EP2198073A1 - Fic-anlage und verfahren zum betreiben einer fic-anlage im überdruckbereich - Google Patents

Fic-anlage und verfahren zum betreiben einer fic-anlage im überdruckbereich

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Publication number
EP2198073A1
EP2198073A1 EP07818895A EP07818895A EP2198073A1 EP 2198073 A1 EP2198073 A1 EP 2198073A1 EP 07818895 A EP07818895 A EP 07818895A EP 07818895 A EP07818895 A EP 07818895A EP 2198073 A1 EP2198073 A1 EP 2198073A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
reactive gas
pressure
reaction chamber
phase
gas mixture
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP07818895A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Francis-Jurjen Ladru
Alexander Nordalm
Michael Ott
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Publication of EP2198073A1 publication Critical patent/EP2198073A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23G—CLEANING OR DE-GREASING OF METALLIC MATERIAL BY CHEMICAL METHODS OTHER THAN ELECTROLYSIS
    • C23G5/00—Cleaning or de-greasing metallic material by other methods; Apparatus for cleaning or de-greasing metallic material with organic solvents
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B08—CLEANING
    • B08B—CLEANING IN GENERAL; PREVENTION OF FOULING IN GENERAL
    • B08B7/00—Cleaning by methods not provided for in a single other subclass or a single group in this subclass
    • B08B7/0035—Cleaning by methods not provided for in a single other subclass or a single group in this subclass by radiant energy, e.g. UV, laser, light beam or the like
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D25/00—Component parts, details, or accessories, not provided for in, or of interest apart from, other groups
    • F01D25/002—Cleaning of turbomachines
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T50/00—Aeronautics or air transport
    • Y02T50/60—Efficient propulsion technologies, e.g. for aircraft

Definitions

  • the invention relates to a FIC system and a method for operating this FIC system in the overpressure range.
  • Aircraft turbines are reworked after use, with the cracks of these components oxides must be removed so that they can be repaired.
  • FIC method fluoride ion clea- ring
  • the component is introduced into a reaction chamber, in which then the reactive gas, for example. Halogen gas, is introduced, which then leads to a reaction of the oxide with the reactive gas, whereby the oxide is removed from the component.
  • the reactive gas for example.
  • Halogen gas is introduced, which then leads to a reaction of the oxide with the reactive gas, whereby the oxide is removed from the component.
  • the object is achieved by a FIC system according to claim 1 and a method according to claim 7.
  • FIG. 1 shows an FIC system
  • FIGS. 2 to 5 show exemplary time profiles of the pressure within a FIC system
  • FIGS. 6, 7 schematically show the sequence of the cleaning process
  • FIG. 8 shows a gas turbine
  • FIG 10 in perspective a combustion chamber.
  • a FIC system 1 is shown schematically.
  • the FIC system 1 comprises at least one reaction chamber 10, in which at least one component 4, 120, 130, 155 (FIGS. 8, 9, 10) can be introduced.
  • the component 4, 120, 130, 155 has oxidation and / or corrosion products, which are mainly present in cracks.
  • the oxidation and corrosion products are also often present as a layer area.
  • a reactive gas or reaction mixture preferably a halide, preferably hydrogen fluoride (HF) can be introduced into the reaction chamber 10, so that there is a reaction between the reactive gas and the oxidation and / or corrosion product to be removed can take place on the component 4, 120, 130, 155.
  • a reactive gas or reaction mixture preferably a halide, preferably hydrogen fluoride (HF)
  • the FIC system is designed such that a pressure p greater than the atmospheric pressure p a t (1, 01 bar at RT) can be set by means of means 13.
  • the maximum overpressure in the reaction chamber is preferably 10 l, 4 bar (14OkPa).
  • reaction chamber 10 seals as a means 13, so that the reactive gas 7 in the overpressure range not from the
  • Reaction chamber 10 can escape.
  • valve 13 which regulates the pressure in the reaction chamber 10, since the supply 7 with the reaction gas has an overpressure, i. a
  • Pressure vessel surface with the hydrogen fluoride (HF) used by way of example has an overpressure greater atmospheric pressure, in particular greater l, 4bar, so that the pressure from this pressure vessel must be controlled.
  • the device 1 comprises as a means a pump 13 which is designed so that it can generate an overpressure in the reaction chamber 10.
  • a pump 13 which is designed so that it can generate an overpressure in the reaction chamber 10.
  • a temporally exemplary course of the cleaning process, preferably with the FIC system 1, is shown in the following table and in FIGS. 2 to 5:
  • FIG. 2 shows a time profile of the pressure p in the reaction chamber 10.
  • the initial pressure curve is not shown.
  • the temperature T in the reaction chamber 10 is initially heated to a specific temperature, in particular above 1000 ° C., at the beginning.
  • a pressure p greater than the atmospheric pressure P at is set, and for a holding time t h , the pressure p is kept constant. This represents a high pressure phase (P H ).
  • Pa t penetrates more reactive gas of a reactive gas mixture into the cracks to be cleaned. This leads to the intensification of the chemical reaction and thus to the improvement of the cleaning effect.
  • the gas in the reaction chamber 10 is constantly pumped to remove spent reaction products, wherein new gas (reactive gas, non-reactive gas) is replenished. This increases productivity.
  • the reaction chamber 10 is purged with a reactive gas 7 and preferably with a non-reactive gas.
  • a reactive gas 7 is a reactive gas mixture.
  • the non-reactive gas can be a gas mixture, but does not react with the component.
  • the time duration t s is preferably smaller than the hold time th for P H.
  • the flow rate r 1 of the reactive gas or of the reactive gas mixture is preferably smaller than the flow rate r 3 of the non-reactive gas, since otherwise the reaction chamber 10 is attacked.
  • the flow rate of the nonreactive gas is preferably increased to r3 (r3> r2).
  • the reactive gas mixture is formed by combining a reactive gas and a non-reactive gas. This represents the chamber scavenging phase S3.
  • This process (54, 55, 53) can be repeated periodically who the.
  • FIG. 3 shows a further time sequence of the cleaning process.
  • the pressure p in the low-pressure phase P N is reduced to the atmospheric pressure p at or preferably remains above the atmospheric pressure p at (not shown).
  • the pressure p is periodically raised and lowered, ie maintained at a high pressure phase P H and a low pressure phase P N , initially for some cycles the pressure p in the high pressure phase P H is at the atmospheric pressure p at is limited. Likewise, the pressure p in the high-pressure phase P H at the beginning of the process may also be less than the atmospheric pressure p at .
  • the pressure p in the high-pressure phase is set to a pressure greater than p at and there again preferably for one
  • the FIC cleaning can be carried out according to a method according to the prior art, where pressures P at between 200 mbar and less than one atmosphere are set and the pressure p periodically lowered and raised again.
  • the reaction is still very good, since sufficient reaction products are freely accessible, which are easily accessible.
  • FIG. 5 shows a further time profile of the cleaning process.
  • the pressure p in the high-pressure phase P H is periodically varied between a pressure p greater than the atmospheric pressure p at and a pressure equal to or less than or equal to the atmospheric pressure p at .
  • a pressure in the high-pressure phase P H is set to greater p at , followed by a pressure in the high-pressure phase P H equal to p at , which is repeated.
  • a pressure in the high pressure phase of p p at or next follows a pressure in the high pressure phase with a pressure greater than p at .
  • the number of repetitions with p ⁇ p at or p> p at can be varied as desired.
  • the temperature is raised at the beginning of the process to a certain temperature, in particular> 1000 0 C.
  • the temperature is kept constant throughout the process, since it could be that by flooding with gas when changing the flow rate it can lead to minimal temperature fluctuations.
  • the reaction chamber is constantly purged preferably with hydrogen (H 2 ) or a non-reactive gas.
  • FIG. 6 schematically shows a method according to the invention for the cleaning of components which have fissures soiled with oxides.
  • the method is in particular suitable for cleaning the rotor blades and guide vanes 120, 130 of a gas turbine 100 and other components which are subject to high operating loads, such as the heat shield elements 150 of a combustion chamber 110 of the gas turbine 100.
