand bestehenden Turbinenlaufschaufel in einem einer relativ hohen Spannung ausgesetzten Teil, wie etwa in einem Plattformteil, in einer Kristallkorngrenze zwischen säulenförmigen Kristallen des gerichtet erstarrten Gegenstands leicht ein relativ tiefer Riss, und tritt leicht ein Ermüdungsbruch auf.
  • Folglich ist, wie vorstehend beschrieben, ein Reparaturverfahren für einen relativ tiefen Riss erwünscht.
  • Allerdings ist im Rahmen des in obigem Patentdokument 1 beschriebenen Verfahrens zur Reparatur eines wärmebeständigen Legierungselements lediglich ein Reparaturverfahren für einen relativ flachen Riss von etwa 2 mm offenbart, und kein Reparaturverfahren für einen tieferen Riss offenbart.
  • In Anbetracht der vorstehend beschriebenen Situation zielt zumindest eine Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung darauf ab, ein Reparaturverfahren für einen relativ tiefen Riss in einem gerichtet erstarrten Gegenstand bereitzustellen.
  • (1) Ein gerichtet erstarrter Gegenstand gemäß zumindest einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung umfasst ein Basismaterial, welches aus einer gerichtet erstarrten Legierung besteht, in der eine Vielzahl von Kristallkorngrenzen in einer Richtung ausgerichtet ist, und ein Schweißteil, welches in einem Nutteil des Basismaterials bereitgestellt ist, wobei das Schweißteil eine der Metallzusammensetzung des Basismaterials ähnliche Metallzusammensetzung besitzt, wobei das Schweißteil mittels eines beim Schweißen des Basismaterials verwendeten Metall ausgebildet worden ist, und wobei das Schweißteil lediglich mit einer einzelnen aus der Vielzahl von Kristallkorngrenzen überlappt.
  • Ist das Schweißteil beispielsweise derart ausgebildet, dass es auch mit einer anderen, sich von der einen Kristallkorngrenze unterscheidenden Kristallkorngrenze überlappt, um auf diese Weise einen in der einen Kristallkorngrenze ausgebildeten Riss zu reparieren, so besteht die Möglichkeit, dass sich in der anderen Kristallkorngrenze leicht ein Riss bildet, beispielsweise aufgrund eines Einflusses bei der Ausbildung des Schweißteils, wie etwa eines thermischen Einflusses zum Zeitpunkt der Ausbildung des Schweißteils, selbst wenn es sich bei der anderen Kristallkorngrenze um eine rissfreie, intakte Kristallkorngrenze handelt.
  • Da gemäß obiger Konfiguration (1) das Schweißteil nicht mit den anderen Kristallkorngrenzen überlappt, kann in diesem Zusammenhang verhindert werden, dass die anderen Kristallkorngrenzen bei der Ausbildung des Schweißteils beeinflusst werden.
  • Darüber hinaus kann sich beispielsweise die Festigkeit des Schweißteils gegenüber jener des Basismaterials drastisch verringern, wenn das Schweißteil zwecks Verbesserung der Schweißbarkeit unter Einsatz eines sich vom Basismaterial unterscheidenden Legierungsmaterials ausgebildet wird.
  • Da gemäß obiger Konfiguration (1) das Schweißteil eine der Metallzusammensetzung des Basismaterials ähnliche Metallzusammensetzung besitzt, kann in diesem Zusammenhang die Festigkeit des gerichtet erstarrten Gegenstands sichergestellt werden.
  • (2) In einigen Ausführungsformen der obigen Konfiguration (1) umfasst das Schweißteil eine erste Schicht und eine zur ersten Schicht in einer Tiefenrichtung des Nutteils benachbarte zweite Schicht, wobei jede der ersten Schicht und der zweiten Schicht aus einem einzelnen Wulst ausgebildet ist.
  • Beim Mehrschichtschweißen in Form des Verschweißens einer Vielzahl von Schichten in einer Tiefenrichtung eines Nutteils erhöht sich mit steigender Anzahl der Wülste in jeder Schicht die Wahrscheinlichkeit, dass zum Zeitpunkt des Schweißens die Umgebung des Nutteils thermisch beeinflusst wird.
  • Da gemäß obiger Konfiguration (2) jede der ersten und zweiten Schichten einen Wulst aufweist, kann in diesem Zusammenhang der zum Zeitpunkt des Schweißens auf die Umgebung des Nutteils wirkende thermische Einfluss unterdrückt werden.
  • (3) In einigen Ausführungsformen gemäß der obigen Konfiguration (2) beträgt das Verhältnis von Höhe des Wulsts zur Breite des Wulsts 0.8 oder weniger.
  • Sofern wie in obiger Konfiguration (2) jede der Schichten einen einzelnen Wulst aufweist, steht die Unterseitenfläche eines jeden Wulsts mit dem Basismaterial in Kontakt, oder stehen der Wulst der unteren Schicht und beide Seitenflächen hiervon mit dem Basismaterial in Kontakt. Im Rahmen des Abkühl- und Erstarrungsprozesses des geschmolzenen Wulsts wird die dem Wulst immanente Wärmeenergie somit von der Unterseitenfläche und den beiden Seitenflächen auf die Umgebung übertragen, wodurch sich der Wulst abkühlt.
  • Mit steigendem Verhältnis von Höhe des Wulsts zur Breite des Wulsts vergrößern sich hierbei die Flächen der Seitenflächen des Wulsts in Bezug auf eine Fläche der Unterseitenfläche des Wulsts. Folglich wird die dem Wulst immanente Wärmeenergie mit steigendem Verhältnis von Höhe des Wulsts zur Breite des Wulsts leichter von den beiden Seitenflächen auf die Umgebung übertragen als von der Unterseitenfläche.
  • Im Rahmen des Erstarrungsprozesses des Wulsts erstarrt zunächst ein Bereich, in welchem die Temperatur problemlos abnimmt, und erstarrt später ein Bereich, in welchem die Temperatur schwerlich abnimmt. Mit steigendem Verhältnis von Höhe des Wulsts zur Breite des Wulsts schreitet die Erstarrung des Wulsts somit von den beiden Seitenflächen in Richtung eines Mittelpunkts in Breitenrichtung leichter voran. Verringert sich demgegenüber das Verhältnis von Höhe des Wulsts zur Breite des Wulsts, so schreitet die Erstarrung des Wulsts von der Unterseitenfläche zur Oberseitenfläche leichter voran.
  • Schreitet die Erstarrung des Wulsts von den beiden Seitenflächen des Wulsts in Richtung eines Mittelpunkts in Breitenrichtung voran, so kann ein Flüssigphasenteil in der Nähe des Mittelpunkts in Breitenrichtung frei werden, und können sich Erstarrungsrisse bilden, wenn der Wulst im Rahmen der Erstarrung des Wulsts unter Erzeugung von Wärmespannung schrumpft. Um eine solche Erstarrungsrissbildung zu verhindern, ist es wünschenswert, dafür zu sorgen, dass die Erstarrung des Wulsts problemlos von der Unterseitenfläche zur Oberseitenfläche voranschreitet, indem das Verhältnis von Höhe des Wulsts zur Breite des Wulsts reduziert wird.
  • Als Ergebnis ernsthafter Untersuchungen der Erfinder wurde herausgefunden, dass, wenn wie in obiger Konfiguration (2) jede der Schichten einen einzelnen Wulst aufweist, die vorstehend beschriebene Erstarrungsrissbildung verhindert werden kann, sofern das Verhältnis von Höhe des Wulsts zur Breite des Wulsts 0.8 oder weniger beträgt.
  • Dementsprechend kann die vorstehend beschriebene Erstarrungsrissbildung gemäß obiger Konfiguration (3) verhindert werden.
  • (4) In einigen Ausführungsformen einer der obigen Konfigurationen (1) bis (3) handelt es sich bei der Erstreckungsrichtung eines Wulsts um eine Richtung entlang einer Wachstumsrichtung von säulenförmigen Kristallen in dem Basismaterial.
  • Bildet sich in dem gerichtet erstarrten Gegenstand vor der Ausbildung des Schweißteils ein Riss entlang einer Kristallkorngrenze, so ist die Erstreckungsrichtung des Wulsts identisch zur Erstreckungsrichtung des Risses, wenn es sich, wie in der obigen Konfiguration (4), bei der Erstreckungsrichtung des Wulsts um die Richtung entlang der Wachstumsrichtung der säulenförmigen Kristalle in dem Basismaterial handelt. Dementsprechend handelt es sich bei der Erstreckungsrichtung des Wulsts gemäß obiger Konfiguration (4) um eine Richtung, welche zur Reparatur des Risses geeignet ist.
  • (5) In einigen Ausführungsformen gemäß einer der obigen Konfigurationen (1) bis (4) bestehen das Basismaterial und das Schweißteil aus einer Nickel-basierten Legierung oder einer Cobalt-basierten Legierung.
  • Gemäß obiger Konfiguration (5) kann die Hochtemperaturfestigkeit des gerichtet erstarrten Gegenstands sichergestellt werden, indem man dafür sorgt, dass das Basismaterial und das Schweißteil aus der Nickel-basierten Legierung oder der Cobalt-basierten Legierung bestehen.
  • (6) Eine Turbinenlaufschaufel gemäß zumindest einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung umfasst eine der obigen Konfigurationen (1) bis (5). Folglich kann verhindert werden, dass die anderen Kristallkorngrenzen bei der Ausbildung des Schweißteils beeinflusst werden.
  • Da gemäß obiger Konfiguration (6) das Schweißteil eine der Metallzusammensetzung des Basismaterials ähnliche Metallzusammensetzung besitzt, kann darüber hinaus die Festigkeit der Turbinenlaufschaufel sichergestellt werden.
  • (7) Ein Verfahren zur Reparatur eines gerichtet erstarrten Gegenstands gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung umfasst einen Schritt des Ausbildens eines Nutteils, welches lediglich mit einer einzelnen aus einer Vielzahl von Kristallkorngrenzen in einem Basismaterial überlappt, wobei das Basismaterial aus einer gerichtet erstarrten Legierung besteht, in der die Vielzahl von Kristallkorngrenzen in einer Richtung ausgerichtet sind, und einen Schritt des Ausbildens eines Schweißteils, welches eine der Metallzusammensetzung des Basismaterials ähnliche Metallzusammensetzung besitzt, in dem Nutteil mittels eines beim Schweißen des Basismaterials verwendeten Metall.
  • Sofern das Nutteil und das Schweißteil derart ausgebildet sind, dass sie auch mit einer anderen, sich von der einen Kristallkorngrenze unterscheidenden Kristallkorngrenze überlappen, um beispielsweise einen in der einen Kristallkorngrenze ausgebildeten Riss zu reparieren, so besteht wie vorstehend beschrieben die Möglichkeit, dass sich in der anderen Kristallkorngrenze leicht ein Riss bildet, beispielsweise aufgrund eines Einflusses bei der Ausbildung des Schweißteils, wie etwa eines thermischen Einflusses zum Zeitpunkt der Ausbildung des Schweißteils, selbst wenn es sich bei der anderen Kristallkorngrenze um eine rissfreie, intakte Kristallkorngrenze handelt.
