DE69807892T2

DE69807892T2 - Verfahren zur herstellung eines durchbrochenen artikels zur wiederbeschichtung

Info

Publication number: DE69807892T2
Application number: DE69807892T
Authority: DE
Inventors: J. Draghi; J. Shurman; A. Simard; Peter Wrabel
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: RTX Corp
Priority date: 1997-07-02
Filing date: 1998-06-19
Publication date: 2003-01-16
Anticipated expiration: 2018-06-20
Also published as: EP0998593A1; US6042879A; DE69807892D1; WO1999001587A1; EP0998593B1; US6171711B1; JP4108769B2; JP2002508034A

Description

TECHNISCHES GEBIET

Die Erfindung betrifft Verfahren zum Vorbereiten eines zum Schutz beschichteten, mit Öffnungen versehenen Gegenstands, der mit einer nicht originalen Lage einer Schutzbeschichtung neu beschichtet werden soll. Insbesondere ist die Erfindung ein Verfahren zum Vorkonditionieren eines transpirationsgekühlten Gastubinenmaschinen-Bauteils, beispielsweise einer Turbinenlaufschaufeln oder -leitschaufel, so dass die Strömungskapazität der Transpirationskühlpassagen durch das anschließende Neubeschichten des Bauteils nicht verschlechtert wird.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Die in dem Turbinenabschnitt einer Gasturbinenmaschine verwendeten Laufschaufeln sind anfällig für Oxidation, Korrosion und thermisch induzierte Beschädigung durch heiße Verbrennungsgase, welche durch den Gasweg der Maschine strömen. Turbinenlaufschaufeln sind deshalb aus einem temperaturbeständigen, korrosionsbeständigen Substratmaterial hergestellt, auf welches unterschiedliche Schutzbeschichtungen aufgebracht werden. Außerdem beinhalten Turbinenlaufschaufeln typischerweise eine Vielzahl von Transpirationskühlpassagen, von denen sich jede von einem inneren Hohlraum zu einer einem Gasweg exponierten Oberfläche der Laufschaufel erstreckt. Jede Passage hat einen Hals in der Nähe des Hohlraums und einen Mund, der sich von dem Hals nach außen zu der exponierten Oberfläche erstreckt. Während des Betriebs der Maschine wird dem inneren Hohlraum ein Kühlmedium zugeführt, und mindestens ein Teil des Mediums strömt durch die Kühlpassagen, um die Laufschaufel durch Transpirationskühlung zu kühlen. Wenn das Medium von den Passagen abgegeben wird, verteilt es sich über die Laufschaufeloberfläche zur Ausbildung eines Kühlfilms, der zudem die Laufschaufel gegen thermische Beschädigung abschirmt.
Weil Turbinenlaufschaufeln teuer sind, wurde eine Vielzahl von Wiederaufarbeitungsverfahren entwickelt, um verschlissene oder beschädigte Laufschaufeln zu einem einsatzbereiten Zustand wiederaufzuarbeiten. Ein Beispiel eines Wiederaufarbeitungsverfahrens ist in EP 0 525 545 A1 beschrieben. Diese Veröffentlichung beschreibt ein Verfahren zum Wiederaufarbeiten von korrodierten Superlegierungsgegenständen durch chemisches oder mechanisches Reinigen des Gegenstands, um den Großteil der Korrosionsprodukte zu entfernen, de gereinigten Gegenstand zu aluminieren und den aluminierten Gegenstand einer Säure auszusetzen, welche das aluminierte Material und sämtliche Korrosionsrückstände entfernt.
Die speziellen Details der verschiedenen Wiederaufarbeitungstechniken hängen von der Art und dem Ausmaß der Laufschaufelbeschädigung und -abnutzung ab. Bestimmte Prozessschritte werden jedoch fast unausweichlich während einer Wiederaufarbeitung durchgeführt. Beispielsweise ist es üblich, Restspannungen in der Laufschaufel durch ein Erwärmen der Laufschaufeln auf eine erhöhte Temperatur für eine vorbestimmte Zeitdauer zu lösen. Außerdem werden vorhandene Schutzbeschichtungen üblicherweise von den Laufschaufeln entfernt und nicht originale Ersatz-Beschichtungen aufgebracht, bevor die Laufschaufeln wieder zum Einsatz zurückgebracht werden.
Wenn eine nicht originale Beschichtung auf eine Laufschaufel mit Transpirationskühlpassagen aufgebracht wird, kann sich eine überschüssige Beschichtung in dem Mund einer jeden Passage anhäufen. Dieses Phänomen ist als "Coatdown" bekannt und beschränkt die Strömungskapazität der betroffenen Passagen. Wenn Coatdown nicht verhindert wird, oder seine strömungsbeschränkende Wirkung rückgängig gemacht wird, werden die Effektivität der Transpirationskühlung und der Filmkühlung verringert und die Nutzungsdauer der Laufschaufel verringert. Ein Weg, Coatdown zu verhindern ist es, die Laufschaufel durch Abscheidung aus der Dampfphase zu beschichten, ein Beschichtungsprozess, der wenig oder kein Coatdown verursacht. Die Ausrüstung zum Aufbringen von Beschichtungen durch Abscheidung aus der Dampfphase ist jedoch aufwändig, und deshalb ist es wirtschaftlich unattraktiv, Ausrüstung zur Abscheidung aus der Dampfphase zum Aufbringen von Beschichtungen zu verwenden, die mit kosteneffizienteren Mitteln aufgebracht werden können.