  • the method comprises the three sections of a pre-purification, a fluorine ion purification and a vacuum annealing.
  • the pre-cleaning which is optional, but not mandatory and can for example consist in a salt bath, serves to free the surface of the component to be cleaned 120, 130, 155 of superficial oxides and other corrosion products or damage them so that the following Fluorine ion purification can take place better.
  • the component 120, 130, 155 is subjected to fluorine ion cleaning (FIC). During this FIC
  • the purge gas contains a hydrogen halide in the form of hydrogen fluoride (HF) which dissociates at the prevailing temperatures to form fluoride ions, which in turn are capable, with the formation of metal fluorides, also of complex oxides formed in the fractures of the component. dissolve.
  • HF hydrogen fluoride
  • a purifying gas containing 18vol% to 30vol% of hydrogen halide or hydrogen fluoride is preferably used, the remaining gas being a non-oxidizing and non-corrosive gas, and more particularly a gas such as a hydrogen gas which has a reducing effect on oxides.
  • the temperature in the cleaning chamber during the FIC cleaning in a range of 980 0 C to 1100 0 C, in particular to 1020 0 C.
  • the loading of the component to be cleaned 120, 130, 155 with the cleaning gas in the form of HF / H 2 mixture is carried out in several cleaning cycles, which is interrupted by rinsing cycles with a non-oxidizing and especially reducing acting purge gas such as hydrogen (H 2 ) .
  • the rinsing cycles can be assisted by pumping out the cleaning chamber, in which case the cleaning gas in the cleaning chamber must be refilled before the next cleaning cycle.
  • the cleaning can be interrupted by pumping out the cleaning gas.
  • four cleaning cycles are used, which are interrupted by a total of three rinse cycles, at the end of the last cleaning cycle also takes place flushing.
  • the number of cleaning and rinsing cycles can also be significantly higher.
  • three to ten rinsing cycles are performed.
  • the cleaning cycles in which the component is treated with the cleaning gas, take 10 to 60 minutes each and in particular 45 minutes, whereby the cleaning cycles can be the same length.
  • the first and fourth cleaning cycles may be slightly longer than the middle two cleaning cycles. However, this is because in the first cycle, the temperature must be increased only in the desired range and in the last cycle, the temperature must be shut down again. Preferably, five cleaning cycles are performed.
  • a solution heat treatment is performed which dissolves reaction products such as ⁇ 'phases such as those found in nickel-base superalloys.
  • FIG. 7 shows an exemplary temperature profile T and a pressure curve p in a diagram over time t.
  • a component 120, 130, 155 to be cleaned is put into the cleaning introduced chamber, and the temperature T is raised to the desired range.
  • the reactive gas 7, here an HF / H 2 mixture is introduced into the cleaning chamber 10.
  • four cleaning cycles take place, which are interrupted by three rinsing cycles. In these rinsing cycles, the gas mixture is also pumped out, so that during the rinsing cycles, the pressure within the chamber drops significantly.
  • a reducing gas such as hydrogen is introduced into the chamber.
  • the method according to the invention is particularly suitable for cleaning gas turbine components which consist of alloys with a chromium content of at least 10% by weight.
  • FIG. 8 shows by way of example a gas turbine 100 in one embodiment
  • the gas turbine 100 has inside a rotatably mounted about a rotation axis 102 rotor 103 with a shaft 101, which is also referred to as a turbine runner.
  • an intake housing 104 a compressor 105, for example, a toroidal combustion chamber 110, in particular annular combustion chamber, with a plurality of coaxially arranged burners 107, a turbine 108 and the exhaust housing 109th
  • a compressor 105 for example, a toroidal combustion chamber 110, in particular annular combustion chamber, with a plurality of coaxially arranged burners 107, a turbine 108 and the exhaust housing 109th
  • the annular combustion chamber 110 communicates with an annular annular hot gas channel 111, for example.
  • annular annular hot gas channel 111 for example.
  • turbine stages 112 connected in series form the turbine 108.
  • Each turbine stage 112 is formed, for example, from two blade rings. As seen in the direction of flow of a working medium 113, in the hot gas channel 111 of a row of guide vanes 115, a series 125 formed of rotor blades 120 follows.
  • the vanes 130 are attached to an inner housing 138 of a stator 143, whereas the blades 120 a row 125 are attached to the rotor 103, for example by means of a turbine disk 133.
  • air 105 is sucked in and compressed by the compressor 105 through the intake housing 104.
  • the compressed air provided at the turbine-side end of the compressor 105 is fed to the burners 107 where it is mixed with a fuel.
  • the mixture is then burned to form the working fluid 113 in the combustion chamber 110.
  • the working medium 113 flows along the hot gas channel 111 past the guide vanes 130 and the rotor blades 120.
  • the working medium 113 expands on the rotor blades 120 in a pulse-transmitting manner, so that the rotor blades 120 drive the rotor 103 and drive the machine coupled to it ,
  • the components exposed to the hot working medium 113 are subject to thermal loads during operation of the gas turbine 100.
  • the guide vanes 130 and rotor blades 120 of the first turbine stage 112, viewed in the flow direction of the working medium 113, are subjected to the highest thermal stress in addition to the heat shield elements lining the annular combustion chamber 110.
  • substrates of the components may have a directional structure, i. they are monocrystalline (SX structure) or have only longitudinal grains (DS structure).
  • the material for the components in particular for the turbine blade 120, 130 and components of the combustion chamber 110, for example, iron-, nickel- or cobalt-based superalloys are used.
  • Such superalloys are known, for example, from EP 1 204 776 B1, EP 1 306 454, EP 1 319 729 A1, WO 99/67435 or WO 00/44949.
  • the blades 120, 130 may be anti-corrosion coatings (MCrAlX; M is at least one element of the group iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni), X is an active element and is yttrium (Y) and / or silicon , Scandium (Sc) and / or at least one element of the rare earth or hafnium).
  • Such alloys are known from EP 0 486 489 B1, EP 0 786 017 Bl, EP 0 412 397 B1 or EP 1 306 454 A1.
  • a thermal barrier coating On the MCrAlX may still be present a thermal barrier coating, and consists for example of ZrO 2 , Y 2 O 3 -ZrO 2 , that is, it is not, partially or completely stabilized by yttria and / or calcium oxide and / or magnesium oxide.
  • Suitable coating processes such as electron beam evaporation (EB-PVD), produce stalk-shaped grains in the thermal barrier coating.
  • EB-PVD electron beam evaporation
  • the vane 130 has a guide vane foot (not shown here) facing the inner housing 138 of the turbine 108 and a vane head opposite the vane foot.
  • the vane head faces the rotor 103 and fixed to a mounting ring 140 of the stator 143.
  • FIG. 9 shows a perspective view of a moving blade 120 or guide blade 130 of a turbomachine that extends along a longitudinal axis 121.
  • the turbomachine may be a gas turbine of an aircraft or a power plant for power generation, a steam turbine or a compressor.
  • the blade 120, 130 has along the longitudinal axis 121 consecutively a fastening region 400, a blade platform 403 adjacent thereto and an airfoil 406 and a blade tip 415.
  • the blade 130 may have at its blade tip 415 another platform (not shown).
  • a blade root 183 is formed, which serves for attachment of the blades 120, 130 to a shaft or a disc (not shown).
  • the blade root 183 is designed, for example, as a hammer head. Other designs as fir tree or Schissebwschwanzfuß are possible.
  • the blade 120, 130 has a leading edge 409 and a trailing edge 412 for a medium flowing past the airfoil 406.
  • blades 120, 130 for example, solid metallic materials, in particular superalloys, are used in all regions 400, 403, 406 of the blade 120, 130.
  • superalloys are known, for example, from EP 1 204 776 B1, EP 1 306 454, EP 1 319 729 A1, WO 99/67435 or WO 00/44949.
  • the blade 120, 130 can hereby be manufactured by a casting process, also by directional solidification, by a forging process, by a milling process or combinations thereof.
  • Workpieces with a monocrystalline structure or structures are used as components for machines which are exposed to high mechanical, thermal and / or chemical stresses during operation.