  • Da gemäß obigem Verfahren (7) das Schweißteil nicht mit den anderen Kristallkorngrenzen überlappt, kann in diesem Zusammenhang verhindert werden, dass die anderen Kristallkorngrenzen bei der Ausbildung des Schweißteils beeinflusst werden.
  • Wie vorstehend beschrieben kann sich darüber hinaus beispielsweise die Festigkeit des Schweißteils gegenüber jener des Basismaterials drastisch verringern, wenn das Schweißteil zwecks Verbesserung der Schweißbarkeit unter Einsatz eines sich vom Basismaterial unterscheidenden Legierungsmaterials ausgebildet wird.
  • Da gemäß obigem Verfahren (7) das Schweißteil eine der Metallzusammensetzung des Basismaterials ähnliche Metallzusammensetzung besitzt, kann in diesem Zusammenhang die Festigkeit des reparierten, gerichtet erstarrten Gegenstands sichergestellt werden.
  • (8) In einigen Ausführungsformen des obigen Verfahrens (7) wird das Schweißteil im Rahmen des Schweißteilbildungsschritts derart ausgebildet, dass es eine erste Schicht, welche einen einzelnen Wulst aufweist, und eine zweite Schicht, welche in einer Tiefenrichtung des Nutteils zur ersten Schicht benachbart ist und einen einzelnen Wulst aufweist, umfasst.
  • Wie vorstehend beschrieben erhöht sich beim Mehrschichtschweißen in Form des Verschweißens einer Vielzahl von Schichten in einer Tiefenrichtung eines Nutteils mit steigender Anzahl der Wülste in jeder Schicht die Wahrscheinlichkeit, dass zum Zeitpunkt des Schweißens die Umgebung des Nutteils thermisch beeinflusst wird.
  • Da gemäß obigem Verfahren (8) jede der ersten und zweiten Schichten einen Wulst aufweist, kann in diesem Zusammenhang der zum Zeitpunkt des Schweißens auf die Umgebung des Nutteils wirkende thermische Einfluss unterdrückt werden.
  • (9) In einigen Ausführungsformen des obigen Verfahrens (8) werden die erste Schicht und die zweite Schicht im Rahmen des Schweißteilbildungsschritts derart ausgebildet, dass das Verhältnis von Höhe des Wulsts zur Breite des Wulsts 0.8 oder weniger beträgt.
  • Wie vorstehend beschrieben wurde herausgefunden, dass, wenn jede der Schichten einen einzelnen Wulst aufweist, die vorstehend beschriebene Erstarrungsrissbildung verhindert werden kann, sofern das Verhältnis von Höhe des Wulsts zur Breite des Wulsts 0.8 oder weniger beträgt.
  • Dementsprechend kann die vorstehend beschriebene Erstarrungsrissbildung mittels des obigen Verfahrens (9) verhindert werden.
  • (10) In einigen Ausführungsformen eines der obigen Verfahren (7) bis (9) wird das Nutteil im Rahmen des Nutteilbildungsschritts derart ausgebildet, dass es sich entlang einer Wachstumsrichtung von säulenförmigen Kristallen in dem Basismaterial erstreckt, und wird das Schweißteil im Rahmen des Schweißteilbildungsschritts in dem Nutteil durch Schweißen entlang der Wachstumsrichtung ausgebildet.
  • Bildet sich in dem gerichtet erstarrten Gegenstand vor der Ausbildung des Schweißteils ein Riss entlang der einen Kristallkorngrenze, so sind die Erstreckungsrichtungen des Nutteils und des Schweißteils identisch zur Erstreckungsrichtung des Risses, wenn es sich bei der Erstreckungsrichtung des Nutteils um eine Richtung entlang der Wachstumsrichtung der säulenförmigen Kristalle in dem Basismaterial handelt. Dementsprechend handelt es sich bei obigem Verfahren (10) um ein Reparaturverfahren, welches zur Reparatur des Risses geeignet ist.
  • (11) In einigen Ausführungsformen umfasst eines der obigen Verfahren (7) bis (9) weiterhin einen Schritt des Ausbildens zweier Laschen vor dem Schweißteilbildungsschritt, und zwar eine an jedem Ende eines Basismaterialbereichs, in welchem das Schweißteil in Bezug auf eine Wachstumsrichtung von säulenförmigen Kristallen in dem Basismaterial ausgebildet wird, wobei im Rahmen des Nutteilbildungsschritts das Nutteil in dem Bereich ausgebildet wird und die beiden Laschen jenseits des Bereichs ausgebildet werden, und wobei im Rahmen des Schweißteilbildungsschritts das Schweißteil in dem Nutteil durch Verschweißen von einer der beiden Laschen mit der anderen der beiden Laschen über den Bereich hinweg ausgebildet wird.
  • An einer Schweißstartposition und einer Schweißendposition eines Schweißwegs, d.h. an den beiden Endteilen eines Wulsts, unterscheidet sich der Zustand des Wärmeeintrags zum Zeitpunkt des Schweißens von jenem in einem anderen, sich von den beiden Endteilen unterscheidenden Teil beim Beginn oder bei der Beendigung des Schweißens. Da der Wulst außerhalb der beiden Endteile, bezogen auf die Erstreckungsrichtung des Wulsts, nicht vorhanden ist, unterscheidet sich die Art und Weise, wie Wärmeenergie zum Zeitpunkt des Abkühlens an den beiden Endteilen des Wulsts entweicht, von jener in dem anderen, sich von den beiden Endteilen unterscheidenden Teil. Folglich kann sich leicht ein Riss bilden, oder es kann Schwierigkeiten bereiten, in der Nähe der beiden Endteile Festigkeit oder dergleichen sicherzustellen.
  • Da gemäß obigem Verfahren (11) das Verschweißen von einer der beiden Laschen mit der anderen der beiden Laschen über den Bereich hinweg durchgeführt wird, sind in diesem Zusammenhang die beiden Enden des Wulsts auf den beiden Laschen angeordnet, und ist der sich von den beiden Endteilen unterscheidende Teil des Wulsts in jenem Bereich des Basismaterials angeordnet, in welchem das Schweißteil ausgebildet wird. Dementsprechend kann die Festigkeit des Schweißteils in dem Bereich sichergestellt werden.
  • (12) In einigen Ausführungsformen des obigen Verfahrens (11) werden die beiden Laschen derart ausgebildet, dass sie im Rahmen des Laschenbildungsschritts einen Wärmeleitungsweg zwischen dem Basismaterial und den Laschen ausbilden.
  • Ist der zwischen den Laschen und dem Basismaterial vorgesehene Wärmeleitungsweg unzureichend ausgebildet, so kann die beim Schweißen erzeugte Wärmeenergie nicht in hinreichendem Ausmaß auf das Basismaterial übertragen werden, und können die Temperaturen der Laschen bei Ausbildung des Schweißteils auf den Laschen übermäßig ansteigen. In Abhängigkeit von den Schweißbedingungen können die Laschen schmelzen und absinken.
  • Da gemäß dem obigen Verfahren (12) die beim Schweißen erzeugte Wärmeenergie in hinreichendem Ausmaß auf das Basismaterial übertragen werden kann, kann in diesem Zusammenhang eine übermäßige Temperaturerhöhung der Laschen verhindert werden.
  • (13) In einigen Ausführungsformen des obigen Verfahrens (11) oder (12) werden die Laschen im Rahmen des Laschenbildungsschritts aus einem sich von einem Material des Basismaterials unterscheidenden Material ausgebildet.
  • Gemäß dem obigen Verfahren (13) werden die Laschen problemlos ausgebildet, indem ein Material verwendet wird, mittels welchem eine problemlose Ausbildung der Laschen erfolgt.
  • (14) In einigen Ausführungsformen eines der obigen Verfahren (7) bis (13) wird das Schweißteil im Rahmen des Schweißteilbildungsschritts unter Einsatz eines Verfahrens ausgewählt aus einem Laserauftragschweißverfahren, einem Kaltgasspritzverfahren oder einem Hochgeschwindigkeitsflammspritzverfahren ausgebildet.
  • Gemäß dem obigen Verfahren (14) kann das eine ähnliche Metallzusammensetzung wie das Basismaterial besitzende Schweißteil in dem Nutteil bereitgestellt werden, selbst wenn es sich bei dem Basismaterial um ein schwer zu schweißendes Material handelt.
  • (15) In einigen Ausführungsformen des obigen Verfahrens (14) wird das Schweißteil im Rahmen des Schweißteilbildungsschritts durch Einstrahlen eines Laserstrahls mit einem rechtwinkligen Strahlenmuster ausgebildet, welches entlang einer zur Wachstumsrichtung von säulenförmigen Kristallen in dem Basismaterial orthogonalen Richtung größer ist als entlang der Wachstumsrichtung.
  • Als Ergebnis ernsthafter Untersuchungen der Erfinder wurde festgestellt, dass, wenn die im Rahmen des Laserauftragschweißverfahrens eingetragene Wärmemenge zu groß ist, das Basismaterial unterhalb des auszubildenden Wulsts oder der in der unteren Schicht befindliche Wulst mehr als nötig schmilzt. Folglich wird die eingetragene Wärmemenge wünschenswerterweise derart reduziert, dass sie nicht übermäßig groß ist. Zu diesem Zweck wird in Betracht gezogen, die Größe eines Musters des Laserstrahls in einer Abtastrichtung an der Position des Wulsts klein zu halten, oder die Abtastgeschwindigkeit zu erhöhen.
  • Wird die Abtastgeschwindigkeit erhöht, so erfolgt allerdings innerhalb kurzer Zeit eine Trennung von Laserstrahl und ausgebildetem Wulst. Folglich erhöht sich die Abkühlrate des ausgebildeten Wulsts, und die Wärmespannung in dem Wulst ist tendenziell hoch. Dementsprechend wird die Abtastgeschwindigkeit wünschenswerterweise reduziert. Wird die Abtastgeschwindigkeit unter dem Gesichtspunkt der eingetragenen Wärmemenge wie vorstehend beschrieben reduziert, so wird darüber hinaus wünschenswerterweise die Größe des Musters des Laserstrahls in der Abtastrichtung an der Position des Wulsts klein gehalten.
  • Handelt es sich bei der Abtastrichtung des Laserstrahls um dieselbe Richtung wie die Wachstumsrichtung, so kann dementsprechend verhindert werden, dass das Basismaterial unterhalb des auszubildenden Wulsts oder der in der unteren Schicht befindliche Wulst mehr als nötig schmilzt, während gleichzeitig eine Wärmespannung des Wulsts vermieden wird, und kann die Festigkeit des reparierten, gerichtet erstarrten Gegenstands durch Formen des Strahlenmusters gemäß dem obigen Verfahren (15) sichergestellt werden.
