EP3057735A1 - Verfahren zum schutz eines bauteils, verfahren zum laserbohren und bauteil - Google Patents

Verfahren zum schutz eines bauteils, verfahren zum laserbohren und bauteil

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EP3057735A1
EP3057735A1 EP14815267.1A EP14815267A EP3057735A1 EP 3057735 A1 EP3057735 A1 EP 3057735A1 EP 14815267 A EP14815267 A EP 14815267A EP 3057735 A1 EP3057735 A1 EP 3057735A1
Authority
EP
European Patent Office
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component
cavity
mixture
laser drilling
protecting
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP14815267.1A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Christopher Degel
Diana Felkel
Andrea Massa
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
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Filing date
Publication date
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • 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 method for laser drilling, a corresponding protective method and a component in which a filling material is introduced into the hollow component.
  • High-temperature components such as turbine blades
  • 1 shows schematically a laser drilling device with a
  • FIG. 2 shows a turbine blade
  • Figure 3 is a list of superalloys.
  • FIG. 1 only as an exemplary hollow component 1, a detail of a turbine blade 120, 130 (FIG. 2) made of a nickel- or cobalt-based alloy, preferably according to FIG. 3, having a cavity 10 is shown.
  • a mixture 13 is introduced into the cavity 10 at least in the region of the through-hole 19 to be produced.
  • the mixture 13 has at least one water-based
  • Polysaccharides more particularly heteropolysaccharides, can preferably be added to the mixture 13.
  • the mixture 13 may preferably be added to a salt, in particular pyruvate. Further preferably, a sulfate can be added to the mixture 13.
  • the mixture 13 is then heated before processing in the component 1, 120, 130, preferably at 373K to 383K, in particular for 10min - 120min, most especially for 90min.
  • the mixture 13 can be easily removed from the blade 120, 130. Possibly. a much shorter burnout in the burnout is still necessary.
  • the mixture 13 acts as a protection, so that in a laser process both the percussion and the trepanier method can be used in order to produce a high-quality bore 19 and to avoid "recast".
  • the mixture 13 can be easily removed. This can be assisted by shaking and / or shaking.
  • One application also consists in reopening holes in a component 1, 120, 130 when the component 1, 120, 130 is coated with through-holes already drilled and the cavity 10 is also protected.
  • the described invention realizes significant savings in the laser drilling process time and in the process preparation and post-processing.
  • the quality of the holes increases, since both percussion and trepanier methods can be used.
  • FIG. 2 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, a fastening area 400, an adjacent blade platform 403 and an airfoil 406 and a blade tip 415.
  • the blade 130 may have another platform at its blade tip 415 (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 Christmas tree or Schwalbenschwanzfuß are possible.
  • the blade 120, 130 has a leading edge 409 and a trailing edge 412 for a medium flowing past the airfoil 406.
  • 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 blade 120, 130 can be made 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, i.e., grains that run the full length of the workpiece and here, in common usage, are referred to as directionally solidified) or a monocrystalline structure, i. the whole workpiece consists of a single crystal.
  • a columnar grain structure columnar, i.e., grains that run the full length of the workpiece and here, in common usage, are referred to as directionally solidified
  • a monocrystalline structure i. the whole workpiece consists of a single crystal.
  • directionally solidified microstructures which means both single crystals that have no grain boundaries or at most small angle grain boundaries, and stem crystal structures that have probably longitudinal grain boundaries but no transverse grain boundaries. These second-mentioned crystalline structures are also known as directionally solidified structures.
  • the blades 120, 130 may have coatings against corrosion or oxidation, e.g. B. (MCrAlX; M is at least one element of the group iron (Fe), cobalt (Co),
  • Nickel (Ni) 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 B1, EP 0 412 397 B1 or EP 1 306 454 A1.
  • the density is preferably 95% of the theoretical
  • the layer composition comprises Co-30Ni-28Cr-8A1-0, 6Y-0, 7Si or Co-28Ni-24Cr-10Al-0, 6Y.
  • nickel-based protective layers such as Ni-IOCr-12A1-0.6Y-3Re or Ni-12Co-21Cr-IIAl-O, 4Y-2Re or Ni-25Co-17Cr-10A1-0,4Y-1 are also preferably used , 5Re.
  • thermal barrier coating which is preferably the outermost layer, and consists for example of Zr0 2 , Y 2 0 3 -Zr0 2 , that is, it is not, partially or completely stabilized by yttria
  • the thermal barrier coating covers the entire MCrAlX layer.
  • Electron beam evaporation produces stalk-shaped grains in the thermal barrier coating.
  • thermal barrier coating may have porous, micro- or macro-cracked grains for better thermal shock resistance.
  • the thermal barrier coating is therefore preferably more porous than the
  • Refurbishment means that components 120, 130 may have to be freed of protective layers after use (eg by sandblasting). This is followed by removal of the corrosion and / or oxidation layers or products. Optionally, even cracks in the component 120, 130 are repaired. Thereafter, a the coating of the component 120, 130 and a renewed use of the component 120, 130.
  • 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.