  • Such monocrystalline workpieces takes place e.g. by directed solidification from the melt.
  • These are casting processes in which the liquid metallic alloy is transformed into a monocrystalline structure, i. to the single-crystal workpiece, or directionally solidified.
  • dendritic crystals are aligned along the heat flow and form either a columnar grain structure (columnar, ie grains over the entire length run the workpiece and here, the general usage, referred to as directionally solidified) or a monocrystalline structure, ie the entire workpiece consists of a single crystal.
  • directionally solidified a columnar grain structure
  • monocrystalline structure ie the entire workpiece consists of a single crystal.
  • directionally solidified structures it means both single crystals that have no grain boundaries or at most small-angle grain boundaries, and stem crystal structures that have grain boundaries that are probably longitudinal but no transverse grain boundaries. In these second-mentioned crystalline
  • Structures are also called directionally solidified structures.
  • the blades 120, 130 may have coatings against corrosion or oxidation, e.g. M is at least one element of the group iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni), X is an active element and stands for yttrium (Y) and / or silicon and / or at least one element of the rare ones Earth, or hafnium (Hf)).
  • M is at least one element of the group iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni)
  • X is an active element and stands for yttrium (Y) and / or silicon and / or at least one element of the rare ones Earth, or hafnium (Hf)).
  • Such alloys are known from EP 0 486 489 B1, EP 0 786 017 Bl, EP 0 412 397 B1 or EP 1 306 454 A1.
  • the density is preferably 95% of the theoretical density.
  • the layer composition comprises Co-30Ni-28Cr-8Al-0,6Y-0,7Si or Co-28Ni-24Cr-10Al-0, 6Y.
  • nickel-based protective layers such as Ni-10Cr-12Al are also preferably used.
  • thermal barrier coating which is preferably the outermost layer, and consists for example of ZrO 2 , Y 2 O 3 -ZrO 2 , ie it is not, partially or completely stabilized by yttria and / or calcium oxide and / or magnesium oxide.
  • the thermal barrier coating covers the entire MCrAlX layer.
  • suitable coating methods such as electron beam evaporation (EB-PVD) stalk-shaped grains are generated in the thermal barrier coating.
  • the heat-insulating layer may have porous, micro- or macro-cracked grains for better thermal shock resistance.
  • the thermal barrier coating is therefore preferably more porous than the MCrAlX layer.
  • 120, 130 may need to be cleared of protective layers (e.g., by sandblasting) after use. This is followed by removal of the corrosion and / or oxidation layers or products. Optionally, even cracks in the component 120, 130 are repaired. This is followed by a re-coating of the component 120, 130 and a renewed use of the component 120, 130.
  • protective layers e.g., by sandblasting
  • the blade 120, 130 may be hollow or solid. If the blade 120, 130 is to be cooled, it is hollow and may still film cooling holes 418 (indicated by dashed lines) on.
  • FIG. 10 shows a combustion chamber 110 of a gas turbine.
  • the combustion chamber 110 is designed, for example, as a so-called annular combustion chamber, in which a plurality of arranged in the circumferential direction about a rotation axis 102 around Burners 107 open into a common combustion chamber space 154, the flames 156 produce.
  • the combustion chamber 110 is configured in its entirety as an annular structure, which is positioned around the axis of rotation 102 around.
  • the combustion chamber 110 is designed for a comparatively high temperature of the working medium M of about 1000 ° C. to 1600 ° C.
  • the combustion chamber wall 153 is provided on its side facing the working medium M with an inner lining formed of heat shield elements 155.
  • Each heat shield element 155 made of an alloy is equipped on the working medium side with a particularly heat-resistant protective layer (MCrAlX layer and / or ceramic coating) or is made of high-temperature-resistant material (solid ceramic blocks).
  • M is at least one element of the group iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni), X is an active element and stands for yttrium (Y) and / or silicon and / or at least one element of the rare earths, or hafnium (Hf).
  • MCrAlX means: M is at least one element of the group iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni), X is an active element and stands for yttrium (Y) and / or silicon and / or at least one element of the rare earths, or hafnium (Hf).
  • Such alloys are known from EP 0 486 489 B1, EP 0 786 017 Bl, EP 0 412 397 B1 or EP 1 306 454 A1.
  • a ceramic thermal barrier coating may be present and consists for example of ZrO 2 , Y 2 O 3 -ZrO 2 , ie it is not, partially or completely stabilized by yttria and / or calcium oxide and / or magnesium oxide.
  • Electron beam evaporation produces stalk-shaped grains in the thermal barrier coating.
  • the heat- insulating layer may have porous, micro- or macro-cracked grains for better thermal shock resistance.
  • Refurbishment means that heat shield elements 155 may be replaced after use by heat shielding elements 155
  • Protective layers must be freed (for example by sandblasting). This is followed by removal of the corrosion and / or oxidation layers or products. If necessary, cracks in the heat shield element 155 are also repaired. This is followed by a recoating of the heat shield elements 155 and a renewed use of the heat shield elements 155.
  • the heat shield elements 155 are then, for example, hollow and possibly still have cooling holes (not shown) which open into the combustion chamber space 154.

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Abstract

Die erfindungsgemäße FIC-Anlage (1) kann im überatmosphärischen Druckbereich betrieben werden, so dass im Vergleich zum Stand der Technik ein Reaktivgas (7) besser in die zu reinigenden Risse eindringen kann, wodurch die chemische Reaktion zwischen Reaktivgas (7) und Oxid intensiviert wird.

Description

FIC-Anlage und Verfahren zum Betreiben einer FIC-Anlage im
Überdruckbereich
Die Erfindung betrifft eine FIC-Anlage und ein Verfahren zum Betreiben dieser FIC-Anlage im Überdruckbereich.
Bauteile von Gasturbinen von stationären Gasturbinen oder
Flugzeugturbinen werden nach dem Einsatz überarbeitet, wobei aus Rissen dieser Bauteile Oxide entfernt werden müssen, damit diese repariert werden können.
Dabei wird das so genannte FIC-Verfahren (Fluoridionen-Clea- ning) angewendet.
Dabei wird das Bauteil in eine Reaktionskammer eingeführt, in die dann das Reaktivgas, bspw. Halogengas, eingeführt wird, wobei es dann zu einer Reaktion des Oxides mit dem Reaktivgas kommt, wodurch das Oxid von dem Bauteil entfernt wird.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung eine FIC-Anlage und ein Verfahren zum Betreiben einer FIC-Anlage aufzuzeigen, das zu einer Intensivierung der chemischen Reaktion und zur Verbesserung der Reinigungswirkung führt .
Die Aufgabe wird gelöst durch eine FIC-Anlage gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren gemäß Anspruch 7.
In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Maßnahmen aufgelistet, die beliebig miteinander kombiniert werden können, um weitere Vorteile zu erzielen.
Es zeigen:
Figur 1 eine FIC-Anlage,
Figur 2 - 5 beispielhafte zeitliche Verläufe des Drucks innerhalb einer FIC-Anlage, Figur 6, 7 schematisch den Ablauf des Reinigungsverfah- rens,
Figur 8 eine Gasturbine,
Figur 9 perspektivisch eine Turbinenschaufel und
Figur 10 perspektivisch eine Brennkammer. In Figur 1 ist schematisch eine FIC-Anlage 1 gezeigt. Die FIC-Anlage 1 besteht zumindest aus einer Reaktionskammer 10, in der zumindest ein Bauteil 4, 120, 130, 155 (Fig. 8, 9, 10) eingebracht werden kann.
Das Bauteil 4, 120, 130, 155 weist Oxidation und/oder Korrosionsprodukte auf, die hauptsächlich in Rissen vorhanden sind. Die Oxidations- und Korrosionsprodukte liegen auch oft als Schichtbereich vor. Über ein Ventil 13 bzw. Pumpe 13 kann ein Reaktivgas oder Reaktionsgemisch, vorzugsweise ein Halogenid, vorzugsweise Fluorwasserstoff (HF) in die Reaktionskammer 10 eingeführt werden, so dass dort eine Reaktion zwischen dem Reaktivgas und dem zu entfernenden Oxidations- und/oder Korrosionspro- dukt auf dem Bauteil 4, 120, 130, 155 stattfinden kann.