  • (16) In einigen Ausführungsformen des obigen Verfahrens (14) oder (15) wird das Schweißteil im Rahmen des Schweißteilbildungsschritts derart ausgebildet, dass es eine erste Schicht, welche einen einzelnen Wulst aufweist, und eine zweite Schicht, welche in einer Tiefenrichtung des Nutteils zur ersten Schicht benachbart ist und einen einzelnen Wulst aufweist, umfasst, und wird die erste Schicht durch Einstrahlen eines Laserstrahls mit einem rechtwinkligen Strahlenmuster ausgebildet, dessen Dimension entlang einer zur Wachstumsrichtung von säulenförmigen Kristallen in dem Basismaterial orthogonalen Richtung kleiner ist als die Breite des Nutteils in einer Oberfläche des Basismaterials.
  • Gemäß dem obigen Verfahren (16) kann verhindert werden, dass ein Bereich außerhalb des Nutteils auf der Oberfläche des Basismaterials, welcher bei Ausbildung der ersten Schicht nicht mit dem Laserstrahl bestrahlt werden muss, mit dem Laserstrahl bestrahlt wird.
  • (17) In einigen Ausführungsformen eines der obigen Verfahren (14) bis (16) wird das Schweißteil im Rahmen des Schweißteilbildungsschritts durch Abtasten mit einem Laserstrahl entlang einer Wachstumsrichtung von säulenförmigen Kristallen in dem Basismaterial ausgebildet.
  • Bildet sich in dem gerichtet erstarrten Gegenstand ein Riss entlang der einen Kristallkorngrenze, so handelt es sich bei der Abtastrichtung des Laserstrahls, d.h. der Erstreckungsrichtung des Wulsts, um dieselbe Richtung wie die Erstreckungsrichtung des Risses, wenn die Abtastrichtung des Laserstrahls eine Richtung entlang der Wachstumsrichtung der säulenförmigen Kristalle im Basismaterial ist. Gemäß dem obigen Verfahren (17) handelt es sich bei der Abtastrichtung des Laserstrahls dementsprechend um eine Richtung, welche zur Reparatur des Risses geeignet ist.
  • (18) In einigen Ausführungsformen des obigen Verfahrens (17) wird das Schweißteil im Rahmen des Schweißteilbildungsschritts durch Abtasten mit dem Laserstrahl bei einer Abtastgeschwindigkeit von 20 mm/min oder weniger ausgebildet.
  • Wie vorstehend beschrieben wird die Abtastgeschwindigkeit des Laserstrahls unter dem Gesichtspunkt der Verhinderung von Wärmespannung in dem Wulst wünschenswerterweise reduziert.
  • Als Ergebnis ernsthafter Untersuchungen der Erfinder wurde festgestellt, dass es gut ist, das Schweißteil durch Abtasten mit dem Laserstrahl bei einer Abtastgeschwindigkeit von 20 mm/min oder weniger auszubilden.
  • Dementsprechend kann gemäß dem obigen Verfahren (18) eine Wärmespannung des Wulsts verhindert werden, und kann die Festigkeit des reparierten, gerichtet erstarrten Gegenstands sichergestellt werden.
  • (19) In einigen Ausführungsformen umfasst eines der obigen Verfahren (7) bis (18) weiterhin einen Schritt des Erwärmens zumindest eines das Nutteil umfassenden Teilbereichs des Basismaterials, wobei das Schweißteil im Rahmen des Schweißteilbildungsschritts ausgebildet wird, während der Teilbereich im Rahmen des Erwärmungsschritts erwärmt wird.
  • Gemäß dem obigen Verfahren (19) kann die Festigkeit des Teilbereichs durch Erwärmen des Teilbereichs vorübergehend reduziert werden. Dementsprechend kann eine in dem Schweißteil erzeugte Spannung reduziert werden, indem das Schweißteil unter gleichzeitiger Erwärmung des Teilbereichs ausgebildet wird.
  • (20) In einigen Ausführungsformen des obigen Verfahrens (19) wird das Schweißteil im Rahmen des Schweißteilbildungsschritts derart ausgebildet, dass es eine erste Schicht, welche einen einzelnen Wulst aufweist, und eine zweite Schicht, welche in einer Tiefenrichtung des Nutteils zur ersten Schicht benachbart ist und einen einzelnen Wulst aufweist, umfasst.
  • Gemäß dem obigen Verfahren (20) können Spannungen, welche in der ersten und zweiten Schicht erzeugt worden sind, reduziert werden.
  • (21) Da eine Turbinenlaufschaufel gemäß zumindest einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung mittels des Verfahrens zur Reparatur eines gerichtet erstarrten Gegenstands gemäß einem der Punkte (7) bis (20) repariert worden ist, kann verhindert werden, dass die anderen Kristallkorngrenzen bei der Ausbildung des Schweißteils beeinflusst werden.
  • Da gemäß obiger Konfiguration (21) das Schweißteil eine der Metallzusammensetzung des Basismaterials ähnliche Metallzusammensetzung besitzt, kann darüber hinaus die Festigkeit der Turbinenlaufschaufel sichergestellt werden.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung kann ein relativ tiefer Riss in einem gerichtet erstarrten Gegenstand repariert werden.
  • Figurenliste
    • 1 ist ein perspektivisches Diagramm, welches ein Beispiel für einen gerichtet erstarrten Gegenstand gemäß mehreren Ausführungsformen zeigt.
    • 2 ist eine Figur, welche eine Pfeilansicht A von 1, eine Pfeilansicht BII der Pfeilansicht A, sowie eine Pfeilansicht CII-CII der Pfeilansicht A veranschaulicht.
    • 3 ist ein Flussdiagramm, welches einen Prozessablauf für ein Verfahren zur Reparatur eines gerichtet erstarrten Gegenstands gemäß mehreren Ausführungsformen zeigt.
    • 4 ist eine Figur, welche zwei Laschen zeigt.
    • 5 ist eine Figur, welche eine in 4 dargestellte Turbinenlaufschaufel zeigt, nachdem ein Nutteil in der Turbinenlaufschaufel ausgebildet worden ist.
    • 6 ist eine zur Pfeilansicht A in 1 äquivalente Ansicht, welche ein Beispiel für einen Teilbereich zeigt.
    • 7 ist eine Figur, welche einen Zustand nach Ausbildung einer ersten Schicht in dem Nutteil zeigt.
    • 8 ist eine Figur, welche einen Zustand nach Ausbildung einer zweiten Schicht in dem Nutteil zeigt.
    • 9 ist eine Figur, welche einen Zustand nach Ausbildung einer dritten Schicht in dem Nutteil zeigt.
    • 10 ist eine graphische Darstellung, welche das Ergebnis eines Hochtemperatur-LCF (Niedrigzyklusermüdungs)-Tests für Teststücke zeigt, welche mittels eines Schweißteils gemäß dem Verfahren zur Reparatur eines gerichtet erstarrten Gegenstands gemäß den Ausführungsformen ausgebildet worden sind.
  • GENAUE BESCHREIBUNG
  • Es werden mehrere Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben. Es ist allerdings beabsichtigt, dass die Abmessungen, Materialien, Formen, relativen Positionen und dergleichen der in den Ausführungsformen beschriebenen oder in den Zeichnungen dargestellten Komponenten lediglich als veranschaulichend auszulegen sind und den Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung nicht beschränken sollen.
  • Beispielsweise sind Ausdrücke für eine relative oder absolute Anordnung, wie etwa „in einer bestimmten Richtung“, „entlang einer bestimmten Richtung“, „parallel“, „orthogonal“, „zentriert“, „konzentrisch“ oder „koaxial“, nicht dahingehend auszulegen, dass sie lediglich streng wortwörtlich eine solche Anordnung angeben, sondern auch einen hierzu um eine Toleranz, oder einen Winkel oder einen Abstand relativ versetzten Zustand angeben, solange hierdurch die gleichen Funktionen erzielt werden.
  • Beispielsweise sind Ausdrücke für einen Zustand, in welchem Dinge als gleichwertig gelten, wie etwa „gleich“, „gleichwertig“ und „homogen“ nicht dahingehend auszulegen, dass sie lediglich streng wortwörtlich einen gleichwertigen Zustand angeben, sondern auch einen Zustand angeben, in welchem eine die gleichen Funktionen erzielende Toleranz oder Differenz vorliegt.
  • Beispielsweise sind Ausdrücke für eine Form, wie etwa eine Rechteckform oder eine Zylinderform, nicht dahingehend auszulegen, dass sie lediglich eine Form, wie etwa eine Rechteckform oder eine Zylinderform, im streng geometrischen Sinn angeben, sondern auch eine Form angeben, welche ein unebenes Teil oder ein abgeschrägtes Teil innerhalb eines Bereichs, in welchem die gleichen Effekte erzielt werden, umfassen.
  • Demgegenüber sollen Ausdrücke wie beispielweise „umfassen“, „beinhalten“, „aufweisen“, „enthalten“ und „konstituieren“ andere Komponenten nicht ausschließen.
  • 1 ist ein perspektivisches Diagramm, welches ein Beispiel für einen gerichtet erstarrten Gegenstand gemäß mehreren Ausführungsformen zeigt. Wie in 1 dargestellt ist, handelt es sich bei dem gerichtet erstarrten Gegenstand 1 um eine Turbinenlaufschaufel 1A, welche mit einem Schaufelbereich 2, einer Plattform 3, einem Schaft 4 und einem Schaufelfuß 5 versehen ist. Bei der in 1 dargestellten Turbinenlaufschaufel 1A handelt es sich um eine integrale Struktur, welche durch Gießen einer Nickel-basierten, gerichtet erstarrten Legierung ausgebildet worden ist. Es ist anzumerken, dass es sich bei der in 1 dargestellten Turbinenlaufschaufel 1A auch um eine integrale Struktur handeln kann, welche durch Gießen einer Cobalt-basierten, gerichtet erstarrten Legierung ausgebildet worden ist.
  • Die in 1 dargestellte Turbinenlaufschaufel 1A umfasst eine Vielzahl von säulenförmigen Kristallen 6, welche sich in Spannweitenrichtung erstrecken, was in 1 eine Vertikalrichtung ist. Dies bedeutet, dass in der in 1 dargestellten Turbinenrotorschaufel 1A eine Vielzahl von Kristallkorngrenzen 8 in einer Richtung ausgerichtet ist.
  • Es ist anzumerken, dass, wenn es sich bei der Turbinenlaufschaufel 1A um eine Gasturbinenlaufschaufel handelt, die Größe (die Gesamtlänge in Vertikalrichtung in 1) dieser Laufschaufel im Allgemeinen etwa 150 bis 500 mm beträgt. Weiterhin betragen die Abstände zwischen den Kristallkorngrenzen 8 im Allgemeinen etwa 10 mm.