Ein Weg, die Effekte des Coatdown rückgängig zu machen, ist es, die überschüssige Beschichtung zu erodieren, indem ein präzise fokussierter Strom abrasiver Teilchen mit hoher Geschwindigkeit in den Mund einer jeden betroffenen Passage gefördert wird. Die erosive Behandlung kann jedoch ungenau und nicht wiederholbar sein. Deshalb muss die Effektivität der Behandlung geprüft werden, indem verifiziert wird, dass ein Messstift, der die minimale zulässige Passagendimension repräsentiert, in jede Passage einsetzbar ist. Obwohl der erosive Prozess zum Wiederherstellen der Strömungskapazität einer Passage effektiv ist, ist er auch ermüdend und zeitaufwändig, da eine typische Turbinenlaufschaufel annähernd 200 Passagen hat, von denen jede individuell behandelt und nachgemessen werden muss. Außerdem sind die Messstifte in Folge der kleinen Durchmesser der Passagen (typischerweise in der Größenordnung von 0,3 mm oder etwa 0,012 Inch) notwendigerweise zerbrechlich und brechen gelegentlich, was dazu führt, dass ein Stiftfragment in der Passage angeordnet verbleibt. Extraordinäre Maßnahmen, beispielsweise Bearbeiten durch Elektroentladung, müssen häufig angewandt werden, um das Bruchstück aus der Passage zu entfernen.
Man sieht somit, dass vorhandene Verfahren zum Vermeiden oder Rückgängigmachen der Auswirkungen des Coatdown unzufriedenstellend sind. Folglich wird nach einem zeiteffizienten, kosteneffektiven und problemlosen Verfahren zum Bewältigen des Coatdown-Phänomens gesucht.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Es ist ein Hauptziel der Erfindung, die Auswirkungen des Coatdown rückgängig zu machen und das in einer Art zu tun, die zeiteffizient und kosteneffektiv ist.
Gemäß einem Aspekt liefert die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Vorkonditionieren eines Gegenstands vor dem Aufbringen einer Beschichtung darauf, wobei der Gegenstand aus einem Substrat besteht und mindestens eine Fluidströmungspassage hat, welche sich durch das Substrat derart erstreckt, dass die Passage umfangsmäßig mindestens über einen Teil ihrer Länge von exponiertem Substrat begrenzt ist, wobei die Passage einen Hals mit einem regulierenden Strömungsquerschnitt und einen Mund mit einem auseinanderlaufenden, nicht regulierenden Strömungsquerschnitt hat, wobei das Verfahren gekennzeichnet ist durch:
Diffundieren einer Hilfsbeschichtung in das exponierte Substrat, um eine Diffusionszone zu bilden; und
Aussetzen der Diffusionszone einem Ablösemittel, so dass die Diffusionszone von dem Gegenstand abgelöst wird und so der nicht regulierende Strömungsquerschnitt von mindestens einem Teil des Munds vergrößert wird.
Gemäß einem weiteren Aspekt liefert die vorliegende Erfindung einen Gegenstand, der aus einem Substratmaterial besteht und mindestens eine Fluidströmungspassage hat, welche sich von einem inneren Hohlraum zu einer Substratoberfläche des Gegenstands erstreckt, wobei die Passage eine Achse, einen Hals mit einem regulierenden Strömungsquerschnitt und einen Mund, welcher sich von dem Hals zu der Substratoberfläche erstreckt, wobei der Mund einen nicht regulierenden Strömungsquerschnitt hat, wobei der nicht regulierende Strömungsquerschnitt mindestens so groß wie der regulierende Strömungsquerschnitt ist, wobei die Passage einen neu hergestellten Zustand und einen vorkonditionierten Zustand hat, wobei die Änderungsrate des Passagenquerschnitts von dem Hals zu der Substratoberfläche in dem vorkonditionierten Zustand größer ist als die Änderungsrate des Passagequerschnitts in dem neu installierten Zustand.
Bei einer Ausführungsform wird eine Hilfsbeschichtung in eine existierende Beschichtung auf einem transpirationsgekühlten Gegenstand diffundiert und in das Substratmaterial diffundiert, welches an dem Umfang der Transpirationskühlpassagen exponiert ist, um eine Diffusionszone zu bilden. Der Mund einer jeden Passage wird vergrößert, wenn der Artikel anschließend einem Ablösemittel ausgesetzt wird, welches in der Lage ist, die Diffusionszone anzugreifen. Die Vergrößerung des Passagemunds kompensiert den Coatdown, dessen Auftreten erwartet wird, wenn eine nicht originale Beschichtungslage auf dem Gegenstand aufgebracht wird.