Erfindungsgemäß ist die FIC-Anlage so ausgelegt, dass mittels Mittel 13 ein Druck p größer als der atmosphärische Druck pat (« l,01bar bei RT) eingestellt werden kann. Mit Überdruckbereich ist mindestens ein Druck größer Atmo- Sphäre pat/ insbesondere größer 1 , lbar (= HOkPa) gemeint.
Vorzugsweise beträgt der maximale Überdruck in der Reaktions- kammer 10 l,4bar (14OkPa) .
Dabei weist die Reaktionskammer 10 Dichtungen als Mittel 13 auf, damit das Reaktivgas 7 im Überdruckbereich nicht aus der
Reaktionskammer 10 entweichen kann.
Alternativ oder zusätzlich ist ein Ventil 13 vorhanden, die den Druck in der Reaktionskammer 10 regelt, da die Versorgung 7 mit dem Reaktionsgas einen Überdruck aufweist, d.h. eine
Druckbehälterfläche mit dem beispielhaft verwendeten Fluorwasserstoff (HF) weist einen Überdruck größerer Atmosphärendruck, insbesondere größer l,4bar, auf, so dass der Druck aus diesem Druckbehälter geregelt werden muss.
Vorzugsweise enthält die Vorrichtung 1 als Mittel eine Pumpe 13, die so ausgelegt ist, dass sie einen Überdruck in der Reaktionskammer 10 erzeugen kann. Ein zeitlicher beispielhafter Verlauf des Reinigungsverfahrens, vorzugsweise mit der FIC-Anlage 1 ist in der folgenden Tabelle und in den Figuren 2 bis 5 gezeigt:
mit den Flussraten rl , r2 , r3 , vorzugsweise r3 > r2 > rl und den Drücken PH > PN/ insbesondere PH > latm und den Haltezeiten tl, t2, t3, vorzugsweise t3 > t2 > tl.
Nach den ersten Segmenten 1, 2 wiederholen sich die Segmente 4, 5 und 3, die einen Zyklus darstellen.
In Figur 2 ist ein zeitlicher Verlauf des Drucks p in der Reaktionskammer 10 aufgetragen.
Der anfängliche Druckverlauf ist nicht dargestellt. Dabei wird am Anfang die Temperatur T in der Reaktionskammer 10 auf eine bestimmte Temperatur, insbesondere über 10000C hoch geheizt. Vorzugsweise wird nach einer Anfangsphase zumindest zeitweise ein Druck p größer als der atmosphärische Druck Pat eingestellt und für eine Haltezeit th wird der Druck p konstant gehalten. Dies stellt eine Hochdruckphase (PH) dar. Durch das Befüllen im überatmosphärischen Druckbereich (>
Pat) dringt mehr Reaktivgas eines Reaktivgasgemisches in die zu reinigenden Risse ein. Dies führt zur Intensivierung der chemischen Reaktion und damit zur Verbesserung der Reinigungswirkung . Vorzugsweise wird das Gas in der Reaktionskammer 10 ständig abgepumpt, um verbrauchte Reaktionsprodukte abzuführen, wobei neues Gas (Reaktivgas, Nichtreaktivgas) nachgefüllt wird. So wird die Produktivität erhöht.
Während einer Zeitdauer ts in der Hochdruckphase PH wird die Reaktionskammer 10 mit einem Reaktivgas 7 und vorzugsweise mit einem Nichtreaktivgas gespült. Dies stellt ein Reaktivgasgemisch dar. Ebenso kann das Nichtreaktivgas ein Gasgemisch darstellen, das aber nicht mit dem Bauteil reagiert.
Die Zeitdauer ts ist vorzugsweise kleiner als die Haltezeit th für PH. Die Flussrate rl des Reaktivgases oder des Reaktivgasgemisches ist vorzugsweise kleiner als die Flussrate r3 des Nichtreaktivgases, da ansonsten die Reaktionskammer 10 angegriffen wird.
Während der Spülzeit (th-ts) in der Hochdruckphase wird die Flussrate des Nichtreaktivgases vorzugsweise auf r3 erhöht (r3 > r2) .
Dies stellt die Rissreinigungsphase S4 dar.
Während der restlichen Haltezeit (th-ts) in der Hochdruckphase wird nur noch ein Nichtreaktivgas verwendet (Flussrate Reaktivgas = 0) , vorzugsweise Wasserstoff (H2) . Vorzugsweise ist (th-ts) > 0. Dies stellt die Rissspülphase S5 dar.
Ebenso kann während der gesamten Hochdruckphase ein Reaktivgas oder ein Gemisch aus Reaktivgas und Nichtreaktivgas ver- wendet werden (th-ts ) = 0.
Nach der Haltezeit th wird der Druck p abgesenkt auf einen Druck PN kleiner pat (= Niedrigdruckphase) und nach einer bestimmten Haltezeit wieder auf einen Druck vorzugsweise größer pat gefahren, indem das Reaktivgas oder das Reaktivgasgemisch in die Reaktionskammer 10 durch Erhöhung der Flussrate des Reaktivgases oder des Reaktivgasgemisches eingeführt wird. Das Reaktivgasgemisch entsteht durch Zusammenführen eines Reaktivgases und eines Nichtreaktivgases . Dies stellt die Kammerspülphase S3 dar.
Dieser Prozess (54, 55, 53) kann periodisch wiederholt wer den.
Ebenso kann das Verfahren mit PH = pat und PN < pat durchgeführt werden .
In Figur 3 ist ein weiterer zeitlicher Ablauf des Reinigungsverfahrens dargestellt .
Im Unterschied zu Figur 2 wird hier der Druck p in der Nied- rigdruckphase PN auf den Atmosphärendruck pat verringert oder verbleibt vorzugsweise oberhalb des Atmosphärendrucks pat (nicht dargestellt) .
In Figur 4 wird wie in den Figuren 2 und 3 der Druck p periodisch angehoben und gesenkt, d. h. auf eine Hochdruckphase PH und eine Niedrigdruckphase PN gehalten, wobei anfangs für einige Zyklen der Druck p in der Hochdruckphase PH auf den atmosphärischen Druck pat beschränkt ist. Ebenso kann der Druck p in der Hochdruckphase PH am Anfang des Verfahrens auch kleiner als der atmosphärische Druck pat sein.
Nach einer gewissen Zeit, d. h. nach ein paar Hochdruckwechseln, wird der Druck p in der Hochdruckphase auf einen Druck größer pat eingestellt und dort wieder vorzugsweise für eine
Zeitdauer th gehalten. Das Halten des Drucks, bei dem ein Druck p größer pat verwendet wird, kann dann im folgenden wie in der Figur 2 oder Figur 3 beschrieben fortgeführt werden.
Insbesondere am Beginn des Reinigungsverfahrens kann die FIC- Reinigung nach einem Verfahren nach dem Stand der Technik durchgeführt werden, wobei dort Drücke Pat zwischen 200mbar und kleiner einer Atmosphäre eingestellt werden und der Druck p periodisch abgesenkt und wieder angehoben wird. Insbesondere am Anfang des Verfahrens läuft die Reaktion noch sehr gut ab, da genügend Reaktionsprodukte frei zugänglich sind, die leicht zugänglich sind. In weiteren Verfahrensschritten der Reinigung wird es jedoch immer schwieriger, die verbleibenden Reaktionsprodukte mit dem Reaktivgas zu erreichen, so dass dann die Anlage im überatmosphärischen Druckbereich betrieben wird.
In Figur 5 ist ein weiterer zeitlicher Verlauf des Reinigungsverfahrens dargestellt.
Dabei wird der Druck p in der Hochdruckphase PH periodisch variiert zwischen einem Druck p größer dem Atmosphärendruck pat und einem Druck gleich oder kleiner/gleich dem atmosphärischen Druck pat .