  • Eine Turbinenlaufschaufel, und insbesondere eine Turbinenlaufschaufel, welche in einer Gasturbine zur Stromerzeugung Anwendung findet, gelangt bei hohen Temperaturen zum Einsatz, wobei sich ihre Temperatur beim Starten und Stoppen einer Turbine erhöht und erniedrigt. Folglich kann die Turbinenlaufschaufel aufgrund einer durch Langzeitverwendung bedingten Wärmeermüdung Risse bekommen. In diesem Fall kann sich in der Turbinenlaufschaufel 1A, wie in 1 dargestellt ist, entlang der Kristallkorngrenze ein relativ tiefer Riss bilden. Ein relativ tiefer Riss ist hierbei beispielsweise ein Riss mit einer Risstiefe von 2 mm oder mehr.
  • 2 ist eine Figur, welche eine Pfeilansicht A von 1, eine Pfeilansicht BII der Pfeilansicht A, sowie eine Pfeilansicht CII-CII der Pfeilansicht A veranschaulicht. Es ist anzumerken, dass es sich bei 2 um eine einen Fall zeigende Figur handelt, in welchem, beispielsweise in der in 1 dargestellten Turbinenlaufschaufel 1A, in einer Endoberfläche 3a der Plattform 3, bezogen auf eine Umfangsrichtung eines nicht dargestellten Turbinenrotors, ein Riss 11 ausgebildet ist. Es ist anzumerken, dass es sich bei diesem Riss 11 gemäß Annahme um einen in der Kristallkorngrenze 8 ausgebildeten Riss handelt, und dass sich eine Tiefenrichtung hiervon entlang der Umfangsrichtung erstreckt.
  • Ein Verfahren zur Reparatur dieses Risses 11 wird nachfolgend beschrieben, sofern der Riss 11, wie in 2 dargestellt ist, in der Endoberfläche 3a der Plattform 3 ausgebildet ist.
  • 3 ist ein Flussdiagramm, welches einen Prozessablauf für ein Verfahren zur Reparatur eines gerichtet erstarrten Gegenstands gemäß mehreren Ausführungsformen zeigt. Das Verfahren zur Reparatur eines gerichtet erstarrten Gegenstands gemäß mehreren Ausführungsformen umfasst einen Laschenbildungsschritt S10, einen Nutteilbildungsschritt S30, einen Vorerwärmungsschritt S50, einen Schweißschritt S100, einen Laschenentfernungsschritt S70 und einen Wärmebehandlungsschritt S90.
  • (Laschenbildungsschritt S10)
  • Der Laschenbildungsschritt S10 ist ein Schritt, welcher, wie in 4 dargestellt ist, das Ausbilden zweier Laschen 21, 22 vor dem nachfolgend zu beschreibenden Schweißschritt S100 vorsieht, und zwar eine an jedem Ende eines Bereichs (Schweißbereichs) 55 eines zu reparierenden Basismaterials 13, in welchem in Bezug auf eine Wachstumsrichtung der säulenförmigen Kristalle 6 in dem Basismaterial 13 ein Schweißteil ausgebildet wird. In der in 1 dargestellten Turbinenlaufschaufel 1A sind die beiden Laschen 21, 22 derart ausgebildet, dass die Plattform 3 in Bezug auf eine Erstreckungsrichtung des Risses der Plattform 3 von beiden Seiten umschlossen ist, d.h. die Plattform 3 in Bezug auf die Spannweitenrichtung an beiden Enden umschlossen ist, wie in 4 dargestellt ist. Es ist anzumerken, dass es sich bei 4 um eine Figur handelt, welche die beiden Laschen 21, 22 zeigt und eine zur Pfeilansicht A von 1 äquivalente Ansicht, eine Pfeilansicht BIV und eine Pfeilansicht CIV-CIV der vorherigen Ansicht umfasst.
  • Weiterhin werden die beiden Laschen 21, 22 im Rahmen des Laschenbildungsschritts S10 derart ausgebildet, dass sie einen Wärmeleitungsweg zwischen der Plattform 3, bei welcher es sich um das Basismaterial 13 handelt, und den Laschen 21, 22 ausbilden.
  • Warum derartige Laschen 21, 22 ausgebildet werden, wird nachfolgend beschrieben.
  • Es ist anzumerken, dass die Laschen 21, 22 im Rahmen des Laschenbildungsschritts S10 aus einem Material ausgebildet werden können, welches sich von jenem des Basismaterials 13 unterscheidet. Dies erleichtert die Ausbildung der Laschen.
  • In mehreren Ausführungsformen werden die Laschen 21, 22 beispielsweise unter Einsatz eines Laserauftragschweißverfahrens erzeugt. Es ist anzumerken, dass die Laschen 21, 22 durch Anbringen von Elementen mit den Formen der Laschen 21, 22 an der Turbinenlaufschaufel 1A mittels Schweißen ausgebildet werden können, oder dass die Laschen 21, 22 durch Spritzen, wie beispielsweise unter Einsatz eines Kaltgasspritzverfahrens oder eines Hochgeschwindigkeitsflammspritzverfahrens, ausgebildet werden können.
  • Werden die Elemente mit den Formen der Laschen 21, 22 durch Schweißen an der Turbinenlaufschaufel 1A angebracht, so wird keine großtechnische Anlage benötigt, was im Hinblick auf die zur Errichtung erforderlichen Kosten und Zeit von Vorteil ist.
  • Werden die Laschen 21, 22 unter Einsatz eines Kaltgasspritzverfahrens oder eines Hochgeschwindigkeitsflammspritzverfahrens ausgebildet, so kann die Verdünnung eines die Laschen 21, 22 in der Turbinenlaufschaufel 1A konstituierenden Materials, bei welchem es sich um ein Basismaterial handelt, verhindert werden, und können konstruktionsbedingte Risse in der Turbinenlaufschaufel 1A verhindert werden.
  • Werden die Laschen 21, 22 unter Einsatz eines Kaltgasspritzverfahrens ausgebildet, so wird im Zuge der Ausbildung der Laschen 21, 22 zudem kein wärmebeeinflusstes Teil in der Turbinenlaufschaufel 1A erzeugt. Folglich ergibt sich kein Einfluss auf die Festigkeit der Turbinenlaufschaufel 1A.
  • (Nutteilbildungsschritt S30)
  • Der Nutteilbildungsschritt S30 ist ein Schritt, welcher das Ausbilden eines Nutteils 31 vorsieht, das lediglich mit einer einzelnen der Vielzahl von Kristallkorngrenzen 8 in dem aus einer gerichtet erstarrten Legierung bestehenden Basismaterial 13 überlappt, wobei in der gerichtet erstarrten Legierung die Vielzahl von Kristallkorngrenzen 8 in einer Richtung ausgerichtet sind.
  • 5 ist eine Figur, welche die Turbinenlaufschaufel 1A zeigt, nachdem ein Nutteil 31a (siehe 2), welches lediglich mit einer einzelnen, den Riss 11 enthaltenden Kristallkorngrenze 8a innerhalb der Vielzahl von Kristallkorngrenzen 8 überlappt, in der in 4 dargestellten Turbinenlaufschaufel 1A ausgebildet worden ist.
  • Wie in 2 dargestellt ist, kann sich, wenn ein Nutteil 31b und ein nachfolgend zu beschreibendes Schweißteil 50 beispielsweise derart ausgebildet sind, dass sie auch mit einer anderen, sich von der einen Kristallkorngrenze 8a unterscheidenden Kristallkorngrenze 8b überlappen, um auf diese Weise den in der einen Kristallkorngrenze 8a ausgebildeten Riss 11 zu reparieren, in der anderen Kristallkorngrenze 8b aufgrund eines Einflusses bei der Ausbildung des Schweißteils 50, wie etwa eines thermischen Einflusses zum Zeitpunkt der Ausbildung des Schweißteils 50, leicht ein Riss bilden, selbst wenn es sich bei der anderen Kristallkorngrenze 8b um eine rissfreie, intakte Kristallkorngrenze handelt.
  • Da gemäß dem Verfahren zur Reparatur eines gerichtet erstarrten Gegenstands gemäß mehreren Ausführungsformen das Schweißteil 50 nicht mit der anderen Kristallkorngrenze 8b überlappt, kann in diesem Zusammenhang verhindert werden, dass die andere Kristallkorngrenze 8b bei der Ausbildung des Schweißteils 50 beeinflusst wird.
  • Im Rahmen des Nutteilbildungsschritts S30 wird das Nutteil 31 derart ausgebildet, dass es sich entlang der Wachstumsrichtung der säulenförmigen Kristalle 6, d.h. entlang der Spannweitenrichtung, erstreckt.
  • Hat sich der Riss 11 entlang der einen Kristallkorngrenze 8a, wie in 1 und 2 dargestellt ist, beispielsweise in der Turbinenlaufschaufel 1A gebildet, so sind die Erstreckungsrichtungen des Nutteils 31 und des nachfolgend zu beschreibenden Schweißteils 50 identisch zur Erstreckungsrichtung des Risses 11, wenn es sich bei der Erstreckungsrichtung des Nutteils 31 um eine Richtung entlang der Wachstumsrichtung der säulenförmigen Kristalle 6 handelt. Folglich handelt es sich bei dem Verfahren zur Reparatur eines gerichtet erstarrten Gegenstands gemäß mehreren Ausführungsformen um ein Reparaturverfahren, welches zur Reparatur des Risses 11 geeignet ist.
  • Im Rahmen des Nutteilbildungsschritts S30 wird das Nutteil 31 nicht nur in der zu reparierenden Plattform 3 ausgebildet, sondern auch, wie in 5 dargestellt ist, in den beiden Laschen 21, 22. Dies bedeutet, dass das Nutteil 31 im Rahmen des Nutteilbildungsschritts S30 in dem Schweißbereich 55 und in den beiden Laschen 21, 22 jenseits des Schweißbereichs 55 ausgebildet wird.
  • (Vorerwärmungsschritt S50)
  • Der Vorerwärmungsschritt S50 ist ein Schritt, welcher, wie in 6 dargestellt ist, das Erwärmen zumindest eines Teilbereichs 40 des Basismaterials 13, einschließlich des Nutteils 31, vorsieht.
  • 6 ist eine zur Pfeilansicht A in 1 äquivalente Ansicht, welche ein Beispiel für den Teilbereich 40 zeigt.
  • Die Festigkeit des Teilbereichs 40 kann durch Erwärmen des Teilbereichs 40 vorübergehend reduziert werden. Folglich kann eine in dem nachfolgend zu beschreibenden Schweißteil 50 erzeugte Spannung reduziert werden, indem das Schweißteil 50 unter gleichzeitiger Erwärmung des Teilbereichs 40 ausgebildet wird.
  • Im Rahmen des Vorerwärmungsschritts S50 wird der Teilbereich 40 derart erwärmt, dass die Temperatur des Teilbereichs 40 bei 900°C oder mehr und 1000°C oder weniger gehalten wird.