Idealerweise ist das gewählte Ablösemittel eines, welches nicht nur gegen die Diffusionszone wirksam ist, sondern auch gegen die Hilfsbeschichtung und gegen die vorhandene Beschichtung. Deshalb kommt es zu der kompensierenden Vergrößerung des Passagenmunds gleichzeitig mit dem Ablösen der vorhandenen Beschichtung. Die Verzögerung und der Aufwand, die mit dem Aufbringen der Hilfsbeschichtung einhergehen, sind vernachlässigbar, insbesondere verglichen mit der Zeit und den Kosten, die erforderlich sind, um übermäßige Beschichtung von einer Vielzahl von Passagen durch abrasives Erodieren zu bearbeiten. Die Diffusion der Hilfsbeschichtung ist ähnlich günstig hinsichtlich ihrer Kosten und der Arbeitszeit, da die Diffusion ausgeführt werden kann, während der Gegenstand spannungslösend behandelt wird.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird die Hilfsbeschichtung aus einem im Handel erhältlichen Klebe-Beschichtungsband gebildet, welches einfach auf den Gegenstand aufgebracht werden kann.
Bei einer detaillierten Ausführungsform ist das Substrat eine Legierung auf Nickelbasis, die vorhandene Beschichtung ist ein Element aus der Klasse von MCrAlY-Beschichtungen und die Hilfsbeschichtung beinhaltet Aluminium und ist sowohl in das Substrat als auch in die vorhandene Beschichtung diffundierbar.
Das Verfahren der Erfindung ist vorteilhaft, da die erforderlichen Verfahrensschritte zum großen Teil parallel zu den Schritten des Ablösens und des Spannungslösens ausgeführt werden können, die üblicherweise während der Wiederaufarbeitung eines transpirationsgekühlten Gegenstands ausgeführt werden. Folglich trägt das beschriebene Verfahren nur vernachlässigbar zu dem Aufwand und der Zeit bei, die zur Wiederaufarbeitung des Gegenstands erforderlich sind, es macht aber den signifikant aufwändigen und zeitaufwändigen Schritt des abrasiven Erodierens übermäßiger Beschichtung von den Mündern der Kühlpassagen überflüssig. Außerdem ist das beschriebene Verfahren wiederholbar und vorhersagbar, so dass die Effektivität des Verfahrens mit einem einfachen Gesamtströmungskapazitäts-Tests des Gegenstands verifiziert werden kann, statt mit einem ermüdenden, für Schwierigkeiten anfälligen, Stift-Prüfen von jeder einzelnen Passage. Schließlich hat man beobachtet, dass die Ränder der Passagenauslässe glatter und etwas breiter sind, als es sowohl für abrasiv erodierte Passagen wie auch für neu installierte Passagen üblich ist. Als Folge davon kann der wiederaufbereitete Gegenstand von einer verbesserten Verteilung des Kühlfilms profitieren.
Die vorgenannten Merkmale und Vorteile und das Verfahren der Erfindung werden nun im Lichte der folgenden Beschreibung der besten Art zum Ausführen der Erfindung und der begleitenden Zeichnungen klarer werden.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist eine perspektivische Ansicht eines originalen, neu hergestellten Turbinen-Strömungsprofils für eine Gasturbinenmaschine, welche eine Mehrzahl von Transpirationskühlpassagen und einen repräsentativen inneren Hohlraum in Strömungsverbindung mit einer Reihe von Passagen zeigt.
Fig. 2 ist eine vergrößerte Schnittansicht, die im Wesentlichen im Richtung von 2-2 von Fig. 1 genommen ist und das Laufschaufel-Substratmaterial, eine vorhandene Schutzbeschichtung, die auf dem Substrat aufgebracht ist, und eine typische Transpirationskühlungspassage, welche sich durch das Substrat und die Beschichtung erstreckt, zeigt.
Fig. 3 ist eine Ansicht ähnlich zu der von Fig. 2, nachdem die vorhandene Schutzbeschichtung abgelöst wurde und eine nicht originale Beschichtungslage gemäß einem Verfahren aus dem Stand der Technik aufgebracht wurde.
Fig. 4 ist eine Ansicht ähnlich zu der von Fig. 2, welche eine Lage aus einer Hilfsbeschichtung in der Form eines Beschichtungs-Klebebands, welches auf die vorhandene Beschichtung aufgebracht ist, zeigt.
Fig. 5 ist eine Ansicht ähnlich zu der von Fig. 4, welche eine Diffusionszone zeigt, welche sich aus der Diffusion der Hilfsbeschichtung in die vorhandene Beschichtung und in das Substrat an dem Umfang des Munds der Passage ergibt.
Fig. 6 ist eine Ansicht ähnlich zu der von Fig. 5, aber im Anschluss an das Ablösen der Diffusionszone, der vorhandenen Beschichtung und der Hilfsbeschichtung, und zeigt eine kompensierende Vergrößerung des Munds der Passage.
Fig. 7 ist ein schematischer grafischer Vergleich, welcher den Strömungsquerschnitt einer Kühlpassage bei einer neu hergestellten Gasturbinenmaschinenlaufschaufel und den Strömungsquerschnitt einer Kühlpassage in einer Laufschaufel, die gemäß der Erfindung vorkonditioniert wurde, zeigt.
Fig. 8 ist eine Ansicht ähnlich zu der von Fig. 6 im Anschluss an die Aufbringung einer nicht originalen Beschichtungslage.
Fig. 9 ist eine Ansicht, die im Wesentlichen in der Richtung 9-9 von Fig. 8 genommen wurde und die Auslassränder einer Kühlpassage in einem gemäß der vorliegenden Erfindung behandelten Gegenstand im Vergleich mit den Auslassrändern in einem ursprünglichen Gegenstand oder einem konventionell behandelten Gegenstand zeigt.