In Figur 5 wird zuerst ein Druck in der Hochdruckphase PH größer pat eingestellt, wobei dann ein Druck in der Hochdruckphase PH gleich pat folgt, wobei das wiederholt wird. Ebenso kann natürlich mit einem Druck in der Hochdruckphase von p = pat begonnen werden oder als nächstes folgt ein Druck in der Hochdruckphase mit einem Druck größer pat . Die Anzahl der Wiederholungen mit p < pat oder p > pat können beliebig variiert werden.
Die Temperatur wird am Anfang des Verfahrens auf eine bestimmte Temperatur, insbesondere > 10000C hochgefahren. Vorzugsweise wird die Temperatur während des gesamten Verfahrens konstant gehalten bzw. geregelt, da es sein könnte, dass durch das Fluten mit Gas bei Veränderung der Flussrate es zu minimalen Temperaturschwankungen kommen kann.
Vorzugsweise wird die Reaktionskammer ständig vorzugsweise mit Wasserstoff (H2) oder einem nichtreaktivem Gas gespült. In Figur 6 ist schematisch ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Reinigung von Bauteilen dargestellt, welche mit Oxiden verschmutzte Risse aufweisen.
Das Verfahren ist insbesondere geeignet zur Reinigung der Lauf- und Leitschaufeln 120, 130 einer Gasturbine 100 und anderer im Betrieb stark beanspruchter Komponenten wie beispielsweise den Hitzeschildelementen 150 einer Brennkammer 110 der Gasturbine 100. Das Verfahren umfasst die drei Ab- schnitte einer Vorreinigung, einer Fluordionenreinigung und einer Vakuumglühung. Die Vorreinigung, die fakultativ, aber nicht zwingend notwendig ist und beispielsweise in einer Salzbadreinigung bestehen kann, dient dazu, die Oberfläche des zu reinigenden Bauteils 120, 130, 155 von oberflächlichen Oxiden und anderen Korrosionsprodukten zu befreien oder diese so zu schädigen, dass die nachfolgende Fluordionenreinigung verbessert stattfinden kann.
Nach der Vorbehandlung wird das Bauteil 120, 130, 155 einer Fluordionenreinigung (FIC) unterzogen. Während dieser FIC-
Reinigung, die an sich vorbekannt ist, wird das zu reinigende Bauteil in einer Reinigungskammer einer Reinigungsgasatmosphäre bei Temperaturen in einem Bereich von 10000C ausgesetzt. Das Reinigungsgas enthält einen Halogenwasserstoff in der Form von Fluorwasserstoff (HF) , das bei den vorherrschenden Temperaturen unter der Bildung von Fluoridionen dissoziiert, welche wiederum geeignet sind, unter der Bildung von Metallfluoriden auch komplexe Oxide, welche sich in den Rissen des Bauteils gebildet haben, aufzulösen.
Bei dem Verfahren wird vorzugsweise ein Reinigungsgas eingesetzt, das 18vol% bis 30vol% Halogenwasserstoff bzw. Fluorwasserstoff enthält, wobei das verbleibende Gas ein nicht oxidierendes und nicht korrodierendes Gas ist und insbeson- dere ein Gas wie beispielsweise ein Wasserstoffgas, das reduzierend auf Oxide wirkt . Die Temperatur in der Reinigungskammer liegt während der FIC-Reinigung in einem Bereich von 9800C bis 11000C, insbesondere bis 10200C. Die Beaufschlagung des zu reinigenden Bauteils 120, 130, 155 mit dem Reinigungsgas in der Form des HF/H2-Gemischs erfolgt in mehreren Reinigungszyklen, die von Spülzyklen mit einem nicht oxidierenden und insbesondere reduzierend wirkenden Spülgas wie beispielsweise Wasserstoff (H2) unterbrochen wird. Die Spülzyklen können durch Abpumpen der Reinigungskammer unterstützt werden, wobei dann vor dem nächsten Reinigungszyklus das Reinigungsgas in der Reinigungskammer nachge- füllt werden muss. Ebenso kann die Reinigung durch Abpumpen des Reinigungsgases unterbrochen werden. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel werden vier Reinigungszyklen angewendet, die von insgesamt drei Spülzyklen unterbrochen werden, wobei am Ende des letzten Reinigungszyklus ebenfalls eine Spülung stattfindet. Die Zahl der Reinigungs- und Spülzyklen kann jedoch auch deutlich höher liegen. Vorzugsweise werden drei bis zehn Spül zyklen durchgeführt.
Die Reinigungszyklen, in denen das Bauteil mit dem Reini- gungsgas beaufschlagt wird, dauern jeweils 10 bis 60 Minuten und insbesondere 45 Minuten, wobei die Reinigungszyklen gleich lang sein können. Ebenso können der erste und der vierte Reinigungszyklus etwas länger als die mittleren beiden Reinigungszyklen. Dies liegt jedoch daran, dass im ersten Zyklus die Temperatur erst in dem gewünschten Bereich erhöht werden muss und im letzten Zyklus die Temperatur wieder heruntergefahren werden muss. Vorzugsweise werden fünf Reinigungszyklen durchgeführt.
Im Anschluss an den letzten Zyklus der FIC-Reinigung wird eine Lösungsglühbehandlung durchgeführt, bei der sich Reaktionsprodukte wie beispielsweise γ' -Phasen, wie sie bei nickelbasierten Superlegierungen auftreten, auflösen.
Die Figur 7 zeigt einen beispielhaften Temperaturverlauf T und einen Druckverlauf p in einem Diagramm über die Zeit t . Ein zu reinigendes Bauteil 120, 130, 155 wird in die Reini- gungskammer eingeführt, und die Temperatur T wird auf den gewünschten Bereich hochgefahren. Dabei wird das Reaktivgas 7, hier ein HF/H2-Gemisch, in die Reinigungskammer 10 eingeleitet. In diesem Ausführungsbeispiel finden vier Reinigungszyk- len statt, die von drei Spülzyklen unterbrochen werden. In diesen Spülzyklen wird das Gasgemisch auch abgepumpt, so dass während der Spülzyklen der Druck innerhalb der Kammer deutlich absinkt. Zusätzlich wird ein reduzierend wirkendes Gas wie beispielsweise Wasserstoff in die Kammer eingeleitet.
Wie bereits einleitend ausgeführt ist das erfindungsgemäße Verfahren insbesondere geeignet, Gasturbinenbauteile zu reinigen, die aus Legierungen mit einem Chromanteil von wenigstens 10Gew% bestehen.
Die Figur 8 zeigt beispielhaft eine Gasturbine 100 in einem
Längsteilschnitt .
Die Gasturbine 100 weist im Inneren einen um eine Rotations- achse 102 drehgelagerten Rotor 103 mit einer Welle 101 auf, der auch als Turbinenläufer bezeichnet wird.
Entlang des Rotors 103 folgen aufeinander ein Ansauggehäuse 104, ein Verdichter 105, eine beispielsweise torusartige Brennkammer 110, insbesondere Ringbrennkammer, mit mehreren koaxial angeordneten Brennern 107, eine Turbine 108 und das Abgasgehäuse 109.
Die Ringbrennkammer 110 kommuniziert mit einem beispielsweise ringförmigen Heißgaskanal 111. Dort bilden beispielsweise vier hintereinander geschaltete Turbinenstufen 112 die Tur- bine 108.
Jede Turbinenstufe 112 ist beispielsweise aus zwei Schaufel - ringen gebildet. In Strömungsrichtung eines Arbeitsmediums 113 gesehen folgt im Heißgaskanal 111 einer Leitschaufelreihe 115 eine aus Laufschaufeln 120 gebildete Reihe 125.
Die Leitschaufeln 130 sind dabei an einem Innengehäuse 138 eines Stators 143 befestigt, wohingegen die Laufschaufeln 120 einer Reihe 125 beispielsweise mittels einer Turbinenscheibe 133 am Rotor 103 angebracht sind.
An dem Rotor 103 angekoppelt ist ein Generator oder eine Arbeitsmaschine (nicht dargestellt) .
