DE19957771A1 - Reparaturverfahren für Labyrinth-Dichtungsstege an Turbinenscheiben - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Reparaturverfahren für Labyrinth-Dichtungsstege an Turbinenscheiben durch Auftragen einer geeigneten Metalllegierungs-Schmelze auf die wieder aufzubauenden Dichtungsstege, deren ursprüngliches Material gleich dem kaum oder nicht schweißbaren Turbinenscheiben-Werkstoff, insbesondere Udimet 720, oder eine ähnliche hochwarmfeste Nickel-Basislegierung ist. Erfindungsgemäß wird die zunächst in Pulverform vorliegende Metalllegierung durch einen auf den Dichtungssteg gerichteten Laserstrahl geschmolzen und aufgetragen. Dabei kann das sog. Laser-Auftragsschweißen unter Schutzgasatmosphäre erfolgen. Bevorzugt werden nacheinander mehrere filigrane Auftragsraupen mit einer jeweiligen Dicke im Bereich von 0,1 mm bis 0,3 mm erzeugt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Reparaturverfahren für Labyrinth-Dichtungsstege an Turbinenscheiben durch Auftragen einer geeigneten Metallegierungs- Schmelze auf die wieder aufzubauenden Dichtungsstege, deren ursprüngli­ ches Material gleich dem mit konventionellen Schweißverfahren nur einge­ schränkt oder nicht schweißbaren Turbinenscheiben-Werkstoff, insbesonde­ re Udimet 720, oder eine ähnliche hochwarmfeste Nickel-Basislegierung ist. Zum technischen Umfeld wird auf die US 4,657,171 verwiesen; ferner sei an dieser Stelle ausdrücklich darauf hingewiesen, daß das im weiteren be­ schriebene erfindungsgemäße Reparaturverfahren ebenso anwendbar ist, wenn die Turbinenscheibe aus einem konventionell schweißbaren Werkstoff besteht.

Turbinenscheiben sind die teuersten Einzelteile eines Triebwerkes, bspw. eines Flug-Gasturbinen-Triebwerkes. Aus diesem Grunde werden Scheiben­ bereiche, die dem Verschleiß unterworfen sind, üblicherweise repariert, d. h. wieder regeneriert. Insbesondere gilt dies für die Dichtlippen oder sog. Dichtungsstege der Labyrinthdichtungen, die im Betrieb des Triebwerks mit den bspw. keramischen Dichtflächen des Turbinen-Stators zusammen­ wirken. Verschlissene, d. h. über einer längeren Betriebsdauer abgetragene Dichtungsstege können dann durch geeigneten Materialauftrag wieder auf­ gebaut werden.

Bei relativ einfachen Turbinenscheiben, die aus konventionellen Metallle­ gierungen, wie bspw. Waspaloy, A286 oder IN718 gefertigt sind, erfolgt die­ ser Materialauftrag durch Auftragsschweißen, bspw. mit WIG (Wolfram Inert Gas) oder durch Plasma-Pulver-Auftragschweißen. Gesteigerte Anforderun­ gen moderner Triebwerke erfordern zunehmend den Einsatz extrem warm­ fester Werkstoffe wie bspw. UDIMET 720Li oder einer anderen hochwarm­ festen Nickel-Basisliegrung, wozu im übrigen auf die US 3,567,526 verwie­ sen wird. Bei derartigen hochfesten Scheibenlegierungen sind die bekannten Material-Auftragsverfahren nicht anwendbar, da aufgrund von deren sehr hohem Festigkeitspotential und der damit einhergehenden Heißrißanfälligkeit diese Werkstoffe nach konventionellen Klassifizierungen als nicht schweißbar gelten.