BESTE ART ZUM AUSFÜHREN DER ERFINDUNG

Es wird auf die Fig. 1 und 2 Bezug genommen. Eine Turbinenlaufschaufeln 12 für eine Gastubinenmaschine weist eine Wurzel 14, eine Plattform 16 und ein Strömungsprofil 18 auf. In einer Maschine installiert kooperiert die Laufschaufelplattform mit den Plattformen benachbarter Laufschaufeln, um die radial innere Grenze eines ringförmigen Gaswegs 22 zu definieren, und das Strömungsprofil erstreckt sich radial nach außen über den Strömungsweg. Während des Betriebs der Maschine sind das Strömungsprofil 18 und die Plattform 16 heißen, korrosiven Verbrennungsgasen ausgesetzt, welche durch den Gasweg strömen. Um sicherzustellen, dass die Laufschaufeln einer derart feindlichen Umgebung widerstehen können, sind sie typischerweise aus einem warmfesten, korrosionsbeständigen Substratmaterial 26 hergestellt. Üblich verwendete Substrate beinhalten Legierungen auf Nickelbasis (die typischerweise signifikante Mengen an Chrom, Cobalt, Aluminium, Tantal und Wolfram beinhalten) und Legierungen auf Cobaltbasis (die typischerweise signifikante Mengen an Chrom, Nickel und Wolfram enthalten). Bei Gasturbinenmaschinenanwendungen sind diejenigen Legierungen auf Nickel- und Cobaltbasis am meisten bevorzugt, die eine Streckfestigkeit über 100.000 psi (689,5 · 10&sup6; Pa) bzw. 50.000 psi (344,7 · 10&sup6; Pa) bei 1000ºF (537ºC) haben. Diese werden üblicherweise als "Superlegierungen" bezeichnet.
Schutzbeschichtungen, wie die metallische Beschichtung 28, werden auf die äußere Substratoberfläche Ss aufgebracht, um eine zusätzliche Widersstandsfähigkeit gegen mit Korrosion und Temperatur in Beziehung stehende Belastungen zu schaffen. Eine beispielhafte Klasse von Beschichtungen ist die Klasse von MCrAlY-Beschichtungen. MCrAlY-Beschichtungen enthalten Nickel und/oder Cobalt (wobei der Nickel- und/oder Cobaltgehalt durch den Buchstaben "M" angegeben ist) zusammen mit signifikanten Mengen an Chrom (Cr), Aluminium (Al) und Yttrium (Y). Manche typische verwendete MCrAlY-Beschichtungen sind in den US-Patenten 3,928,026, 4,585,481 und RE-32121 beschrieben. Derartige Beschichtungen verbessern nicht nur die Korrosions- und Wärme-Widerstandseigenschaften des Substrats, sondern können auch als eine Grundlage für eine optionale keramische Wärmebarrierenbeschichtung dienen, die nicht gezeigt ist. Es ist wünschenswert, die MCrAlY-Beschichtung durch ein Plasmasprühverfahren aufzubringen, da Plasmasprühen relativ unaufwändig verglichen mit anderen Techniken, wie beispielsweise Abscheidung aus der Dampfphase (vapor deposition) ist.
Ein weiterer thermischer Schutz wird häufig geschaffen, indem man ein Kühlmedium durch eine Vielzahl von Hohlräume und Passagen in der Laufschaufel strömen lässt. Die gezeigte Laufschaufeln enthält einen oder mehrere innere Hohlräume wie den repräsentativ gezeigten Hohlraum 32 und eine Mehrzahl von Transpirationskühlpassagen, wie die im Wesentlichen kegelstumpfförmige Passage 34, die jeweils in Strömungsverbindung mit dem Hohlraum 32 sind. Wie man am besten in der Fig. 2 erkennen kann, hat eine typische Transpirationspassage eine Achse 36 und erstreckt sich sowohl durch das Substrat 26 als auch durch die Metallbeschichtung 28 (sowie durch sämtliche andere Beschichtungslagen, die über der Metallbeschichtung aufgebracht sein können). Das Substrat 26 ist exponiert und begrenzt umfangsmäßig die Passage über einen inneren Teil P ihrer Länge L, der sich axial von dem Hohlraum 32 zu der Substratoberfläche SS erstreckt. Ein äußerer Teil Po der Passagenlänge erstreckt sich axial von der Substratoberfläche SS zu der dem Gasweg exponierten Oberfläche 48. Die Passage hat einen Hals 42, dessen Querschnitt At der minimale Strömungsquerschnitt der Passage ist und deshalb die Menge an Kühlmedium reguliert, welche in die Passage gelangt. Die gezeigte Passage hat auch einen axial auseinander laufenden und deshalb nicht regulierenden Mund 44, der sich von dem Hals Bis zu einem Auslass 46 an der dem Gasweg exponierten Oberfläche 48 erstreckt. Während des Betriebs der Maschine wird Kühlmedium in den Hohlraum gelenkt. Mindestens ein Teil des Mediums strömt nach außen durch die Transpirationspassagen, um die Laufschaufel durch Transpiration zu kühlen, und das Medium wird in den Gasweg 22 abgegeben. Weil die Passagenachse 36 mit einem Winkel θ relativ zur Oberfläche 48 geneigt ist, verteilt sich das abgegebene Medium über die exponierte Oberfläche 48, um einen Kühlfilm zu bilden.
