Teilprojekt B1 Endkonturnahe Turbinenschaufelreparatur

Das Teilprojekt B1 entwickelt und erforscht eine endkonturnahe füge- und beschichtungstechnische Hybridtechnologie, mit der es möglich ist, die dem aktuellen Stand der Technik entsprechende Prozesskette zum Reparaturlöten von Turbinenschaufeln wesentlich zu verkürzen. Die in diesem Teilprojekt entwickelte Hybridtechnologie bezieht sich auf Turbinenschaufeln der Hochdruckturbine, sodass der Fokus von der werkstoffwissenschaftlichen Seite auf Nickelbasislegierungen liegt. Die Verkürzung der Prozesskette wird bewerkstelligt, indem das zur Reparatur benötigte Nickelbasislot zusammen mit der Heißgaskorrosionsschutzschicht (z.B. NiCoCrAlY-Legierungen) durch thermisches Spritzen (TS) auf das zu reparierende Substrat (Bauteil) appliziert wird.

MOTIVATION UND ZIELSETZUNG

Prozesskette zum Reparaturlöten von Turbinenschaufeln

Die Reparatur von Komponenten in der Luftfahrtindustrie und Kraftwerkstechnik spielt angesichts steigender Rohmaterialien- und Herstellungskosten eine immer stärker werdende Rolle. Bei der Reparatur von Turbinenschaufeln hat sich, neben dem Schweißen, das Hochtemperaturlöten im Vakuum etabliert, was mit mehreren, z.T. aufwendigen Verfahrensschritten verbunden ist. Die verschlissene Turbinenschaufel wird bis auf den Grundwerkstoff entschichtet. Es erfolgt der manuelle Auftrag des Lotes in Form von Pasten, Meltspinfolien oder Tapes, wobei es sich ebenfalls um Nickelbasislegierungen handelt. Nach dem Löten im Hochvakuum wird überschüssiges Lot durch Schleifen oder Fräsen entfernt. Anschließend wird die Heißgaskorrosionsschutzschicht (z.B. NiCoCrAlY) durch thermisches Spritzen appliziert. Anschließend wird die Turbinenschaufel einem Alitierprozess unterzogen. Es bildet sich NiAl (β-Phase), welches die Heißgaskorrosionsschutzbeständigkeit weiter erhöht. Der Alitierprozess wird in der Regel in einer Pulverpackung oder in einem speziellen Alitierofen mit entsprechend reaktiver Atmosphäre durchgeführt. Stand der Technik ist, dass eine Turbinenschaufel ca. 3 – 4 Reparaturzyklen unterzogen werden kann.

In diesem Teilprojekt wird mittels thermischen Spritzens eine Reparaturbeschichtung auf die Turbinenschaufel appliziert und anschließend ein kombinierter Löt-, Alitierprozess durchgeführt. Hierdurch wird die dem Stand der Technik entsprechende Reparaturlötprozesskette wesentlich verkürzt, wodurch sich mechanisch-technologische Verbesserungen (z.B. Erhöhung der Reparaturzyklenzahl auf 6 – 7, verbesserte Schichthaftung) und gleichzeitig wirtschaftliche Vorteile regenerierter Turbinenschaufeln ergeben.  

Beschichtung einer Turbinenschaufel mittels atmosphärischen Plasmaspritzens (APS)

ERGEBNISSE

Es konnte in den ersten beiden Förderperioden die Machbarkeit dieser Hybridtechnologie erfolgreich gezeigt werden. Hierzu wurden Inconel 718 Flachproben mit einem Nickelbasislot (Ni650 = NiCrSi) und der Heißgaskorrosionsschutzschicht (MCrAlY, mit M = Ni und/oder Kobalt), welches die Reparaturschicht darstellt, durch thermisches Spritzen beschichtet und einer gemeinsamen Wärmebehandlung in einer Alitier-Pulverpackung (Löt-, Alitierprozess) unterzogen. Abhängig vom Temperatur-Zeit-Profil bilden sich Poren bzw. Hohlräume im Lot, was auf die Infiltration des schmelzflüssigen Lotes in die Heißgaskorrosionsschutzschicht sowie Diffusions- und Seigerungseffekte zurückzuführen ist. Durch eine erweiterte Wärmebehandlung konnte ein homogenes Gefüge der Reparaturschicht eingestellt werden. Um Diffusionsvorgänge der vorhandenen Legierungselemente in dieser Reparaturschicht beschreiben zu können, wurde das Aluminium ebenfalls durch thermisches Spritzen appliziert, was eine neue Vorgehensweise darstellt. Ausgehend vom Grundwerkstoff ergibt sich folgendes Schichtsystem: Ni650/NiCoCrAlY/Aluminium, welches einer gemeinsamen Wärmebehandlung unterzogen wird (Löten/Alitieren). Dabei wurden die beschichteten Inconel 718-Proben auf unterschiedliche Haltetemperaturen (500 °C, 660 °C, 900 °C, 1100 °C, 1190 °C) erwärmt. Die lokale Zusammensetzung wurde mittels EDX-Analyse bestimmt. Aus dem Verhältnis der Masseanteile von Aluminium zu Nickel und Aluminium zu Kobalt kann auf mögliche Phasen-, bzw. Verbindungsbildungen geschlossen werden. Entsprechend der Phasendiagramme Ni-Al und Co-Al sind dies die Phasen NiAl (β-Phase), Ni3Al (ϒ'– Phase), Ni3Al + Ni, NiAl + Ni sowie die aluminiumreichen Phasen Al9Co2 und Al3Co. Zusätzlich wurden die Elementverteilungen der Legierungselemente der Reparaturschicht bestimmt. Es konnte somit gezeigt werden, dass die Alitierung mittels thermisch gespritzter Aluminiumschicht durchgeführt werden kann, indem ausgehend vom Grundmaterial das Schichtsystem Lot/MCrAlY/Aluminium appliziert und einer Wärmebehandlung unterzogen wird. Der erfolgreiche Nachweis der Machbarkeit eröffnet die Möglichkeit, in diese Hybridtechnologie die Applikation der keramischen Wärmedämmschicht (WDS) zu integrieren, da die Heißgaskorrosionsschutzschicht (MCrAlY) auch als Haftvermittlerschicht zu Keramiken hin fungiert.