Da somit die etablierten Reparaturverfahren auf hochfeste Schei­ benwerkstoffe nicht einfach übertragbar sind, können Turbinenscheiben aus derartigen Werkstoffen bislang praktisch nicht repariert werden und müssen schon bei kleinen Verschleißangriffen gegen sehr teuere Neuteile ausge­ tauscht werden. Im übrigen ist ein weiterer Nachteil des bekannten Auf­ tragsschweißens die damit verbundene hohe Wärmeeinbringung in das Bauteil mit der möglichen Folge von Verzug und negativer Beeinflussung des Wärmebehandlungszustandes in naher Reparaturumgebung.

Auch die eingangs genannte US 4,657,171 beinhaltet das Auftragsschwei­ ßen zu Reparaturzwecken für oder von Dichtungsstege(n) an Turbinen­ scheiben, die aus einem kaum schweißbaren (ursprünglichen) Grundmaterial bestehen. Dort wird der Dichtungssteg zunächst mechanisch weiter abgetra­ gen, wonach ein gut schweißbares Material in schmelzflüssiger Form ggf. mehrlagig aufgetragen wird. Danach wird die Turbinenscheibe eine Vergü­ tungsbehandlung unter Hitzeeinwirkung unterworfen, wonach die Dichtungs­ stege durch spanabhebende Bearbeitung in die gewünschte Form gebracht werden. Über den Auftrags-Schweißprozeß als solchen ist in dieser ge­ nannten Schrift jedoch sehr wenig ausgesagt.

Mit der vorliegenden Erfindung soll daher aufgezeigt werden, wie bei Vorlie­ gen eines kaum oder nicht schweißbaren Turbinenscheiben-Werkstoffes ein Reparatur-Auftragsschweißverfahren erfolgreich eingesetzt werden kann ( = Aufgabe der Erfindung.

Die Lösung dieser Aufgabe ist dadurch gekennzeichnet, daß die zunächst in Pulverform vorliegende Metalllegierung durch einen auf den Dichtungssteg gerichteten Laserstrahl geschmolzen und aufgetragen wird. Vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen sind Inhalt der Unteransprüche. So kann das sog. La­ ser-Auftragsschweißen unter Schutzgasatmosphäre erfolgen, wobei nach­ einander mehrere filigrane Auftragsraupen mit einer jeweiligen Dicke im Be­ reich von 0,1 mm bis 0,3 mm erzeugt werden.

Analog dem bekannten Stand der Technik (US 4,657,171) wird zu nächst das angegriffene Material eines verschlissenen Dichtungssteges einer Trubi­ nenscheibe bevorzugt mechanisch so weit abgetragen, bis nur noch voll­ ständig intaktes Material an der Turbinenscheibe vorliegt. Erfindungsgemäß wird danach auf den solchermaßen vorbereiteten Dichtungssteg eine art­ gleiche oder artfremde Metalllegierung in Pulverform durch Laserstrahl- Präzisionsauftragschweißen aufgebracht.

Bevorzugt wird ein einstufiges Laserstrahl-Auftragsschweißverfahren mit kontinuierlicher seitlicher Pulverzufuhr eingesetzt. Bei dieser Technologie wird der aufzutragende Werkstoff in Pulverform bevorzugt in einem Schutzgasstrom dem laserinduzierten, streng lokalisierten Schmelzbad auf der Bauteiloberfläche, d. h. auf dem wieder aufzubauenden Dichtungssteg, zugeführt. Dabei werden die Pulverteilchen beim Durchdringen des Laser­ strahls zunächst erwärmt, um danach im Schmelzbad auf der Bauteilober­ fläche vollständig aufzuschmelzen. Dort wird auch ein äußerst schmaler Bereich des Grundmaterials angeschmolzen, so daß in einer dünnen Zone eine Vermischung des aufgebrachten Schichtmaterials sowie des Grund­ materials stattfindet.