Die Fig. 3 zeigt die Laufschaufel der Fig. 2 nach dem Entfernen der ursprünglich vorhandenen Beschichtung 28 und der Aufbringung einer nicht originalen Beschichtung 28a durch ein Plasmasprühverfahren. Eine gewisse Menge an übermäßiger Beschichtung hat sich in dem Mund der Öffnung angehäuft, so dass der Querschnitt Ac und nicht der Querschnitt At der minimale Querschnitt der Passage ist. In Folge davon wird die Menge an Kühlmedium, welches durch die Passage strömt, durch den verengten Querschnitt Ac und nicht durch den Querschnitt Ap wie gewünscht reguliert. Da dieses "Coatdown"-Phänomen die meisten, wenn nicht alle der Transpirationskühlpassagen betrifft, ist die Effektivität des Kühlmediums verschlechtert, und die Haltbarkeit der Laufschaufel ist beeinträchtigt. Das Coatdown-Phänomen ist normalerweise kein Problem bei der Herstellung der Originalausrüstungs-Laufschaufel, da die Schutzbeschichtungen üblicherweise vor der Einrichtung der Kühlpassagen aufgebracht werden.
Unter Bezugnahme auf die Fig. 4 bis 7 wird nun angewandt auf eine Laufschaufel mit einer MCrAlY-Beschichtung das Verfahren der vorliegenden Erfindung detailliert beschrieben. Das aufzuarbeitende Strömungsprofil wird zuerst mit einem Schauer von abrasiven Teilchen, die von einem Hochdruckluftstrom gegen die Laufschaufel gerichtet werden, gereinigt. Dieser Strahlgutbehandlungsschritt entfernt sämtlichen losen Schmutz, keramische Wärmebarrierenbeschichtungen, die möglicherweise auf der existierenden metallischen Beschichtung 28 vorhanden sind und ein Teil der metallischen Beschichtung und insbesondere die korrodierten Teile davon. Eine Lage einer Hilfsbeschichtung 52 wird dann über der existierenden metallischen Beschichtung 28 aufgebracht, wie in Fig. 4 gezeigt. Die Hilfsbeschichtung ist eine, die in das Substrat 26 diffundieren kann und vorzugsweise auch in die vorhandene Beschichtung 28 diffundieren kann. Die Hiflsbeschichtung kann jede geeignete Form haben und mit jedem anwendbaren Verfahren aufgebracht werden. Eine besonders bequeme Art ist ein aufklebbares Band, welches als CAl-201M-Tape bekannt ist, das Aluminium enthält und von der Firma Coating Applications Inc. aus Cincinnati Ohio hergestellt wird. Das Band wird von Hand in Position gepresst, so dass es an der vorhandenen Beschichtung anhaftet. Ein anderes Beispiel einer geeigneten Beschichtung ist ein in einem "Packprozess" aufgebrachtes Pulver, welches in etwa 1,8 Gewichtsprozent Silicium, 2,5 Gewichtsprozent Ammoniumchlorid, 13,2 Gewichtsprozent Aluminium und 82,5 Gewichtsprozent Aluminiumoxid enthält.
Die Turbinenlaufschaufel wird dann in einer nicht oxidierenden Atmosphäre (z.B. Argon) bei einem absoluten Druck von etwa 14 bis 25 Pfund pro Quadratinch (etwa 96,5 bis 172,4 kPa) angeordnet und auf eine Temperatur von etwa 1975ºF (1080ºC) für etwa vier Stunden angehoben. Diese thermische Behandlung löst sämtliche verbleibenden Spannungen in der Laufschaufel und weicht das Band auf, was ihm erlaubt, sich in den Passagenmund zu setzen. Wie man in Fig. 5 erkennt, bewirkt die thermische Behandlung auch ein Diffundieren des Beschichtungsbands in das exponierte Substrat 26 an dem Umfang der Passage und vorzugsweise auch in die vorhandene Beschichtung 28, um eine Diffusionszone 54 auszubilden. Bei der bevorzugten Ausführungsform wird die Hilfsbeschichtung nur teilweise in die vorhandene Beschichtung diffundiert, so dass nach dem Abschluss des Diffusionsschritts sowohl eine nicht diffundierte Hilfsbeschichtung als auch eine nicht diffundierte vorhandene Beschichtung vorhanden sind. Die Anwesenheit von nicht diffundierten Beschichtungen ist zulässig, da das bevorzugte Ablösemittel in der Lage ist, die undiffundierten Beschichtungen und die Diffusionszone anzugreifen. Außerdem birgt jeder Versuch, die