  • Es ist anzumerken, dass der Teilbereich 40 im Rahmen des Vorerwärmungsschritts S50 beispielsweise unter Einsatz einer Hochfrequenzinduktionsheizspule (nicht dargestellt), welche derart gewickelt ist, dass sie den Teilbereich 40 ausgehend von der Umgebung des Teilbereichs 40 umschließt, effizient erwärmt werden kann. Durch Verwendung einer Hochfrequenzinduktionsheizspule (nicht dargestellt), welche derart gewickelt ist, dass sie den Teilbereich 40 ausgehend von der Umgebung des Teilbereichs 40 umschließt, kann zudem ein Laserstrahl durch die gewickelte Spule hindurchtreten, und kann während der Ausbildung des Schweißteils 50 eine Interferenz des Laserstrahls und der Spule verhindert werden.
  • (Schweißschritt S100)
  • Der Schweißschritt S100 ist ein Schritt, welcher das Ausbilden des aus einem Metall gebildeten Schweißteils 50 vorsieht, wobei das Schweißteil 50 eine der Metallzusammensetzung des Basismaterials 13 ähnliche Metallzusammensetzung 13 besitzt und, wie in 7 bis 9 dargestellt ist, beim Schweißen des Basismaterials 13 in dem Nutteil 31 verwendet wird.
  • Es ist anzumerken, dass es sich bei 7 um eine Figur handelt, welche einen Zustand nach Ausbildung einer nachfolgend zu beschreibenden ersten Schicht 51 in dem Nutteil 31 zeigt. 8 ist eine Figur, welche einen Zustand nach Ausbildung einer nachfolgend zu beschreibenden zweiten Schicht 52 in dem Nutteil 31 zeigt. 9 ist eine Figur, welche einen Zustand nach Ausbildung einer nachfolgend zu beschreibenden dritten Schicht 53 in dem Nutteil 31 zeigt.
  • Gemäß dem Verfahren zur Reparatur eines gerichtet erstarrten Gegenstands gemäß mehreren Ausführungsformen überlappt das Schweißteil 50 nicht mit der vorstehend erwähnten anderen Kristallkorngrenze 8b. Folglich kann verhindert werden, dass die andere Kristallkorngrenze 8b bei der Ausbildung des Schweißteils 50 beeinflusst wird.
  • Wird das Schweißteil 50 zwecks Verbesserung der Schweißbarkeit beispielsweise unter Einsatz eines sich vom Basismaterial 13 unterscheidenden Legierungsmaterials ausgebildet, so kann sich die Festigkeit des Schweißteils 50 gegenüber jener des Basismaterials 13 drastisch verringern.
  • Da gemäß dem Verfahren zur Reparatur eines gerichtet erstarrten Gegenstands gemäß mehrerer Ausführungsformen das Schweißteil 50 eine der Metallzusammensetzung des Basismaterials 13 ähnliche Metallzusammensetzung besitzt, kann in diesem Zusammenhang die Festigkeit der Turbinenlaufschaufel 1A, bei welcher es sich um den reparierten, gerichtet erstarrten Gegenstand 1 handelt, sichergestellt werden.
  • Dass das Schweißteil 50 eine der Metallzusammensetzung des Basismaterials 13 ähnliche Metallzusammensetzung besitzt, schließt neben einem Fall, in welchem der Materialtyp des Schweißteils 50 mit jenem des Basismaterials 13 identisch ist, auch einen Fall ein, in welchem das zur Ausbildung des Schweißteils 50 verwendete Material ein sich von dem Komponentenverhältnis des Basismaterials unterscheidendes Komponentenverhältnis aufweist, da beispielsweise eine Verflüchtigung zum Zeitpunkt des Schweißens berücksichtigt wird.
  • Es wird nunmehr ein Beispiel für eine Komponentenzusammensetzung beschrieben. Dass das Schweißteil 50 eine der Metallzusammensetzung des Basismaterials 13 ähnliche Metallzusammensetzung besitzt, schließt einen Fall ein, in welchem sowohl das Schweißteil 50 als auch das Basismaterial 13, in Masse%, Co: 5 bis 12%, Cr: 5 bis 12%, Mo: 0.5 bis 3.0%, W: 3.0 bis 6.0%, Al: 5.5 bis 7.2%, Ti: 1.0 bis 3.0 %, Ta: 1.5 bis 6.0%, Re: 0 bis 2.0%, C: 0.01 bis 0.20%, und einen Rest bestehend aus Ni und unvermeidbaren Verunreinigungen als Komponentenzusammensetzung enthalten. Es ist anzumerken, dass zumindest eines ausgewählt aus dem Schweißteil 50 und dem Basismaterial 13 neben jeder der vorstehend genannten Komponenten, sofern erforderlich, eines, zwei oder mehrere ausgewählt aus B: 0.005 bis 0.030%, Hf: 0.01 bis 0.15% und Zr: 0.001 bis 0.02% enthalten kann.
  • Gemäß dem Verfahren zur Reparatur eines gerichtet erstarrten Gegenstands gemäß mehreren Ausführungsformen bestehen das Basismaterial 13 und das Schweißteil 50 aus einer Nickel-basierten Legierung oder einer Cobalt-basierten Legierung. Die Hochtemperaturfestigkeit des gerichtet erstarrten Gegenstands kann sichergestellt werden, indem man dafür sorgt, dass das Basismaterial und das Schweißteil aus der Nickel-basierten Legierung oder der Cobalt-basierten Legierung auf diese Weise hergestellt werden.
  • Im Rahmen des Schweißschritts S100 wird das Schweißteil 50 ausgebildet, wobei das Schweißteil die erste Schicht 51, welche einen einzelnen Wulst 61 aufweist, und die zweite Schicht 52, welche in der Tiefenrichtung des Nutteils 31 zur ersten Schicht 51 benachbart ist und einen einzelnen Wulst 62 aufweist, umfasst. Es ist anzumerken, dass in dem Verfahren zur Reparatur eines gerichtet erstarrten Gegenstands gemäß mehreren Ausführungsformen im Rahmen des Schweißschritts S100 weiterhin die dritte Schicht 53, welche in der Tiefenrichtung des Nutteils 31 zur zweiten Schicht 52 benachbart ist und einen einzelnen Wulst 63 aufweist, ausgebildet wird.
  • Beim Mehrschichtschweißen in Form des Verschweißens einer Vielzahl von Schichten in der Tiefenrichtung des Nutteils 31 erhöht sich mit steigender Anzahl der Wülste in jeder Schicht die Wahrscheinlichkeit, dass zum Zeitpunkt des Schweißens die Umgebung des Nutteils 31 thermisch beeinflusst wird.
  • Da gemäß dem Verfahren zur Reparatur eines gerichtet erstarrten Gegenstands gemäß mehreren Ausführungsformen jede der ersten, zweiten und dritten Schichten 51, 52 und 53 einen einzelnen Wulst aufweist, kann in diesem Zusammenhang der zum Zeitpunkt des Schweißens auf die Umgebung des Nutteils 31 wirkende thermische Einfluss unterdrückt werden.
  • Es ist anzumerken, dass die Anzahl der Schichten in dem Schweißteil 50 nicht auf die vorstehend beschriebenen drei Schichten beschränkt ist, und in Abhängigkeit von der Tiefe des Nutteils 31, d.h. der Tiefe des Risses 11, eine oder zwei Schichten oder vier oder mehr Schichten ausgebildet sein können.
  • Im Rahmen des Schweißschritts S100 wird das Schweißteil 50 unter Einsatz eines Laserauftragschweißverfahrens ausgebildet.
  • Selbst wenn es sich bei dem Basismaterial 13 um ein schwer zu schweißendes Material handelt, kann auf diese Weise das eine ähnliche Metallzusammensetzung wie das Basismaterials 13 aufweisende Schweißteil 50 in dem Nutteil 31 bereitgestellt werden.
  • Da der Wärmeeintrag in das Schweißteil 50 zum Zeitpunkt des Schweißens, beispielsweise im Vergleich zum WIG-Schweißen oder dergleichen, durch die Verwendung eines Laserstrahls, eines Elektronenstrahls oder dergleichen als Wärmequelle für das Schweißen stabilisiert wird, können zudem Schwankungen von Eigenschaften des Schweißteils 50, wie z.B. der Festigkeit, verhindert werden.
  • Wie vorstehend beschrieben wird das Schweißteil 50 im Rahmen des Schweißschritts S100 unter gleichzeitiger Erwärmung des Teilbereichs 40 im Vorerwärmungsschritt S50 ausgebildet. Darüber hinaus wird das die erste, zweite und dritte Schicht 51, 52 und 53 umfassende Schweißteil 50 im Rahmen des Schweißschritts S100 unter Fortsetzung des Vorerwärmens im Vorerwärmungsschritt S50 ausgebildet.
  • Dementsprechend kann eine in der ersten Schicht 51 bis dritten Schicht 53 erzeugte Spannung reduziert werden.
  • Es ist anzumerken, dass das Vorerwärmen mittels des Vorerwärmungsschritts S50 beendet wird, nachdem die dritte Schicht 53 ausgebildet worden ist.
  • Im Rahmen des Schweißschritts S100 wird das Schweißteil 50 durch Schweißen entlang der Erstreckungsrichtung des Nutteils 31, d.h. entlang der Wachstumsrichtung der säulenförmigen Kristalle 6 in dem Nutteil 31, ausgebildet.
  • Hat sich, wie vorstehend beschrieben, vor der Ausbildung des Schweißteils 50 ein Riss 11 entlang der einen Kristallkorngrenze 8a in der Turbinenlaufschaufel 1A, bei welcher es sich um den gerichtet erstarrten Gegenstand 1 handelt, gebildet, so sind die Erstreckungsrichtungen des Nutteils 31 und des Schweißteils 50 identisch zur Erstreckungsrichtung des Risses 11, wenn es sich bei der Erstreckungsrichtung des Nutteils 31 um eine Richtung entlang der Wachstumsrichtung der säulenförmigen Kristalle 6 handelt. Folglich handelt es sich bei dem Verfahren zur Reparatur eines gerichtet erstarrten Gegenstands gemäß mehreren Ausführungsformen um ein Reparaturverfahren, welches zur Reparatur des Risses geeignet ist.
  • In dem Verfahren zur Reparatur eines gerichtet erstarrten Gegenstands gemäß mehreren Ausführungsformen wird im Rahmen des Schweißschritts S100 das Schweißteil 50 in dem Nutteil 31 durch Verschweißen von einer (z.B. Lasche 21) der beiden Laschen mit der anderen (z.B. Lasche 22) der beiden Laschen über den Schweißbereich 55 hinweg ausgebildet.