Während des Betriebes der Gasturbine 100 wird vom Verdichter 105 durch das Ansauggehäuse 104 Luft 135 angesaugt und verdichtet. Die am turbinenseitigen Ende des Verdichters 105 bereitgestellte verdichtete Luft wird zu den Brennern 107 ge- führt und dort mit einem Brennmittel vermischt. Das Gemisch wird dann unter Bildung des Arbeitsmediums 113 in der Brennkammer 110 verbrannt. Von dort aus strömt das Arbeitsmedium 113 entlang des Heißgaskanals 111 vorbei an den Leitschaufeln 130 und den Laufschaufeln 120. An den Laufschaufeln 120 ent- spannt sich das Arbeitsmedium 113 impulsübertragend, so dass die Laufschaufeln 120 den Rotor 103 antreiben und dieser die an ihn angekoppelte Arbeitsmaschine.
Die dem heißen Arbeitsmedium 113 ausgesetzten Bauteile unter- liegen während des Betriebes der Gasturbine 100 thermischen Belastungen. Die Leitschaufeln 130 und Laufschaufeln 120 der in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums 113 gesehen ersten Turbinenstufe 112 werden neben den die Ringbrennkammer 110 auskleidenden Hitzeschildelementen am meisten thermisch be- lastet.
Um den dort herrschenden Temperaturen standzuhalten, können diese mittels eines Kühlmittels gekühlt werden. Ebenso können Substrate der Bauteile eine gerichtete Struktur aufweisen, d.h. sie sind einkristallin (SX-Struktur) oder weisen nur längsgerichtete Körner auf (DS -Struktur) .
Als Material für die Bauteile, insbesondere für die Turbinenschaufel 120, 130 und Bauteile der Brennkammer 110 werden beispielsweise eisen-, nickel- oder kobaltbasierte Superle- gierungen verwendet . Solche Superlegierungen sind beispielsweise aus der EP 1 204 776 Bl, EP 1 306 454, EP 1 319 729 Al, WO 99/67435 oder WO 00/44949 bekannt. Ebenso können die Schaufeln 120, 130 Beschichtungen gegen Korrosion (MCrAlX; M ist zumindest ein Element der Gruppe Eisen (Fe) , Kobalt (Co) , Nickel (Ni) , X ist ein Aktivelement und steht für Yttrium (Y) und/oder Silizium, Scandium (Sc) und/oder zumindest ein Element der Seltenen Erden bzw. Hafnium) . Solche Legierungen sind bekannt aus der EP 0 486 489 Bl, EP 0 786 017 Bl, EP 0 412 397 Bl oder EP 1 306 454 Al.
Auf der MCrAlX kann noch eine Wärmedämmschicht vorhanden sein, und besteht beispielsweise aus ZrO2, Y2O3-ZrO2, d.h. sie ist nicht, teilweise oder vollständig stabilisiert durch Yttriumoxid und/oder Kalziumoxid und/oder Magnesiumoxid. Durch geeignete Beschichtungsverfahren wie z.B. Elektronen- strahlverdampfen (EB-PVD) werden stängelförmige Körner in der Wärmedämmschicht erzeugt.
Die Leitschaufel 130 weist einen dem Innengehäuse 138 der Turbine 108 zugewandten Leitschaufelfuß (hier nicht dargestellt) und einen dem Leitschaufelfuß gegenüberliegenden Leitschaufelkopf auf. Der Leitschaufelkopf ist dem Rotor 103 zugewandt und an einem Befestigungsring 140 des Stators 143 festgelegt .
Die Figur 9 zeigt in perspektivischer Ansicht eine Laufschaufel 120 oder Leitschaufel 130 einer Strömungsmaschine, die sich entlang einer Längsachse 121 erstreckt.
Die Strömungsmaschine kann eine Gasturbine eines Flugzeugs oder eines Kraftwerks zur Elektrizitätserzeugung, eine Dampfturbine oder ein Kompressor sein.
Die Schaufel 120, 130 weist entlang der Längsachse 121 aufeinander folgend einen Befestigungsbereich 400, eine daran angrenzende Schaufelplattform 403 sowie ein Schaufelblatt 406 und eine Schaufelspitze 415 auf. Als Leitschaufel 130 kann die Schaufel 130 an ihrer Schaufelspitze 415 eine weitere Plattform aufweisen (nicht dargestellt) .
Im Befestigungsbereich 400 ist ein Schaufelfuß 183 gebildet, der zur Befestigung der Laufschaufeln 120, 130 an einer Welle oder einer Scheibe dient (nicht dargestellt) .
Der Schaufelfuß 183 ist beispielsweise als Hammerkopf ausgestaltet. Andere Ausgestaltungen als Tannenbaum- oder Schwal- benschwanzfuß sind möglich.
Die Schaufel 120, 130 weist für ein Medium, das an dem Schaufelblatt 406 vorbeiströmt, eine Anströmkante 409 und eine Abströmkante 412 auf.
Bei herkömmlichen Schaufeln 120, 130 werden in allen Bereichen 400, 403, 406 der Schaufel 120, 130 beispielsweise massive metallische Werkstoffe, insbesondere Superlegierungen verwendet . Solche Superlegierungen sind beispielsweise aus der EP 1 204 776 Bl, EP 1 306 454, EP 1 319 729 Al, WO 99/67435 oder WO 00/44949 bekannt.
Die Schaufel 120, 130 kann hierbei durch ein Gussverfahren, auch mittels gerichteter Erstarrung, durch ein Schmiedeverfahren, durch ein Fräsverfahren oder Kombinationen daraus ge- fertigt sein.
Werkstücke mit einkristalliner Struktur oder Strukturen werden als Bauteile für Maschinen eingesetzt, die im Betrieb hohen mechanischen, thermischen und/oder chemischen Belastun- gen ausgesetzt sind.
Die Fertigung von derartigen einkristallinen Werkstücken erfolgt z.B. durch gerichtetes Erstarren aus der Schmelze. Es handelt sich dabei um Gießverfahren, bei denen die flüssige metallische Legierung zur einkristallinen Struktur, d.h. zum einkristallinen Werkstück, oder gerichtet erstarrt.
Dabei werden dendritische Kristalle entlang dem Wärmefluss ausgerichtet und bilden entweder eine stängelkristalline Kornstruktur (kolumnar, d.h. Körner, die über die ganze Länge des Werkstückes verlaufen und hier, dem allgemeinen Sprachgebrauch nach, als gerichtet erstarrt bezeichnet werden) oder eine einkristalline Struktur, d.h. das ganze Werkstück besteht aus einem einzigen Kristall. In diesen Verfahren muss man den Übergang zur globulitischen (polykristallinen) Erstarrung meiden, da sich durch ungerichtetes Wachstum notwendigerweise transversale und longitudinale Korngrenzen ausbilden, welche die guten Eigenschaften des gerichtet erstarrten oder einkristallinen Bauteiles zunichte machen. Ist allgemein von gerichtet erstarrten Gefügen die Rede, so sind damit sowohl Einkristalle gemeint, die keine Korngrenzen oder höchstens Kleinwinkelkorngrenzen aufweisen, als auch Stängelkristallstrukturen, die wohl in longitudinaler Richtung verlaufende Korngrenzen, aber keine transversalen Korn- grenzen aufweisen. Bei diesen zweitgenannten kristallinen
Strukturen spricht man auch von gerichtet erstarrten Gefügen (directionally solidified structures) .
Solche Verfahren sind aus der US-PS 6,024,792 und der EP 0 892 090 Al bekannt.
Ebenso können die Schaufeln 120, 130 Beschichtungen gegen Korrosion oder Oxidation aufweisen, z. B. (MCrAlX; M ist zumindest ein Element der Gruppe Eisen (Fe) , Kobalt (Co) , Nickel (Ni) , X ist ein Aktivelement und steht für Yttrium (Y) und/oder Silizium und/oder zumindest ein Element der Seltenen Erden, bzw. Hafnium (Hf)) . Solche Legierungen sind bekannt aus der EP 0 486 489 Bl, EP 0 786 017 Bl, EP 0 412 397 Bl oder EP 1 306 454 Al. Die Dichte liegt vorzugsweise bei 95% der theoretischen Dichte.
Auf der MCrAlX-Schicht (als Zwischenschicht oder als äußerste Schicht) bildet sich eine schützende Aluminiumoxidschicht (TGO = thermal grown oxide layer) .