Hilfsbeschichtung in die vorhandene Beschichtung komplett zu diffundieren, das Risiko, die Beschichtung in das Substratmaterial unter der vorhandenen Beschichtung zu diffundieren und in das exponierte Substrat an dem Umfang der Kühlpassage. Ein sich anschließendes Ablösen der Diffusionszone würde dann die Banddicke t des Strömungsprofils verringern - eine unerwünschte Erscheinung, da das Strömungsprofil beim Maschinenbetrieb hoch belastet ist. Entsprechend vergrößert die Diffusionszone nicht den Passagenhals 42, da es gewünscht ist, dass der Halsquerschnitt At durch das anschließende Ablösen der Diffusionszone unbeeinflusst bleibt.
Das Diffundieren der Hilfsbeschichtung in die vorhandene MCrAlY-Beschichtung und nicht nur in das exponierte Substrat ist vorteilhaft, da die MCrAlY- Beschichtung tendenziell während des Maschinenbetriebs ihren Aluminiumgehalt verliert. Die Diffusion der Hilfsbeschichtung in die MCrAlY-Beschichtung füllt den Aluminiumgehalt der MCrAlY-Beschichtung wieder auf, und dieses Wieder-Aluminisieren der MCrAlY-Beschichtung macht sie leichter entfernbar während des nachfolgenden Ablöseschritts. Nichtsdestotrotz erfordert die gewünschte Vergrößerung des Passagenmunds nur ein Diffundieren der Hilfsbeschichtung in das exponierte Substrat an dem Umfang des Passagenmunds.
Da die Laufschaufel der Wirkung eines Ablösemittels ausgesetzt werden wird, folgt der thermischen Behandlung die Aufbringung einer entfernbaren Schutzmaske auf die Teile der Laufschaufel, die gegen das Mittel abgeschirmt werden sollen. Diese Teile umfassen typischerweise die Wurzel 14, die inneren Hohlräume 32 und mindestens einen Teil einer jeden Kühlpassage in der Nähe des Passagenhalses 42. Sämtliches Maskiermaterial oder Verbindungen von Materialien, die in der Lage sind, der Wirkung des Ablösemittels zu widerstehen (verschiedene Wachse und Kunststoffe) ist geeignet. Ein injizierbares Maskiermaterial 56 wird zum Maskieren der inneren Hohlräume und der Kühlpassagen verwendet.
Die maskierte Laufschaufel wird dann einem Ablösemittel ausgesetzt, typischerweise durch Eintauchen der gesamten Laufschaufel in ein Bad aus dem Mittel. Das Mittel löst die Diffusionszone 54, sämtliche nicht diffundierte Hilfsbeschichtung 52 und sämtliche nicht diffundierte vorhandene Beschichtung 28 von dem Substrat. Es hat sich herausgestellt, dass Salzsäure (HCl) ein effektives Ablösemittel für die vorhandene MCrAlY-Beschichtung, die CAl-201M- Aluminium-Hilfsbeschichtung und die Diffusionszone ist. Jedoch ist jedes Mittel, das in der Lage ist, die vorhandene Beschichtung, die Hilfsbeschichtung und die Diffusionszone anzugreifen, geeignet.
Fig. 6 zeigt die Laufschaufel nachdem das Ablösemittel die Diffusionszone angegriffen und entfernt hat. Weil das diffundierte Substrat bzw. die Hilfsbeschichtung (in der Figur mit unterbrochenen Linien dargestellt) von der Laufschaufel abgelöst wurden, wurde der Mund der Passage vergrößert, ohne den Halsquerschnitt At zu beeinflussen. Deutlicher ausgedrückt, und wie grafisch in der Fig. 7 gezeigt, die Passage hat einen vorkonditionierten Zustand (Fig. 6), bei dem die durchschnittliche Änderungsrate des Passagenquerschnitts von dem Hals zu der äußeren Substratoberfläche SS größer ist als die durchschnittliche Änderungsrate des Passagenquerschnitts des neu installierten Zustands der Passage (Fig. 2 oder der unterbrochen gezeigte Teil von Fig. 6). Effektiv bewirkt das Ablöseverfahren der vorliegenden Erfindung ein Vorkonditionieren der Laufschaufel derart, dass der regulierende Charakter des Passagenhalses und die Strömungskapazität der Passage durch das anschließende Neubeschichten nicht verschlechtert wird..