  • An einer Schweißstartposition und einer Schweißendposition eines Schweißwegs, d.h. an den beiden Endteilen des Wulsts 61 bis 63, unterscheidet sich der Zustand des Wärmeeintrags zum Zeitpunkt des Schweißens von jenem in einem anderen, sich von den beiden Endteilen 61a, 62a, 63a unterscheidenden Teil beim Beginn oder bei der Beendigung des Schweißens. Da der Wulst 61 bis 63 außerhalb der beiden Endteile 61a, 62a, 63a in Erstreckungsrichtung des Wulsts 61 bis 63 nicht vorhanden ist, unterscheidet sich die Art und Weise, wie Wärmeenergie zum Zeitpunkt des Abkühlens an den beiden Endteilen 61a, 62a, 63a entweicht, von jener in dem anderen, sich von den beiden Endteilen 61a, 62a, 63a unterscheidenden Teil. Folglich kann sich leicht ein Riss bilden, oder es kann Schwierigkeiten bereiten, in der Nähe der beiden Endteile 61a, 62a, 63a Festigkeit oder dergleichen sicherzustellen.
  • Da gemäß dem Verfahren zur Reparatur eines gerichtet erstarrten Gegenstands gemäß mehreren Ausführungsformen das Verschweißen von einer der beiden Laschen 21, 22 mit der anderen der beiden Laschen 21, 22 über den Schweißbereich 55 hinweg durchgeführt wird, sind in diesem Zusammenhang die beiden Enden des Wulsts 61 bis 63 auf den beiden Laschen 21, 22 angeordnet, und ist der sich von den beiden Endteilen 61a, 62a, 63a unterscheidende Teil des Wulsts 61 bis 63 in jenem Bereich (Schweißbereich 55) des Basismaterials 13 angeordnet, in welchem das Schweißteil 50 ausgebildet wird. Dementsprechend kann die Festigkeit des Schweißteils 50 in dem Schweißbereich 55 sichergestellt werden.
  • Wird beispielsweise die Plattform 3 wie vorstehend beschrieben durch Schweißen repariert, sind Stufen zwischen der Endoberfläche 3a der Plattform 3 und dem Schaufelbereich 2 sowie zwischen der Endoberfläche 3a der Plattform 3 und dem Schaft 4 vorhanden, d.h. an beiden Endpositionen des Schweißbereichs 55. Folglich findet im Rahmen der Ausbildung des Schweißteils 50 unter Einsatz des Laserauftragschweißverfahrens in der Nähe der beiden Enden des Schweißbereichs 55 nur schwerlich eine Auffüllung statt.
  • Da gemäß dem Verfahren zur Reparatur eines gerichtet erstarrten Gegenstands gemäß mehreren Ausführungsformen die Laschen 21, 22 an beiden Endpositionen des Schweißbereichs 55 ausgebildet sind, kann die eine der beiden Laschen 21, 22 mit der anderen der beiden Laschen 21, 22 wie vorstehend beschrieben über den Schweißbereich 55 hinweg verschweißt werden, wobei das Problem einer Auffüllung mittels der vorstehend genannten Schritte gelöst werden kann.
  • Wie vorstehend beschrieben werden die beiden Laschen 21, 22 im Rahmen des Verfahrens zur Reparatur eines gerichtet erstarrten Gegenstands gemäß mehreren Ausführungsformen derart ausgebildet, dass sie einen Wärmeleitungsweg zwischen der Plattform 3, bei welcher es sich um das Basismaterial 13 handelt, und den Laschen 21, 22 ausbilden.
  • Ist der zwischen den Laschen 21, 22 und dem Basismaterial 13 bestehende Wärmeleitungsweg unzureichend ausgebildet, so kann die beim Schweißen erzeugte Wärmeenergie bei Ausbildung des Schweißteils 50 auf den Laschen 21, 22 nicht in hinreichendem Ausmaß auf das Basismaterial 13 übertragen werden, und können die Temperaturen der Laschen 21, 22 übermäßig ansteigen. In Abhängigkeit von den Schweißbedingungen können die Laschen 21, 22 schmelzen und absinken.
  • Da gemäß dem Verfahren zur Reparatur eines gerichtet erstarrten Gegenstands gemäß mehreren Ausführungsformen die beim Schweißen erzeugte Wärmeenergie in hinreichendem Ausmaß auf das Basismaterial 13 übertragen werden kann, kann in diesem Zusammenhang eine übermäßige Temperaturerhöhung der Laschen 21, 22 verhindert werden.
  • (Betreff: Formen der Wülste 61, 62 und 63)
  • In dem Verfahren zur Reparatur eines gerichtet erstarrten Gegenstands gemäß mehreren Ausführungsformen werden im Rahmen des Schweißschritts S100 die erste und zweite Schicht 51, 52, in welchen das Verhältnis (h/w) einer Höhe h des Wulsts 61, 62 zu einer Breite w des Wulsts 61, 62 0.8 oder weniger beträgt, ausgebildet (siehe 7). Es ist anzumerken, dass in dem Verfahren zur Reparatur eines gerichtet erstarrten Gegenstands gemäß mehreren Ausführungsformen im Rahmen des Schweißschritts S100 die dritte Schicht 53, in welcher das Verhältnis (h/w) einer Höhe h des Wulsts 63 zu einer Breite w des Wulsts 63 0.8 oder weniger beträgt, ausgebildet wird.
  • Weist, wie vorstehend beschrieben, jede der Schichten 51, 52, 53 einen einzelnen Wulst auf, so steht die Unterseitenfläche eines jeden Wulsts 61, 62, 63 mit dem Basismaterial 13 in Kontakt, oder stehen der Wulst der unteren Schicht und die beiden Seitenflächen hiervon mit dem Basismaterial 13 in Kontakt. Im Rahmen des Abkühl- und Erstarrungsprozesses des geschmolzenen Wulsts 61, 62, 63 wird die dem Wulst 61, 62, 63 immanente Wärmeenergie somit von der Unterseitenfläche und den beiden Seitenflächen auf die Umgebung übertragen, wodurch sich der Wulst 61, 62, 63 abkühlt.
  • Bei Anstieg des obigen Verhältnisses (h/w) vergrößern sich hierbei die Flächen der Seitenflächen des Wulsts 61, 62, 63 in Bezug auf eine Fläche der Unterseitenfläche des Wulsts 61, 62, 63. Folglich wird die dem Wulst 61, 62, 63 immanente Wärmeenergie bei Anstieg des obigen Verhältnisses (h/w) leichter von den beiden Seitenflächen auf die Umgebung übertragen als von der Unterseitenfläche.
  • Im Rahmen des Erstarrungsprozesses des Wulsts 61, 62, 63 erstarrt zunächst ein Bereich, in welchem die Temperatur problemlos abnimmt, und erstarrt später ein Bereich, in welchem die Temperatur schwerlich abnimmt. Bei Anstieg des obigen Verhältnisses (h/w) schreitet die Erstarrung des Wulsts 61, 62, 63 somit von den beiden Seitenflächen in Richtung eines Mittelpunkts in Breitenrichtung leichter voran. Verringert sich demgegenüber das obige Verhältnis (h/w), so schreitet die Erstarrung des Wulsts 61, 62, 63 von der Unterseitenfläche zur Oberseitenfläche leichter voran.
  • Schreitet die Erstarrung des Wulsts 61, 62, 63 von den beiden Seitenflächen in Richtung des Mittelpunkts in Breitenrichtung voran, so kann ein Flüssigphasenteil in der Nähe des Mittelpunkts in Breitenrichtung frei werden, und können sich Erstarrungsrisse bilden, wenn der Wulst 61, 62, 63 im Rahmen der Erstarrung des Wulsts 61, 62, 63 unter Erzeugung von Wärmespannung schrumpft. Um eine solche Erstarrungsrissbildung zu verhindern, ist es wünschenswert, dafür zu sorgen, dass die Erstarrung des Wulsts 61, 62, 63 problemlos von der Unterseitenfläche zur Oberseitenfläche voranschreitet, indem das obige Verhältnis (h/w) reduziert wird.
  • Als Ergebnis ernsthafter Untersuchungen der Erfinder wurde herausgefunden, dass, wenn wie vorstehend beschrieben jede der Schichten 51, 52, 53 einen einzelnen Wulst aufweist, die vorstehend beschriebene Erstarrungsrissbildung verhindert werden kann, sofern das obige Verhältnis (h/w) 0.8 oder weniger beträgt.
  • Dementsprechend kann die vorstehend beschriebene Erstarrungsrissbildung mittels des Verfahrens zur Reparatur eines gerichtet erstarrten Gegenstands gemäß mehreren Ausführungsformen verhindert werden.
  • (Betreff: Strahlenmuster von Laserstrahl)
  • Wie vorstehend beschrieben wird das Schweißteil 50 in dem Verfahren zur Reparatur eines gerichtet erstarrten Gegenstands gemäß mehreren Ausführungsformen unter Einsatz eines Laserauftragschweißverfahrens ausgebildet. Ein Strahlenmuster zum Zeitpunkt der Ausbildung einer jeden Schicht 51, 52, 53 wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die 7 bis 9 beschrieben.
  • In dem Verfahren zur Reparatur eines gerichtet erstarrten Gegenstands gemäß mehreren Ausführungsformen wird das Schweißteil 50 durch Einstrahlen eines Laserstrahls mit einem rechtwinkligen Strahlenmuster 70 ausgebildet, welches entlang einer zur Spannweitenrichtung orthogonalen Richtung größer ist als entlang der Wachstumsrichtung der säulenförmigen Kristalle 6, d.h. entlang der Spannweitenrichtung.
  • Als Ergebnis ernsthafter Untersuchungen der Erfinder wurde festgestellt, dass, wenn die im Rahmen des Laserauftragschweißverfahrens eingetragene Wärmemenge zu groß ist, das Basismaterial 13 unterhalb des auzubildenden Wulsts oder der in der unteren Schicht befindliche Wulst mehr als nötig schmilzt. Folglich wird die eingetragene Wärmemenge wünschenswerterweise derart reduziert, dass sie nicht übermäßig groß ist. Zu diesem Zweck wird in Betracht gezogen, die Größe eines Musters in einer Abtastrichtung des Laserstrahls an der Position des Wulsts 61, 62, 63 klein zu halten, oder die Abtastgeschwindigkeit zu erhöhen.
  • Wird die Abtastgeschwindigkeit erhöht, so erfolgt innerhalb kurzer Zeit eine Trennung von Laserstrahl und ausgebildetem Wulst 61, 62, 63. Folglich erhöht sich die Abkühlrate des ausgebildeten Wulsts 61, 62, 63, und die Wärmespannung in dem Wulst 61, 62, 63 ist tendenziell hoch. Dementsprechend wird die Abtastgeschwindigkeit wünschenswerterweise reduziert. Wird die Abtastgeschwindigkeit unter dem Gesichtspunkt der eingetragenen Wärmemenge reduziert, so wird darüber hinaus wünschenswerterweise die Größe des Musters in der Abtastrichtung des Laserstrahls an der Position des Wulsts 61, 62, 63 klein gehalten.