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Abstract

Durch die Verwendung einer wasserbasierenden aminosäurehaltigen Liquidmischung können die Hohlräume eines hohlen Bauteils (1) sehr leicht und sehr schnell befüllt werden und stellen trotzdem ein ausreichenden Schutz der inneren Struktur (22) dar. Darüber hinaus kann das Füllmaterial nach dem Laserbohren wieder sehr leicht entfernt werden.

Description

Verfahren zum Schutz eines Bauteils, Verfahren zum
Laserbohren und Bauteil
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laserbohren, ein entsprechendes Schutzverfahren und ein Bauteil, bei dem ein Füllmaterial in das hohle Bauteil eingebracht wird.
Hochtemperaturbauteile wie Turbinenschaufeln werden im Inne- ren gekühlt, wobei zusätzlich durch Filmkühllöcher Luft oder Heißdampf austritt, um die Oberfläche zusätzlich zu schützen.
Daher müssen in das hohlgegossene Bauteil Durchgangsbohrungen eingebracht werden. Dabei dürfen jedoch die inneren Struktu- ren beim Bohren nicht oder nicht so stark beschädigt werden, wenn der Laserstrahl beim Durchbruch in das Innere des hohlen Bauteils trifft.
Oft wird ein bei Raumtemperatur hartes Material erwärmt, fluidifiziert und unter Druck in den Hohlraum eingeführt.
Dann erfolgt das Laserstrahlen, wobei dann durch einen aufwändigen und langen Ausbrennprozess das Material wieder entfernt werden muss. Es ist daher Aufgabe der Erfindung oben genanntes Problem zu lösen .
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren gemäß Ansprüchen 1, 8 und ein Bauteil gemäß Anspruch 9.
In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Maßnahmen aufgelistet, die beliebig miteinander kombiniert werden können, um weitere Vorteile zu erzielen. Es zeigen:
Figur 1 schematisch eine Laserbohrvorrichtung mit einem
Bauteil ,
Figur 2 eine Turbinenschaufel,
Figur 3 eine Liste von Superlegierungen .
Die Figuren und die Beschreibung stellen nur Ausführungsbeispiele der Erfindung dar.
In Figur 1 ist nur als ein beispielhaftes hohles Bauteil 1 ein Ausschnitt einer Turbinenschaufel 120, 130 (Fig. 2) aus einer nickel- oder kobaltbasierten Legierung, vorzugsweise gemäß Fig. 3, gezeigt, die einen Hohlraum 10 aufweist.
Durch eine Wand 16 des Hohlraums 10 des Bauteils 1, 120, 130 soll im Bereich 19 insbesondere ein Durchgangsloch 19 (im Folgenden nur beispielhaft erläutert) - gestrichelt angedeutet - erzeugt werden.
Dies erfolgt vorzugsweise durch einen Laser 4 (oder Elektronenkanone) , dessen Strahlen ausgehend von der Oberfläche 7 Material der Wand 16 abtragen. Beim Durchbruch in den Hohlraum 10 des hohlen Bauteils 1, 120, 130 könnte die innere Struktur 22 im Hohlraum 10 geschädigt werden.
Um das zu verhindern wird ein Gemisch 13 in den Hohlraum 10 zumindest im Bereich des herzustellenden Durchgangslochs 19 eingebracht . Das Gemisch 13 weist zumindest eine wasserbasierende
aminosäurehaltige Liquidmischung auf.
Dem Gemisch 13 kann vorzugsweise Polysaccharide, ganz insbesondere Heteropolysaccharide hinzugeführt werden.
Dem Gemisch 13 kann vorzugsweise ein Salz, ganz insbesondere Pyruvat hinzugefügt werden. Weiterhin vorzugsweise kann dem Gemisch 13 ein Sulfat hinzugefügt werden.
Das Gemisch 13 wird dann vor der Bearbeitung im Bauteil 1, 120, 130 vorzugsweise bei 373K bis 383K erhitzt, insbesondere für 10min - 120min, ganz insbesondere für 90min.
Nach der Bearbeitung, insbesondere dem Laserbohren, kann das Gemisch 13 einfach aus der Schaufel 120, 130 entfernt werden. Ggf. ist ein deutlich kürzeres Ausbrennen im Ausbrennofen noch notwendig.
Das Gemisch 13 wirkt als Schutz, so dass bei einem Laserverfahren sowohl das Perkussier- als das Trepanier-Verfahren an- gewendet werden kann, um eine qualitativ hochwertige Bohrung 19 zu erzeugen und um „Recast" zu vermeiden.
Nach dem Herstellen der Löcher 19 kann man das Gemisch 13 einfach entfernen. Dies kann durch Schütteln und/oder Rütteln unterstützt werden.
So werden auch mäanderförmige Hohlräume 10 leicht zugänglich.
Ein Anwendungsfall besteht auch im Wiederöffnen von Löchern in einem Bauteil 1, 120, 130, wenn das Bauteil 1, 120, 130 mit bereits gebohrten Durchgangslöchern beschichtet wird und der Hohlraum 10 ebenfalls geschützt wird.
Durch die beschriebene Erfindung werden deutliche Einsparun- gen bei der Laserbohrprozesszeit und bei der Prozessvorbereitung und Nachbereitung realisiert. Zudem steigt die Qualität der Bohrungen, da sowohl Perkussier- als auch Trepanier-Verfahren eingesetzt werden können.