Die Fig. 8 zeigt die Laufschaufel der Fig. 6 in dem komplett wieder aufgearbeiteten Zustand, d.h. anschließend an die Aufbringung einer nicht originalen Lage einer Beschichtung 28a an Stelle der originalen Beschichtung. Ein Übermaß an Beschichtung hat sich in dem Mund der Passage angehäuft, so dass der innere Teil Pi der Passage, der sich von dem Hohlraum 32 zu der Substratoberfläche SS erstreckt, peripher von der nicht originalen Beschichtung 28a über einen Teil F der Länge des inneren Teils begrenzt ist. Die Querschnittsverengung durch das Beschichten (coatdown), die in der Fig. 8 ersichtlich ist, ist ähnlich zu der, die beobachtet wird, wenn die originale Beschichtung gemäß dem konventionellen Verfahren (Fig. 3) abgelöst wird. Infolge der kompensierenden Vergrößerung des Passagemunds reguliert jedoch nicht die angehäufte Beschichtung die Strömungskapazität der Passage. Stattdessen behält der Querschnitt At des Halses 42 seine regulierende Rolle trotz der Anwesenheit der Beschichtung 28a, welche das Substrat 26 entlang eines Teils F des inneren Teils Pi der Passage überlagert, bei. In der Folge ist die Strömungskapazität der Passage durch die nicht originale Beschichtung unbeeinflusst oder ist zumindest nicht unter eine vorbestimmte minimal zulässige Strömungskapazität verringert. Im Gegensatz zum Stand der Technik wird dieses Ergebnis mit der Beschichtung erzielt, wie sie anfänglich auf die Laufschaufel aufgebracht wird, d.h. ohne das Erfordernis, die angehäufte Beschichtung im Anschluss auf das Aufbringen der Beschichtung auf die Laufschaufel abrasiv zu erodieren oder auf andere Weise zu bearbeiten. In der Praxis kann es akzeptabel sein, wenn die Strömungskapazität von einer oder mehreren Passagen, die geringfügig verringert ist, so lange die Gesamtströmungskapazität aller Passagen mindestens so groß wie eine vordefinierte Gesamtströmungskapazität für alle Passagen bleibt.
Das vorangehend beschriebene Ablöseverfahren umgeht die Ungenauigkeiten, die dem Bearbeiten durch erosives Abradieren von zu viel Beschichtung von den Passagenmündern inhärent ist. Folglich kann es möglich sein, die ermüdende, Zeit aufwendige Stift-Prüfung einer jeden einzelnen Passage wegzulassen und sich stattdessen auf eine einfache Prüfung der Gesamtströmungskapazität des Gegenstands als Ganzem zu verlassen.
Es wird auf die Fig. 9 Bezug genommen. Der Rand 58 eines jeden Passagenauslasses 46 ist weicher und etwas weiter als der Auslassrand 58' sowohl einer abrasiv erodierten Passage als auch einer Passage, wie sie in einer neu hergestellten Laufschaufel installiert ist. Neu hergestellte Passagen sind typischerweise lasergebohrt, was dazu führt, dass geschmolzenes Substratmaterial von dem Ort, an dem der Laserstrahl die Laufschaufel trifft, ausgeworfen wird. Etwas von dem geschmolzenen Substrat sammelt sich in dem Passagenmund in der Nähe des Auslasses. In der Folge ist der Auslassrand 58' einer neu installierten Passage unregelmäßig und ein wenig eingeschnürt, wenn auch nicht so weit eingeschnürt, das er die Strömungskapazität der Passage reguliert. Weder die Irregularitäten noch die Einschränkung werden durch das Ablöseverfahren des Stands der Technik beeinflusst. Im Gegensatz dazu entfernt das beschriebene Ablöseverfahren das gesammelte Substratmaterial und glättet und erweitert so den Rand des Auslasses. Als Folge davon kann der wieder aufgearbeitete Gegenstand von einer verbesserten Dispersion des Kühlfilms profitieren.
Verschiedene Änderungen und Modifikationen können vorgenommen werden, ohne von der Erfindung, wie sie in den angefügten Ansprüchen definiert ist, abzuweichen. Beispielsweise ist das Verfahren anwendbar auf andere mit Öffnungen versehene Gegenstände als transpirationsgekühlte Gasturbirienmaschinenlaufschaufeln und -leitschaufeln. Außerdem ist die Erfindung gleichwohl anwendbar auf Gegenstände, die aus anderen Substratmaterialien bestehen, beispielsweise Legierungen auf Cobalt und Eisenbasis, in Verbindung mit anderen Arten von Beschichtungen, obwohl die Erfindung im Kontext eines Gegenstands präsentiert wurde, der aus einer Legierung auf Nickelbasis mit einer MCrAlY-Beschichtung besteht. Schließlich ist die Erfindung nicht auf Gegenstände mit Passagen mit einem kegelstumpfförmigen Profil beschränkt. Die Erfindung ist gleichgleichermaßen auch anwendbar auf Passagen mit einem im Wesentlichen zylinderförmigen Profil sowie auf solche mit Profilen mit einer Mehrfachgeometrie, beispielsweise die geformten Öffnungen, die in dem US- Patent 4,653,983, welches Vehr et al erteilt wurde, beschrieben sind.