  • Handelt es sich bei der Abtastrichtung des Laserstrahls um dieselbe Richtung wie die Spannweitenrichtung, so kann dementsprechend verhindert werden, dass das Basismaterial unterhalb des auszubildenden Wulsts oder der in der unteren Schicht befindliche Wulst mehr als nötig schmilzt, während gleichzeitig eine Wärmespannung des Wulsts 61, 62, 63 vermieden wird, und kann die Festigkeit des reparierten, gerichtet erstarrten Gegenstands 1 sichergestellt werden, indem das rechtwinklige Strahlenmuster 70 derart ausgebildet wird, dass es entlang einer zur Spannweitenrichtung orthogonalen Richtung größer ist als entlang der Spannweitenrichtung.
  • In dem Verfahren zur Reparatur eines gerichtet erstarrten Gegenstands gemäß mehreren Ausführungsformen wird, wie in 7 dargestellt ist, die erste Schicht 51 im Rahmen des Schweißschritts S100 durch Einstrahlen eines Laserstrahls mit einem rechtwinkligen Strahlenmuster 71 ausgebildet, dessen Dimension entlang der zur Spannweitenrichtung orthogonalen Richtung kleiner ist als die Breite Wo des Nutteils 31 in der Oberfläche des Basismaterials 13. In ähnlicher Art und Weise wird in dem Verfahren zur Reparatur eines gerichtet erstarrten Gegenstands gemäß mehreren Ausführungsformen, wie in 8 dargestellt ist, die zweite Schicht 52 im Rahmen des Schweißschritts S100 durch Einstrahlen eines Laserstrahls mit einem rechtwinkligen Strahlenmuster 71 ausgebildet, dessen Dimension entlang der zur Spannweitenrichtung orthogonalen Richtung kleiner ist als die Breite Wo des Nutteils 31 in der Oberfläche des Basismaterials 13.
  • Auf diese Weise kann verhindert werden, dass ein Bereich außerhalb des Nutteils 31 auf der Oberfläche des Basismaterials 13, welcher bei Ausbildung der ersten und zweiten Schicht 51, 52 nicht mit einem Laserstrahl bestrahlt werden muss, mit einem Laserstrahl bestrahlt wird.
  • Es ist anzumerken, dass in dem Verfahren zur Reparatur eines gerichtet erstarrten Gegenstands gemäß mehreren Ausführungsformen, wie in 9 dargestellt ist, die dritte Schicht 53 im Rahmen des Schweißschritts S100 durch Einstrahlen eines Laserstrahls mit einem rechtwinkligen Strahlenmuster 72 ausgebildet wird, dessen Dimension entlang der zur Spannweitenrichtung orthogonalen Richtung größer ist als die Breite Wo des Nutteils 31 in der Oberfläche des Basismaterials 13.
  • Darüber hinaus ist in dem Verfahren zur Reparatur eines gerichtet erstarrten Gegenstands gemäß mehreren Ausführungsformen die Intensität des Laserstrahls wünschenswerterweise so konstant wie möglich, und hängt nicht von der Position in dem vorstehend beschriebenen rechtwinkligen Strahlenmuster 70 ab. Durch Ausbilden des Schweißteils 50 unter Einsatz des Laserstrahls mit einem solchen Strahlenmuster 70 wird ein Schmelzzustand des Basismaterials 13 und des Wulsts 61, 62, 63 positionsunabhängig stabilisiert. Folglich können Schwankungen von Eigenschaften des Schweißteils 50, wie z.B. der Festigkeit, verhindert werden.
  • Es ist anzumerken, dass in dem Verfahren zur Reparatur eines gerichtet erstarrten Gegenstands gemäß mehreren Ausführungsformen ein Strahlenhomogenisator zur Ausbildung eines solchen Strahlenmusters 70 verwendet werden kann.
  • (Betreff: Abtasten mit Laserstrahl)
  • In dem Verfahren zur Reparatur eines gerichtet erstarrten Gegenstands gemäß mehreren Ausführungsformen erfolgt die Abtastung mit dem Laserstrahl im Rahmen des Schweißschritts S100 entlang der Wachstumsrichtung der säulenförmigen Kristalle 6, d.h. entlang der Spannweitenrichtung, wie in 7 bis 9 mittels eines Pfeils F angedeutet ist.
  • Bildet sich in dem gerichtet erstarrten Gegenstand 1 der Riss 11 entlang der einen Kristallkorngrenze 8a, so handelt es sich bei der Abtastrichtung des Laserstrahls, d.h. der Erstreckungsrichtung des Wulsts 61, 62, 63, um dieselbe Richtung wie die Erstreckungsrichtung des Risses 11, wenn die Abtastrichtung des Laserstrahls eine Richtung entlang der Wachstumsrichtung der säulenförmigen Kristalle 6 ist. Gemäß dem Verfahren zur Reparatur eines gerichtet erstarrten Gegenstands gemäß mehreren Ausführungsformen handelt es sich bei der Abtastrichtung des Laserstrahls dementsprechend um eine Richtung, welche zur Reparatur des Risses 11 geeignet ist.
  • In dem Verfahren zur Reparatur eines gerichtet erstarrten Gegenstands gemäß mehreren Ausführungsformen wird das Schweißteil 50 im Rahmen des Schweißschritts S100 durch Abtasten mit dem Laserstrahl bei einer Abtastgeschwindigkeit von 20 mm/min ausgebildet.
  • Wie vorstehend beschrieben wird die Abtastgeschwindigkeit des Laserstrahls unter dem Gesichtspunkt einer Verhinderung von Wärmespannung in dem Wulst 61, 62, 63 wünschenswerterweise reduziert.
  • Als Ergebnis ernsthafter Untersuchungen der Erfinder wurde festgestellt, dass es gut ist, das Schweißteil 50 durch Abtasten mit dem Laserstrahl bei einer Abtastgeschwindigkeit von 20 mm/min oder weniger, und stärker bevorzugt 10 mm/min oder weniger, auszubilden.
  • Dementsprechend kann gemäß dem Verfahren zur Reparatur eines gerichtet erstarrten Gegenstands gemäß mehreren Ausführungsformen die Wärmespannung des Wulsts 61, 62, 63 verhindert werden, und kann die Festigkeit des reparierten, gerichtet erstarrten Gegenstands 1 sichergestellt werden.
  • (Laschenentfernungsschritt S70)
  • Der Laschenentfernungsschritt S70 ist ein Schritt, welcher das Entfernen der beiden Laschen 21, 22 von der Turbinenlaufschaufel 1A nach Beendigung des Schweißschritts S100 vorsieht.
  • Im Rahmen des Laschenentfernungsschritts S70 werden die Laschen 21, 22 und das auf den Laschen 21, 22 ausgebildete Schweißteil 50 beispielsweise unter Einsatz einer Schleifvorrichtung oder dergleichen von der Turbinenlaufschaufel 1A entfernt.
  • Es ist anzumerken, dass der Laschenentfernungsschritt S70 durchgeführt werden kann, nachdem der als nächstes zu beschreibende Wärmebehandlungsschritt S90 beendet worden ist.
  • (Wärmebehandlungsschritt S90)
  • Der Wärmebehandlungsschritt S90 ist ein Schritt, welcher das Wärmebehandeln der Turbinenlaufschaufel 1A nach Beendigung des Laschenentfernungsschritts S70 oder des Schweißschritts S100 vorsieht. Im Rahmen des Wärmebehandlungsschritts S90 wird beispielsweise eine Stabilisierungswärmebehandlung oder eine Alterungswärmebehandlung durchgeführt.
  • Mit der mittels des Verfahrens zur Reparatur eines gerichtet erstarrten Gegenstands gemäß mehreren Ausführungsformen reparierten Turbinenlaufschaufel 1A kann verhindert werden, dass die vorstehend erwähnte andere Kristallkorngrenze 8b bei der Ausbildung des Schweißteils 50 beeinflusst wird.
  • Weiterhin kann mit der mittels des Verfahrens zur Reparatur eines gerichtet erstarrten Gegenstands gemäß mehreren Ausführungsformen reparierten Turbinenlaufschaufel 1A die Festigkeit der Turbinenlaufschaufel 1A sichergestellt werden, da das Schweißteil 50 eine der Metallzusammensetzung des Basismaterials 13 ähnliche Metallzusammensetzung besitzt.
  • Obgleich der gerichtet erstarrte Gegenstand unter Verwendung der Turbinenlaufschaufel 1A als Beispiel vorstehend beschrieben wurde, können Funktionen und Effekte, welche den vorstehend beschriebenen Funktionen und Effekten ähnlich sind, selbst dann erhalten werden, wenn es sich bei dem gerichtet erstarrten Gegenstand beispielsweise um eine Turbinenleitschaufel oder um eine einen Brenner einer Gasturbine ausbildende Komponente handelt.
  • Dies bedeutet, dass der gerichtet erstarrte Gegenstand 1 gemäß mehreren Ausführungsformen das Basismaterial 13, welches aus der gerichtet erstarrten Legierung besteht, in der die Vielzahl von Kristallkorngrenzen 8 in einer Richtung ausgerichtet sind, sowie das Schweißteil 50, welches in dem Nutteil 31 des Basismaterials 13 ausgebildet ist und eine der Metallzusammensetzung des Basismaterials 13 ähnliche Metallzusammensetzung besitzt, umfasst. In dem gerichtet erstarrten Gegenstand 1 gemäß mehreren Ausführungsformen überlappt der Schweißteil 50 lediglich mit der einzelnen Kristallkorngrenze 8a innerhalb der Vielzahl von Kristallkorngrenzen 8.
  • Dementsprechend kann mittels des gerichtet erstarrten Gegenstands 1 gemäß mehreren Ausführungsformen verhindert werden, dass die vorstehende erwähnte andere Kristallkorngrenze 8b bei der Ausbildung des Schweißteils 50 beeinflusst wird.
  • Der gerichtet erstarrte Gegenstand 1 gemäß mehreren Ausführungsformen umfasst die erste Schicht 51 und die zweite Schicht 52. Jede der ersten und zweiten Schichte 51, 52 wird von einem einzelnen Wulst ausgebildet.
  • Wie vorstehend beschrieben erhöht sich beim Mehrschichtschweißen in Form des Verschweißens einer Vielzahl von Schichten in der Tiefenrichtung des Nutteils 31 mit steigender Anzahl der Wülste in jeder Schicht die Wahrscheinlichkeit, dass zum Zeitpunkt des Schweißens die Umgebung des Nutteils 31 thermisch beeinflusst wird.
  • Da jede der ersten und zweiten Schichten 51, 52 einen einzelnen Wulst aufweist, kann in dem gerichtet erstarrten Gegenstand 1 gemäß mehreren Ausführungsformen in diesem Zusammenhang der zum Zeitpunkt des Schweißens auf die Umgebung des Nutteils 31 wirkende thermische Einfluss unterdrückt werden.
  • In dem gerichtet erstarrten Gegenstand 1 gemäß mehreren Ausführungsformen beträgt das Verhältnis (h/w) der Höhe h zur Breite w des Wulsts 61, 62, 63 0.8 oder weniger.
  • Dementsprechend kann mittels des gerichtet erstarrten Gegenstands 1 gemäß mehreren Ausführungsformen die vorstehend beschriebene Erstarrungsrissbildung verhindert werden.