Gefüge- und Elementverteilung in der Reparaturschicht

AKTUELLE ARBEITEN UND AUSBLICK

In der dritten Förderperiode wird der in den ersten beiden Förderperioden entwickelte Hybridprozess mit den daraus gewonnenen Erkenntnissen im Hinblick auf die Regenerationsabfolge innerhalb und zwischen den Prozesszellen des Sonderforschungsbereichs gezielt weiterentwickelt. Aus dem Erkenntnisgewinn der zweiten Förderperiode wird hinsichtlich der Funktionalität des gesamten Triebwerks der vollständige Reparaturlötprozess (Beschichten und Löten/Alitieren) bezüglich der Reproduzierbarkeit und die sich daraus ergebende Prozesssicherheit untersucht. Mittels statistischer Versuchsplanung wird die Sensitivität der Prozessparameter (Beschichtungs- und Löt/Alitierparameter) auf die Schichtmorphologie nach dem Löt-/Alitierprozess mittels instrumenteller Analytik (EDX und Röntgenmikrospie) untersucht. Aus den gewonnenen Erkenntnissen kann eine Aussage über die Prozesssicherheit getroffen werden. Zum einen werden diese Ergebnisse weiterhin genutzt, um den Löt-/Alitierprozess auf weitere luftfahrtrelevante Werkstoffe, wie der einkristallinen CMSX-4 Legierung zu erweitern, wobei angestrebt wird, eine gerichtet erstarrte Lötverbindung herzustellen. Zum anderen ergibt sich aus den gewonnenen Ergebnissen, dass der bisher diskontinuierlich durchgeführte Löt-/Alitierprozess im Vakuumofen in einen kontinuierlichen Prozess mittels Schutzgasdurchlaufofen überführt werden kann, wobei die Wärmedämmschicht (WDS) in diesen Hybridprozess integriert wird. Hierdurch ergeben sich Prozesskettenverkürzungen, die wesentlich für den Auswahlprozess bezüglich der Regenerationsabfolge innerhalb des SFB sind. Die entwickelte Hybridtechnologie kann ebenso auf stationäre Gasturbinen im Kraftwerksbau, Wälzlager aus Windenergieanlagen, Walzen und Zylinder aus Druckmaschinen sowie Zylinderlaufbuchsen und Getriebekomponente aus Dieselmotoren übertragen werden.

Integration der Wärmedämmschicht (WDS) in den Hybridprozess bei kontinuierlicher Prozessfüh-rung (Schutzgasdurchlaufofen)

VERÖFFENTLICHUNGEN

  • Nicolaus, M.; Möhwald, K.; Maier, H. J. (2017) A Combined Brazing and Aluminizing Process for Repairing Turbine Blades by Thermal Spraying Using the Coating System NiCrSi/NiCoCrAlY/AlJ Therm Spray Tech 9 (1), S. 13
    DOI: 10.1007/s11666-017-0612-z
  • Nicolaus, M.; Rottwinkel, B.; Alfred, I.; Möhwald, K.; Nölke, C.; Kaierle, S.; Maier, H.J.; Wesling, V. (2017) Future regeneration processes for high-pressure turbine bladesCEAS Aeronautical Journal 2017 (online)
    DOI: 10.1007/s13272-017-0277-9
  • Nicolaus, M.; Möhwald, K.; Maier, H. J. (2015) Combined brazing and alitising process for thermally sprayed Ni-based alloys for the repair of turbine bladesThermal Spray Bulletin 2015 (8) (2), S. 56–61
  • Nicolaus, M.; Möhwald, K.; Bach, F.-W.; Maier, H. J. (2013) Heat treatment of thermal sprayed Ni-base-fillermetal-NiCrAlY-coating systems for repairing turbine bladesThermal Spray Bulletin 2013 (6) (2), S. 119–123
Alle Veröffentlichungen des Sonderforschungsbereiches

TEILPROJEKTLEITER

apl. Prof. Dr.-Ing. habil. Kai Möhwald
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Stockumer Str. 28
58453 Witten
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Prof. Dr.-Ing. Hans Jürgen Maier

MITARBEITER

Dr. rer. nat. Martin Nicolaus
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58453 Witten
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