Vorzugsweise weist die SchichtZusammensetzung Co-30Ni-28Cr- 8Al-0,6Y-0,7Si oder Co-28Ni-24Cr-10Al-0 , 6Y auf. Neben diesen kobaltbasierten Schutzbeschichtungen werden auch vorzugsweise nickelbasierte Schutzschichten verwendet wie Ni-10Cr-12Al- 0,6Y-3Re oder Ni-12Co-21Cr-llAl-0 , 4Y-2Re oder Ni-25Co-17Cr- 10Al-0,4Y-l,5Re.
Auf der MCrAlX kann noch eine Wärmedämmschicht vorhanden sein, die vorzugsweise die äußerste Schicht ist, und besteht beispielsweise aus ZrO2, Y2O3-ZrO2, d.h. sie ist nicht, teilweise oder vollständig stabilisiert durch Yttriumoxid und/oder Kalziumoxid und/oder Magnesiumoxid. Die Wärmedämmschicht bedeckt die gesamte MCrAlX- Schicht . Durch geeignete Beschichtungsverfahren wie z.B. Elektronen- strahlverdampfen (EB-PVD) werden stängel förmige Körner in der Wärmedämmschicht erzeugt .
Andere Beschichtungsverfahren sind denkbar, z.B. atmosphärisches Plasmaspritzen (APS) , LPPS, VPS oder CVD. Die Wärme- dämmschicht kann poröse, mikro- oder makrorissbehaftete Körner zur besseren Thermoschockbeständigkeit aufweisen. Die Wärmedämmschicht ist also vorzugsweise poröser als die MCrAlX-Schicht .
Wiederaufarbeitung (Refurbishment) bedeutet, dass Bauteile
120, 130 nach ihrem Einsatz gegebenenfalls von Schutzschichten befreit werden müssen (z.B. durch Sandstrahlen) . Danach erfolgt eine Entfernung der Korrosions- und/oder Oxidations- schichten bzw. -produkte. Gegebenenfalls werden auch noch Risse im Bauteil 120, 130 repariert. Danach erfolgt eine Wie- derbeschichtung des Bauteils 120, 130 und ein erneuter Einsatz des Bauteils 120, 130.
Die Schaufel 120, 130 kann hohl oder massiv ausgeführt sein. Wenn die Schaufel 120, 130 gekühlt werden soll, ist sie hohl und weist ggf. noch Filmkühllöcher 418 (gestrichelt angedeutet) auf.
Die Figur 10 zeigt eine Brennkammer 110 einer Gasturbine.
Die Brennkammer 110 ist beispielsweise als so genannte Ringbrennkammer ausgestaltet, bei der eine Vielzahl von in Um- fangsrichtung um eine Rotationsachse 102 herum angeordneten Brennern 107 in einen gemeinsamen Brennkammerraum 154 münden, die Flammen 156 erzeugen. Dazu ist die Brennkammer 110 in ihrer Gesamtheit als ringförmige Struktur ausgestaltet, die um die Rotationsachse 102 herum positioniert ist.
Zur Erzielung eines vergleichsweise hohen Wirkungsgrades ist die Brennkammer 110 für eine vergleichsweise hohe Temperatur des Arbeitsmediums M von etwa 10000C bis 16000C ausgelegt. Um auch bei diesen, für die Materialien ungünstigen Betriebspa- rametern eine vergleichsweise lange Betriebsdauer zu ermöglichen, ist die Brennkammerwand 153 auf ihrer dem Arbeitsmedium M zugewandten Seite mit einer aus Hitzeschildelementen 155 gebildeten Innenauskleidung versehen. Jedes Hitzeschildelement 155 aus einer Legierung ist arbeits- mediumsseitig mit einer besonders hitzebeständigen Schutzschicht (MCrAlX- Schicht und/oder keramische Beschichtung) ausgestattet oder ist aus hochtemperaturbeständigem Material (massive keramische Steine) gefertigt. Diese Schutzschichten können ähnlich der Turbinenschaufeln sein, also bedeutet beispielsweise MCrAlX: M ist zumindest ein Element der Gruppe Eisen (Fe) , Kobalt (Co) , Nickel (Ni) , X ist ein Aktivelement und steht für Yttrium (Y) und/oder Silizium und/oder zumindest ein Element der Seltenen Erden, bzw. Hafnium (Hf) . Solche Legierungen sind bekannt aus der EP 0 486 489 Bl, EP 0 786 017 Bl, EP 0 412 397 Bl oder EP 1 306 454 Al.
Auf der MCrAlX kann noch eine beispielsweise keramische Wärmedämmschicht vorhanden sein und besteht beispielsweise aus ZrO2, Y2O3-ZrO2, d.h. sie ist nicht, teilweise oder vollständig stabilisiert durch Yttriumoxid und/oder Kalziumoxid und/oder Magnesiumoxid.
Durch geeignete Beschichtungsverfahren wie z.B. Elektronen- strahlverdampfen (EB-PVD) werden stängelförmige Körner in der Wärmedämmschicht erzeugt.
Andere Beschichtungsverfahren sind denkbar, z.B. atmosphärisches Plasmaspritzen (APS) , LPPS, VPS oder CVD. Die Wärme- dämmschicht kann poröse, mikro- oder makrorissbehaftete Körner zur besseren Thermoschockbeständigkeit aufweisen.
Wiederaufarbeitung (Refurbishment) bedeutet, dass Hitze- schildelemente 155 nach ihrem Einsatz gegebenenfalls von
Schutzschichten befreit werden müssen (z.B. durch Sandstrahlen) . Danach erfolgt eine Entfernung der Korrosions- und/oder Oxidationsschichten bzw. -produkte . Gegebenenfalls werden auch noch Risse in dem Hitzeschildelement 155 repariert. Danach erfolgt eine Wiederbeschichtung der Hitzeschildelemente 155 und ein erneuter Einsatz der Hitzeschildelemente 155.
Aufgrund der hohen Temperaturen im Inneren der Brennkammer 110 kann zudem für die Hitzeschildelemente 155 bzw. für deren Halteelemente ein Kühlsystem vorgesehen sein. Die Hitzeschildelemente 155 sind dann beispielsweise hohl und weisen ggf. noch in den Brennkammerraum 154 mündende Kühllöcher (nicht dargestellt) auf.

Claims

Patentansprüche
1. FIC-Anlage (1) , die Bauteile (4, 120, 130, 155) in einer Reaktionskammer (10) aufnehmen kann und mittels eines Reaktivgases oder eines Reaktivgasgemisches von Oxiden und/oder Korrosionsprodukten reinigt, die ein Mittel (13) aufweist, das (13) die Einstellung eines Drucks (p) des Reaktivgases oder des Reaktivgasgemisches in der Reaktionskammer (10) der FIC-Anlage (1) größer als Atmosphärendruck (pat) ermöglicht .
2. FIC-Anlage (1) nach Anspruch 1, die als Mittel (13) eine Pumpe aufweist, die das Reaktivgas oder das Reaktivgasgemisch in einen Überdruckbereich (>pat) in die Reaktionskammer (10) pumpen kann .
3. FIC-Anlage (1) nach Anspruch 1 oder 2, die als Mittel (13) Überdruckdichtungen an der Reaktions- kammer (10) aufweist.
4. FIC-Anlage (1) nach Anspruch 1, 2 oder 3, die im Inneren einen Druck (p) des Reaktivgases oder des Reaktivgasgemisches von größer als der Atmosphärendruck
insbesondere bis 14OkPa, ermöglicht .
5. FIC-Anlage (1) nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, die im Inneren ein Druck (p) des Reaktivgases oder des Reaktivgasgemisches von 1 , 4bar (=140kPa) ermöglicht.
6. FIC-Anlage nach Anspruch 1, 2, 3, 4 oder 5, die ein Ventil (13) aufweist, das (13) einen Behälter des Reaktivgasgemisches oder Reaktivgases von der Reaktionskammer (10) trennen kann.