Hierdurch wird eine metallurgische Bindung herbeigeführt, so daß dieser Pro­ zeß im Ergebnis dem herkömmlichen Auftragsschweißen vergleichbar ist. Jedoch wird mit dem erfindungsgemäßen Verfahren vorteilhafterweise nur eine sehr geringe Wärmemenge in das so behandelte Bauteil, d. h. in die Turbinenscheibe eingebracht. Als Folge hiervon wird zum einen der Wärme­ behandlungszustand des Grundwerkstoffes (der Turbinenscheibe) nicht negativ beeinflußt, so daß kein Bauteilverzug auftritt. Zum anderen kühlt hierdurch der erfindungsgemäß aufgetragene Zusatzwerkstoff derart schnell ab, daß keine anschließende Wärmebehandlung erforderlich ist. Zumindest läßt sich die Temperaturführung durch den Laserstrahl derart steuern, daß nach erfolgtem Materialauftrag ohne Durchführung einer abschließenden Wärmebehandlung ein Härteverlauf wie im Grundwerkstoff vorliegt, d. h. daß ohne zusätzliche Wärmebehandlung die Härte im Bereich von 460-510 HV vollständig regeneriert wurde.

Mit dem beschriebenen Auftragsverfahren können filigrane Auftragsraupen mit einer Dicke in der Größenordnung von 0,1 mm bis 0,3 mm erzeugt wer­ den, wozu der Laserstrahl in eine geeignete Form gebracht wird. Mit einer seitlichen, ggf. wassergekühlten und einen Zyklonabscheider aufweisenden Pulverdüse sowie mit einem demzufolge konzentrierten Pulverstrahl sind bei reduzierter Teilchengeschwindigkeit optimale Schweiß-Auftragsraupen erzielbar. Um Oxidationserscheinungen zu vermeiden, kann eine zusätzliche Schutzgaszufuhr mit konzentrischer Anordnung zum Pulverstrom vorgese­ hen sein.

Die Dichtungsstege können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren in einer der gewünschten Endkontur sehr nahe kommenden Form durch Mehrlagen- Auftragschweißen ohne jegliche Zwischenbearbeitung und ohne besondere Badsicherungsmaßnahmen erzeugt bzw. aufgebaut werden. Übergänge zwischen den einzelnen Lagen können dabei durch definiertes Anschmelzen der jeweils unteren Lage sowie durch gezielte Ausnutzung des Effektes, daß die Dendritenlagen übergreifend wachsen, vermieden werden. Hierdurch ergibt sich somit trotz der mehrlagigen Auftragsschweißung ein absolut ho­ mogener Gefügeaufbau und damit keine Gefahr von Delamination.

Grundsätzlich entsteht beim vorgeschlagenen Schweißprozess ein feinkristallines Gefüge, dessen Ermüdungs- und Verschleißeigenschaften denjenigen des ursprünglichen Bauteiles entsprechen. Dabei kann die Er­ starrungsstruktur durch eine gezielte Wärmeführung (d. h. durch einen geeigneten Abgleich von Pulverstrom, Laserstrahlleistung, Strahlintensität und Vorschubgeschwindigkeit) beeinflusst werden. Die erzielbare Haftfestig­ keit entspricht der Schichtfestigkeit, und zwar aufgrund der schmelzmetallur­ gischen Bindung zwischen der aufgetragenen Schicht und dem Grund- Werkstoff, so daß ein unerwünschtes Abplatzen der Schicht aus­ geschlossen ist.

Vorteilhafterweise wird das Grundmaterial durch den vorgeschlagenen Auf­ trags-Schweißprozß so gering als möglich thermisch belastet, insbesondere wenn das Strahlprofil des Laserstrahles so gestaltet wird, daß dessen Inten­ sitätsmaximum in der Strahlmitte liegt, wobei zusätzlich ein geeignetes Verhältnis zwischen der Strahlintensität und der Vorschubgeschwindigkeit des selbstverständlich kontinuierlich bezüglich der Turbinenscheibe bzw. des aufzubauenden Dichtungssteges weiterbewegten Laserstrahles einge­ halten werden kann. Somit wird jegliche Rißbildung vermieden, und zwar durch ein mimimales Schmelzbadvolumen und somit durch minimale Schmelz- und Wärmeeinflußzonen im Grundmaterial. In anderen Worten ausgedrückt kann die zugeführte Wärme derart bzw. gesteuert werden, daß ein gleichmäßiges Härteprofil im Turbinenscheiben-Grundwerkstoff sowie in der aufgetragenen Schweißnaht erzielt wird.