Claims

1. Verfahren zum Vorkonditionieren eines Gegenstands vor dem Aufbringen einer Beschichtung darauf, wobei der Gegenstand ein Substrat (26) aufweist und mindestens eine Fluidströmungspassage (34) hat, welche sich durch das Substrat erstreckt, so dass die Passage umfangsmäßig mindestens über einen Teil ihrer Länge durch exponiertes Substrat begrenzt ist, wobei die Passage einen Hals (42) mit einem regulierenden Strömungsquerschnitt (At) und einen Mund (44) mit einem auseinander laufenden, nicht regulierenden Strömungsquerschnitt hat, wobei das Verfahren gekennzeichnet ist durch

Diffundieren einer Hilfsbeschichtung (52) in das exponierte Substrat, um eine Diffusionszone (54) zu bilden; und

Aussetzen der Diffusionszone einem Ablösemittel, so dass die Diffusionszone von dem Gegenstand abgelöst wird und so der nicht regulierende Strömungsquerschnitt mindestens eines Teils des Munds vergrößert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Gegenstand eine Lage aus einer vorhandenen Beschichtung (28) aufweist, die auf dem Substrat angeordnet ist,

ferner aufweisend das Diffundieren einer Hilfsbeschichtung (52) in die vorhandene Beschichtung (28), um die Diffusionszone (54) zu bilden; und Aussetzen des Gegenstands einem Ablösemittel, so dass die Diffusionszone und sämtliche vorhandene, undiffundierte Beschichtung von dem Gegenstand abgelöst werden und so den nicht regulierenden Strömungsquerschnitt mindestens eines Teils des Mundes vergrößert.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Substrat (26) eine Legierung ist, die aus der Gruppe gewählt ist, welche aus Legierungen auf Cobaltbasis, Legierungen auf Nickelbasis und Legierungen auf Eisenbasis besteht.

4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei die Legierung eine Superlegierung auf Nickel- oder Cobaltbasis ist.

5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Substrat (26) eine Legierung auf Nickelbasis ist, wobei die vorhandene Beschichtung (28) eine MCrAlY-Beschichtung ist, und die Hilfsbeschichtung (52) eine Beschichtung ist, welche Aluminium aufweist und in das Substrat und die vorhandene Beschichtung diffundierbar ist.

6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hilfsbeschichtung (52) aus einem Band gebildet ist, welches auf die vorhandene Beschichtung geklebt werden kann.

7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Aussetzens des Gegenstands einem Ablösemittel den nicht regulierenden Strömungsquerschnitt so vergrößert, dass der Hals die Strömung durch die Passage nach dem Wiederbeschichten des Gegenstands reguliert.

8. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gegenstand eine Gasturbinenmaschinen-Laufschaufel ist.

9. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Gegenstand einen inneren Hohlraum (32) aufweist, ferner aufweisend das Aufbringen einer Schutzmaske (56) auf den inneren Hohlraum vor dem Aussetzen des Gegenstands dem Ablösemittel, so dass die Diffusionszone (54) von dem Gegenstand abgelöst wird, und so der nicht regulierende Strömungsquerschnitt eines Teils des Munds, der von dem inneren Hohlraum entfernt ist, vergrößert wird.

10. Gegenstand aufweisend ein Substratmaterial (26) und mit mindestens einer Fluidströmungspassage (34), welche sich von einem inneren Hohlraum (32) zu einer Substratoberfläche des Gegenstands erstreckt, wobei die Passage eine Achse, einen Hals (42) mit einem regulierten Strömungsquerschnitt und einen Mund aufweist, der sich von dem Hals zu der Substratoberfläche (SS) erstreckt, wobei der Mund einen nicht regulierenden Strömungsquerschnitt hat, wobei der nicht regulierende Strömungsquerschnitt mindestens so groß wie der regulierende Strömungsquerschnitt ist, wobei die Passage einen neu hergestellten Zustand und einen vorkonditionierten Zustand hat, wobei die Änderungsrate des Passagenquerschnitts von dem Hals zu der Substratoberfläche in dem vorkonditionierten Zustand größer ist als die Änderungsrate des Passagenquerschnitts in dem neu installierten Zustand.

11. Gegenstand nach Anspruch 10, ferner aufweisend einen wieder aufgearbeiteten Zustand mit einer nicht originalen Beschichtung, die auf die äußere Oberfläche an Stelle einer originalen Beschichtung aufgebracht ist, wobei die nicht originale Beschichtung das Substrat axial entlang eines Teils (F) eines inneren Teils (Pi) der Passage (34) überlagert, wobei die Strömungskapazität einer jeden Passage im Wesentlichen nicht unter eine vorbestimmte minimal zulässige Strömungskapazität durch die nicht originale Beschichtung, die auf den Gegenstand aufgebracht ist, verringert ist.

12. Der mit Öffnungen versehene Gegenstand der Ansprüche 10 oder 11, wobei die Gesamtströmungskapazität im Wesentlichen nicht unter eine vorbestimmte minimal zulässige Gesamtströmungskapazität durch die nicht originale Beschichtung, die auf den Gegenstand aufgebracht ist, verringert ist.