  • In dem gerichtet erstarrten Gegenstand 1 gemäß mehreren Ausführungsformen handelt es sich bei der Erstreckungsrichtung des Wulsts 61, 62, 63 um eine Richtung entlang der Wachstumsrichtung der säulenförmigen Kristalle 6 in dem Basismaterial 13.
  • Dementsprechend handelt es sich bei der Erstreckungsrichtung des Wulsts 61, 62, 63 in dem gerichtet erstarrten Gegenstand 1 gemäß mehreren Ausführungsformen um eine Richtung, welche zur Reparatur des vorstehend beschriebenen Risses 11 geeignet ist.
  • 10 ist eine graphische Darstellung, welche das Ergebnis eines Hochtemperatur-LCF (Niedrigzyklusermüdungs)-Tests für Teststücke zeigt, welche mittels eines Schweißteils 50 gemäß dem Verfahren zur Reparatur eines gerichtet erstarrten Gegenstands gemäß den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen ausgebildet worden sind.
  • In diesem Test für das Teststück wurde das Schweißteil 50, welches eine der Metallzusammensetzung des Teststücks ähnliche Metallzusammensetzung besaß und aus einem zum Schweißen dieses Teststücks verwendeten Metall geformt wurde, in einem in dem Teststück ausgebildeten Nutteil 31 ausgebildet.
  • Der Hochtemperatur-LCF-Test, dessen Ergebnis in 10 dargestellt ist, wurde unter Bedingungen einer Teststücktemperatur von 850°C und einer Gesamtverformung von 1.0% durchgeführt. Das Ergebnis ist in 10 als Beispiel 1 und Beispiel 2 dargestellt.
  • Wie aus 10 klar ersichtlich ist, bestätigte sich, dass die Hochtemperatur-Niedrigzyklus-Ermüdungsfestigkeit in dem Schweißteil 50 des Teststücks äquivalent zur Hochtemperatur-Niedrigzyklus-Ermüdungsfestigkeit in einem Basismaterial des Teststücks ist.
  • Die vorliegende Offenbarung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen beschränkt und umfasst auch Abwandlungen der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen sowie geeignete Kombinationen dieser Ausführungsformen und Abwandlungen.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • JP 2001288554 A [0005]

Claims (21)

  1. Gerichtet erstarrter Gegenstand, umfassend: ein Basismaterial, welches aus einer gerichtet erstarrten Legierung besteht, in der eine Vielzahl von Kristallkorngrenzen in einer Richtung ausgerichtet ist; und ein Schweißteil, welches in einem Nutteil des Basismaterials bereitgestellt ist, wobei das Schweißteil eine der Metallzusammensetzung des Basismaterials ähnliche Metallzusammensetzung besitzt, und wobei das Schweißteil mittels eines beim Schweißen des Basismaterials verwendeten Metall ausgebildet worden ist, wobei das Schweißteil lediglich mit einer einzelnen aus der Vielzahl von Kristallkorngrenzen überlappt.
  2. Gerichtet erstarrter Gegenstand gemäß Anspruch 1, wobei das Schweißteil eine erste Schicht und eine zur ersten Schicht in einer Tiefenrichtung des Nutteils benachbarte zweite Schicht umfasst, und jede der ersten Schicht und der zweiten Schicht aus einem einzelnen Wulst ausgebildet ist.
  3. Gerichtet erstarrter Gegenstand gemäß Anspruch 2, wobei das Verhältnis von Höhe des Wulsts zur Breite des Wulsts 0.8 oder weniger beträgt.
  4. Gerichtet erstarrter Gegenstand gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei es sich bei der Erstreckungsrichtung eines Wulsts um eine Richtung entlang einer Wachstumsrichtung von säulenförmigen Kristallen in dem Basismaterial handelt.
  5. Gerichtet erstarrter Gegenstand gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Basismaterial und das Schweißteil aus einer Nickel-basierten Legierung oder einer Cobalt-basierten Legierung bestehen.
  6. Turbinenlaufschaufel, umfassend den gerichtet erstarrten Gegenstand gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5.
  7. Verfahren zur Reparatur eines gerichtet erstarrten Gegenstands, umfassend: einen Schritt des Ausbildens eines Nutteils, welches lediglich mit einer einzelnen aus einer Vielzahl von Kristallkorngrenzen in einem Basismaterial überlappt, wobei das Basismaterial aus einer gerichtet erstarrten Legierung besteht, in der die Vielzahl von Kristallkorngrenzen in einer Richtung ausgerichtet sind; und einen Schritt des Ausbildens eines Schweißteils, welches eine der Metallzusammensetzung des Basismaterials ähnliche Metallzusammensetzung besitzt, in dem Nutteil mittels eines beim Schweißen des Basismaterials verwendeten Metall.
  8. Verfahren zur Reparatur eines gerichtet erstarrten Gegenstands gemäß Anspruch 7, wobei das Schweißteil im Rahmen des Schweißteilbildungsschritts derart ausgebildet wird, dass es eine erste Schicht, welche einen einzelnen Wulst aufweist, und eine zweite Schicht, welche in einer Tiefenrichtung des Nutteils zur ersten Schicht benachbart ist und einen einzelnen Wulst aufweist, umfasst.
  9. Verfahren zur Reparatur eines gerichtet erstarrten Gegenstands gemäß Anspruch 8, wobei die erste Schicht und die zweite Schicht im Rahmen des Schweißteilbildungsschritts derart ausgebildet werden, dass das Verhältnis von Höhe des Wulsts zur Breite des Wulsts 0.8 oder weniger beträgt.
  10. Verfahren zur Reparatur eines gerichtet erstarrten Gegenstands gemäß einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei das Nutteil im Rahmen des Nutteilbildungsschritts derart ausgebildet wird, dass es sich entlang einer Wachstumsrichtung von säulenförmigen Kristallen in dem Basismaterial erstreckt, und das Schweißteil im Rahmen des Schweißteilbildungsschritts durch Schweißen entlang der Wachstumsrichtung in dem Nutteil ausgebildet wird.
  11. Verfahren zur Reparatur eines gerichtet erstarrten Gegenstands gemäß einem der Ansprüche 7 bis 10, weiterhin umfassend einen Schritt des Ausbildens zweier Laschen vor dem Schweißteilbildungsschritt, und zwar eine an jedem Ende eines Basismaterialbereichs, in welchem das Schweißteil in Bezug auf eine Wachstumsrichtung von säulenförmigen Kristallen in dem Basismaterial ausgebildet wird, wobei im Rahmen des Nutteilbildungsschritts das Nutteil in dem Bereich ausgebildet wird und die beiden Laschen jenseits des Bereichs ausgebildet werden, und im Rahmen des Schweißteilbildungsschritts das Schweißteil in dem Nutteil durch Verschweißen von einer der beiden Laschen mit der anderen der beiden Laschen über den Bereich hinweg ausgebildet wird.
  12. Verfahren zur Reparatur eines gerichtet erstarrten Gegenstands gemäß Anspruch 11, wobei die beiden Laschen derart ausgebildet werden, dass sie im Rahmen des Laschenbildungsschritts einen Wärmeleitungsweg zwischen dem Basismaterial und den beiden Laschen ausbilden.
  13. Verfahren zur Reparatur eines gerichtet erstarrten Gegenstands gemäß Anspruch 11 oder 12, wobei die Laschen im Rahmen des Laschenbildungsschritts aus einem sich von einem Material des Basismaterials unterscheidenden Material ausgebildet werden.
  14. Verfahren zur Reparatur eines gerichtet erstarrten Gegenstands gemäß einem der Ansprüche 7 bis 13, wobei das Schweißteil im Rahmen des Schweißteilbildungsschritts unter Einsatz eines Verfahrens ausgewählt aus einem Laserauftragschweißverfahren, einem Kaltgasspritzverfahren oder einem Hochgeschwindigkeitsflammspritzverfahren ausgebildet wird.
  15. Verfahren zur Reparatur eines gerichtet erstarrten Gegenstands gemäß Anspruch 14, wobei das Schweißteil im Rahmen des Schweißteilbildungsschritts durch Einstrahlen eines Laserstrahls mit einem rechtwinkligen Strahlenmuster ausgebildet wird, welches entlang einer zur Wachstumsrichtung von säulenförmigen Kristallen in dem Basismaterial orthogonalen Richtung größer ist als entlang der Wachstumsrichtung.
  16. Verfahren zur Reparatur eines gerichtet erstarrten Gegenstands gemäß Anspruch 14 oder 15, wobei im Rahmen des Schweißteilbildungsschritts: das Schweißteil derart ausgebildet wird, dass es eine erste Schicht, welche einen einzelnen Wulst aufweist, und eine zweite Schicht, welche in einer Tiefenrichtung des Nutteils zur ersten Schicht benachbart ist und einen einzelnen Wulst aufweist, umfasst; und die erste Schicht durch Einstrahlen eines Laserstrahls mit einem rechtwinkligen Strahlenmuster ausgebildet wird, dessen Dimension entlang einer zur Wachstumsrichtung von säulenförmigen Kristallen in dem Basismaterial orthogonalen Richtung kleiner ist als die Breite des Nutteils in einer Oberfläche des Basismaterials.
  17. Verfahren zur Reparatur eines gerichtet erstarrten Gegenstands gemäß einem der Ansprüche 14 bis 16, wobei das Schweißteil im Rahmen des Schweißteilbildungsschritts durch Abtasten mit einem Laserstrahl entlang einer Wachstumsrichtung von säulenförmigen Kristallen in dem Basismaterial ausgebildet wird.
  18. Verfahren zur Reparatur eines gerichtet erstarrten Gegenstands gemäß Anspruch 17, wobei das Schweißteil im Rahmen des Schweißteilbildungsschritts durch Abtasten mit dem Laserstrahl bei einer Abtastgeschwindigkeit von 20 mm/min oder weniger ausgebildet wird.
  19. Verfahren zur Reparatur eines gerichtet erstarrten Gegenstands gemäß einem der Ansprüche 7 bis 18, weiterhin umfassend einen Schritt des Erwärmens zumindest eines das Nutteil umfassenden Teilbereichs des Basismaterials, wobei das Schweißteil im Rahmen des Schweißteilbildungsschritts ausgebildet wird, während der Teilbereich im Rahmen des Erwärmungsschritts erwärmt wird.
  20. Verfahren zur Reparatur eines gerichtet erstarrten Gegenstands gemäß Anspruch 19, wobei das Schweißteil im Rahmen des Schweißteilbildungsschritts derart ausgebildet wird, dass es eine erste Schicht, welche einen einzelnen Wulst aufweist, und eine zweite Schicht, welche in einer Tiefenrichtung des Nutteils zur ersten Schicht benachbart ist und einen einzelnen Wulst aufweist, umfasst.
  21. Turbinenlaufschaufel, welche mittels des Verfahrens zur Reparatur eines gerichtet erstarrten Gegenstands gemäß einem der Ansprüche 7 bis 20 repariert worden ist.
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