Zur ergänzenden Verdeutlichung ist in der beigefügten Figurendarstellung eine erfindungsgemäß zu reparierende Turbinenscheibe in einem Halb­ schnitt zusammen mit einer Laserstrahl-Optik dargestellt. Dabei ist mit der Bezugsziffer 1 die Turbinenscheibe bezeichnet, die hier acht (durch voran­ gegangenen Betrieb verschlissene) Dichtungsstege 2 aufweist, welche auf die beschriebene Weise repariert, d. h. wieder aufgebaut werden sollen. Über eine geeignete Optik 3 wird ein Laserstrahl 4 derart auf einen der Dichtungs­ stege 2 positioniert, daß mit geeigneter (und bereits beschriebener) Material­ zufuhr einer Metalllegierung in Pulverform dieses Material bzw. Metallpulver durch diesen Laserstrahl 4 geschmolzen und auf dem wieder aufzubauen­ den Dichtungssteg 2 aufgetragen wird. Dieses Metallpulver wird dabei von seitlich, d. h. hier bevorzugt im wesentlichen senkrecht zur Zeichenebene in das auf dem Dichtungssteg fokal eng erzeugte Schmelzebad eingeblasen (nicht gezeigt). Selbstverständlich wird der Laserstrahl 4 kontinuierlich ge­ genüber der Turbinenscheibe 1 bewegt (bevorzugt wird hierzu die Turbien­ scheibe 1 gedreht), so daß quasi das besagte Schmelzebad längs eines Dichtungssteges 2 entlang wandert. Ist nach einer oder mehreren vollständi­ gen Umrundung(en) (entspricht 360° oder ein Vielfaches davon) der Turbi­ nenscheibe 1 dieser Dichtungssteg 2 komplettiert, so wird der nächste Dichtungssteg 2 bearbeitet.

Da das soweit beschriebene Reparaturverfahren gegenüber bekannten an­ deren Verfahren nicht zu einem Bauteilverzug führt und/oder keine anschlie­ ßende Wärmebehandlung erforderlich macht, ist dieses Verfahren vorteilhaft (u. a. kostengünstig) auch für konventionell schweißbare Legierungen/Mate­ rialien anwendbar. Die Schweißzusatzwerkstoffe können dabei sowohl art­ gleich als auch artfremd sein.

Claims (4)

1. Reparaturverfahren für Labyrinth-Dichtungsstege an Turbinenschei­ ben durch Auftragen einer geeigneten Metallegierungs-Schmelze auf die wieder aufzubauenden Dichtungsstege, deren ursprüngliches Material gleich dem mit konventionellen Schweißverfahren nur einge­ schränkt oder nicht schweißbaren Turbinenscheiben-Werkstoff, insbe­ sondere Udimet 720, oder eine ähnliche hochwarmfeste Nickel-Basisle­ gierung ist, wobei die zunächst in Pulverform vorliegende Metalllegierung durch einen auf den Dichtungssteg gerichteten Laserstrahl geschmolzen und aufgetragen wird.

2. Reparaturverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das sog. Laser-Auftragsschweißen un­ ter Schutzgasatmosphäre erfolgt.

3. Reparaturverfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß nacheinander mehrere filigrane Auf­ tragsraupen mit einer jeweiligen Dicke im Bereich von 0,1 mm bis 0,3 mm erzeugt werden.

4. Reparaturverfahren nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperaturführung durch den La­ serstrahl derart gesteuert wird, daß keine abschließende Wärmebe­ handlung erforderlich ist.