7. Verfahren zur FIC-Reinigung eines Bauteils (4, 120, 130, 155) , bei dem der Druck (p) des Reaktivgases oder des Reaktivgasgemisches in einer Reaktionskammer (10) einer FIC-Anlage
(D, insbesondere nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche 1 bis 6, zumindest zeitweise größer als der Atmosphärendruck (pat) eingestellt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem der Druck (p) in der Reaktionskammer (10) zumindest zeitweise zwischen größer Atmosphärendruck (pat) und l,4bar
(= 14OkPa) beträgt, insbesondere 14OkPa beträgt.
9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8 , bei dem der Druck (p) in der Reaktionskammer (10) periodisch abgesenkt und wieder angehoben wird.
10. Verfahren nach Anspruch 7, 8 oder 9, bei dem der Druck (p) in der Reaktionskammer (10) zumindest zeitweise konstant ist, insbesondere bei dem die Haltezeit mindestens 4min bis 10min beträgt .
11. Verfahren nach Anspruch 7, 8, 9 oder 10, bei dem der Druck (p) in der Reaktionskammer (10) zumindest zeitweise unterhalb des Atmosphärendrucks (pat) liegt, insbesondere für 5min bis 10min.
12. Verfahren nach Anspruch 7, 8, 9 oder 10, bei dem der Druck (p) in der Reaktionskammer (10) zumindest zeitweise dem Atmosphärendruck (pat) entspricht, insbesondere größer ist als der Atmosphärendruck (pat) / insbesondere für mindestens für 25min bis 65min.
13. Verfahren nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche 7 bis 12, bei dem eine Hochdruckphase (PH) für eine Zeitdauer (th) einen höheren Druck aufweist als in einer Niedrigdruckphase (PN) (PH > PN) , und bei dem höchstens zeitweise (ts, ts < th) während der Hoch- druckphase (PH) die Reaktionskammer (10) mit dem Reaktivgas oder mit dem Reaktivgasgemisch gespült wird, was eine Rissreinigungsphase (S4) darstellt.
14. Verfahren nach einem oder mehreren der vorherigen
Ansprüche 7 bis 12, bei dem eine Hochdruckphase (PH) für eine Zeitdauer (th) einen höheren Druck aufweist als in einer Niedrigdruckphase (PN) (PH > PN) , und bei dem während der Hochdruckphase (PH) für die Zeitdauer
(th) die Reaktionskammer (10) mit dem Reaktivgas oder mit dem Reaktivgasgemisch gespült wird, was eine Rissreinigungsphase (S4) darstellt.
15. Verfahren nach Anspruch 7, 8, 9, 10, 11, 12 oder 13, bei dem in der Hochdruckphase (PH) für die Zeitdauer (th - ts> 0) nur mit einem Nichtreaktivgas gespült wird, was eine Rissspülphase (S5) darstellt.
16. Verfahren nach Anspruch 1, 13 oder 15, bei dem die Flussrate des Nichtreaktivgases verändert wird, insbesondere während der Hochdruckphase (PH) und insbesondere zwischen zwei Werten verändert wird, insbesondere erniedrigt wird, wenn die Flussrate des Reaktivgasgemisches oder des Reaktivgases > 0 ist.
17. Verfahren nach Anspruch 7, 9, 10, 11 oder 16, bei dem der Druck unter Atmosphärendruck (pat) auf (PN) gesenkt wird, und bei dem nur mit einem Nichtreaktivgas gespült wird, was eine Kammerspülphase (S3) darstellt.
18. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem die Rissreinigungsphase (S4) bestimmt ist durch das Vorhandensein des Reaktivgases oder des Reaktivgasgemisches, insbesondere mit einem bestimmten Druck (PH) , bei dem die Kammerspülphase (S3) bestimmt ist durch die Abwesenheit des Reaktivgases oder des Reaktivgasgemisches und einen Druck (PN) , niedriger (PN < PH) als während der Kammerspülphase (S3) , und bei dem das Reaktivgas oder das Reaktivgasgemisch mehrmals angewendet wird, die (S4, S5) von der Kammerspülphase (S3) unterbrochen werden, wobei die Risse in den Rissspülphasen (S5) mit einem Nicht- reaktivgas beaufschlagt werden.
19. Verfahren nach Anspruch 18, bei dem die Phasen (S4, S5, S3) als ein Zyklus unmittelbar aufeinander folgen.
20. Verfahren nach Anspruch 18 oder 19, bei dem drei bis zehn Zyklen, insbesondere fünf, durchgeführt werden.
21. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 20, bei dem eine Rissreinigungsphase (S4) 10min bis 60min, insbesondere 45min, dauert.
22. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 21, bei dem die Rissreinigungsphasen (S4) gleich lang sind.
23. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 22, bei dem die Kammerspülphase (S3) 2min bis 10min, insbesondere 5min, dauert.
24. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 23, bei dem der letzten Reinigungsphase eine Rissspülphase (S5) folgt.
25. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 23, bei dem die Reinigungskammer (10) während der verschiedenen Phasen (S3, S4 , S5) abgepumpt wird.
26. Verfahren nach einem der Ansprüche 15, 17 oder 18, bei dem als Nichtreaktivgas ein reduzierend wirkendes Gas, insbesondere Wasserstoff, verwendet wird.
27. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem das Bauteil (4, 120, 130, 155) nach der Reinigungsbehandlung in der Reaktionskammer (10) im Vakuum geglüht wird.
28. Verfahren nach einem oder mehreren der vorherigen
Ansprüche , bei dem eine Temperatur (T) in der Reaktionskammer (10) außer beim Erhitzen am Anfang des Verfahrens und Abkühlen am Ende des Verfahrens konstant gehalten wird.
29. Verfahren nach einem oder mehreren der vorherigen
Ansprüche, bei dem die Reaktionskammer (10) ständig mit einem Spülgas, einem Nichtreaktivgas, insbesondere Wasserstoff (H2) , gespült wird.
30. Verfahren nach einem oder mehreren der vorherigen
Ansprüche, bei dem die Reaktionskammer (10) ständig abgepumpt wird.
31. Verfahren nach einem oder mehreren der vorherigen
Ansprüche , bei dem ein Reaktivgasgemisch verwendet wird, das von 18vol% bis 30vol% eines Halogenwasserstoffs enthält
32. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Risse des Bauteils bei einer Temperatur von 9800C bis 11000C, insbesondere bei 10200C, mit dem Reaktivgasgemisch oder Reaktivgas beaufschlagt werden .
33. Verfahren nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, bei dem Temperaturen über 10000C verwendet werden.
34. Verfahren nach Anspruch 27, bei dem die Glühung bei der γ' -Lösungsglühtemperatur des für das Bauteil (4, 120, 130, 155) verwendeten Werkstoffs erfolgt .
35. Verfahren nach einem der Ansprüche 27 oder 34, bei dem die Glühung auf Glühtemperatur mindestens zwei Stunden dauert .
36. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem der Behandlung des Bauteils (4, 120, 130, 155) in der Reaktivgaskammer (10) eine Vorreinigung des Bauteils (4, 120, 130, 155) in einem Salzbad vorausgeht.
37. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem Bauteile (4, 120, 130, 155) aus chromhaltigen
Legierungen, die insbesondere einen Chromgehalt von wenigstens 10 Gew% aufweisen, gereinigt werden.
38. Verfahren nach Anspruch 37, bei dem Bauteile (4, 120, 130, 155) aus gerichtet erstarrten Gusslegierungen, insbesondere Superlegierungen, gereinigt werden.
39. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem während der Hochdruckphase (PH) für die Zeitdauer (th-ts) am Ende der Kochdruckphase nach Anwendung des Reaktivgasgemisches ein reduzierendes Gas verwendet wird.
40. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem während der ganzen Hochdruckphase (PH) ein Reaktivgas oder ein Reaktivgasgemisch verwendet wird.
41. Verfahren nach Anspruch 31, bei dem der Halogenwasserstoff in Form von Fluorwasserstoff (HF) vorliegt.
42. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem das Reaktivgas ein Gemisch aus dem Halogenwasserstoff und einem reduzierend wirkenden Gas oder Nichtreak- tivgas, insbesondere Wasserstoff, aufweist, insbesondere daraus besteht.
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