Der Vorteil dabei ist, dass der Innenraum durch Befüllen mit dem Gemisch vollständig befüllt und somit besser geschützt werden kann. Die Figur 2 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 auf- einander 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 darge- stellt) .
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 Schwalbenschwanzfuß sind möglich.
Die Schaufel 120, 130 weist für ein Medium, das an dem Schaufelblatt 406 vorbeiströmt, eine Anströmkante 409 und eine Ab- strömkante 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 AI, 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 gefertigt sein. Werkstücke mit einkristalliner Struktur oder Strukturen werden als Bauteile für Maschinen eingesetzt, die im Betrieb hohen mechanischen, thermischen und/oder chemischen Belastungen 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 ausbil - den, welche die guten Eigenschaften des gerichtet erstarrten oder einkristallinen Bauteiles zunichtemachen.
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 Korngrenzen 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 AI bekannt.
Ebenso können die Schaufeln 120, 130 Beschichtungen gegen Korrosion oder Oxidation aufweisen, z. B. (MCrAlX; M ist zu- mindest 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 AI.
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- 8A1-0, 6Y-0, 7Si oder Co-28Ni-24Cr-10Al-0 , 6Y auf. Neben diesen kobaltbasierten Schutzbeschichtungen werden auch vorzugsweise nickelbasierte Schutzschichten verwendet wie Ni - lOCr- 12A1 - 0,6Y-3Re oder Ni-12Co-21Cr-llAl-0 , 4Y-2Re oder Ni-25Co-17Cr- 10A1-0,4Y-1, 5Re.
Auf der MCrAlX kann noch eine Wärmedämmschicht vorhanden sein, die vorzugsweise die äußerste Schicht ist, und besteht beispielsweise aus Zr02, Y203-Zr02, 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 stängelförmige Körner in der Wärmedämmschicht erzeugt .
Andere Beschichtungsverfahren sind denkbar, z.B. atmosphärisches Plasmaspritzen (APS) , LPPS, VPS oder CVD . Die Wärmedämmschicht 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.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Schutz eines Bauteils (1, 120, 130) beim Laserbearbeiten oder Schmelzphasen entstehenden Bearbeitung,
insbesondere beim Laserbohren,
des Bauteils (1, 120, 130) mit einem Hohlraum (10), insbesondere bei dem ein Durchgangsloch (19) durch eine Wand (16) des Hohlraums (10) des Bauteils (1, 120, 130) eingebracht wird,
bei dem der Hohlraum (10) zumindest in dem Bereich des zu bearbeitenden Bereichs (19) befüllt ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
als Füllung ein Gemisch (13) einer wasserbasierenden aminosäurehaltigen Liquidmischung in den Hohlraum (10) eingebracht wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
bei dem Polysaccharide,
insbesondere Heteropolysaccharide ,
dem Gemisch (13) hinzugefügt werden,
und eingebracht werden.
3. Verfahren nach einem oder beiden der Ansprüche 1 oder 2, bei dem ein Salz,
insbesondere Pyruvat,
dem Gemisch (13) hinzugefügt wird,
und eingebracht wird.
4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3,
bei dem ein Sulfat dem Gemisch (13) hinzugefügt wird, und eingebracht wird. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis
4,
bei dem der gesamte Hohlraum (10) mit dem Gemisch (13) befüllt wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis
5,
bei dem das Gemisch (13) vor der Bearbeitung bei 373K bis
383K erhitzt wird,
insbesondere für 10min - 120min,
ganz insbesondere für 90min.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche,
bei dem ein sehr kurzer Ausbrennprozess nach dem Einbringen der Durchgangslöcher (19) zur Entfernung des Materials aus dem Hohlraum (10) erfolgt.
Verfahren zum Laserbohren eines Bauteils (1, 120, 130), bei dem ein Durchgangsloch (19) durch eine Wand (16) des Hohlraums (10) des Bauteils (1, 120, 130) eingebracht wird, und ein Verfahren zum Schützen des Hohlraums (10) nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7 verwendet wird.
Hohles Bauteil (1, 120, 130) mit Gemisch (13) nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2, 3, 4, 5 oder 6,
im Hohlraum (10) .
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