-
TECHNISCHES
GEBIET
-
Die
vorliegende Erfindung betrifft die Schmelzverbindungsreparatur von
Gasturbinen- und Düsentriebwerksturbinenschaufeln
und insbesondere die Verwendung von YAG-Lasern zur Ablagerung von
Inconel 713-Pulver auf einer Z-Kerben-Verschleißfläche von Niederdruckturbinenschaufeln.
-
HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
-
Bei
einem Versuch, den Wirkungsgrad und die Leistung von gegenwärtigen Düsentriebwerks-
oder Gasturbinenmotoren, wie zum Beispiel jene, die in technischen,
Schiffs- oder Fahrzeuganwendungen verwendet werden, zu erhöhen, haben
Ingenieure die Motorumgebung in immer extremere Betriebsbedingungen
geschoben. Die rauen Betriebsbedingungen mit hoher Temperatur und
hohem Druck, die nun häufig
spezifiziert werden, stellen höhere
Ansprüche
an Motorkomponenten und -materialien. Die allmähliche Änderung des Motor-Designs hat
sich in der Tat teilweise aufgrund der erhöhten Festigkeit und Beständigkeit
neuer Materialien ergeben, die den in einem modernen Aerojet-Triebwerk
oder Turbinenmotor vorherrschenden Betriebsbedingungen standhalten
können.
Mit diesen Änderungen
der Motormaterialien ging ein entsprechender Bedarf an einer Entwicklung
neuer, für
solche Materialien geeigneter Reparaturmethoden einher.
-
Die
Turbinenschaufel ist eine Motorkomponente, die harten Motorbedingungen
direkt ausgesetzt ist. Somit sind Turbinenschaufeln so konzipiert
und hergestellt, dass sie unter wiederholten Hochbelastungs- und Hochtemperaturzyklen
ihre Funktion erfüllen.
Eine wirtschaftliche Konsequenz solcher Designkriterien ist, dass
Turbinenschaufeln ziemlich teuer sein können. Somit ist es höchst wünschenswert,
Turbinenschaufeln so lange wie möglich
in Betrieb zu halten und verschlissene Turbinenschaufeln, wenn möglich, durch
akzeptable Reparaturprozeduren in den Betrieb zurückzuführen.
-
In
modernen Düsentriebwerks-
oder Gasturbinenmotoren verwendete Turbinenschaufeln sind häufig Gussteile
aus einer Klasse von Materialien, die als Superlegierungen bekannt
sind. Die Superlegierungen können
Legierungen mit hohen Nickel- und/oder Kobaltgehalten umfassen.
In gegossener Form weisen aus Superlegierungen hergestellte Turbinenschaufeln
viele wünschenswerte
physikalische Eigenschaften, wie zum Beispiel hohe Festigkeit, auf.
Vorteilhafterweise bleibt die Festigkeit dieses Materials selbst
unter Bedingungen mit hoher Belastung, wie zum Beispiel hohe Temperatur
und hoher Druck, die bei Motorbetrieb auftreten, vorhanden.
-
Inconel
713 ist solch eine Superlegierung. Es ist ein bevorzugtes Material
für die
Herstellung von Turbinenschaufeln. Inconel 713 ist eine ausscheidungshärtende Legierung.
Mit Materialien, wie zum Beispiel Aluminium und Titan, legiertes
Nickel erzeugt hohe Festigkeitseigenschaften, die bei hohen Temperaturen
aufrechterhalten werden können,
dem Temperaturbereich, den Motorkonstrukteure anstreben. Die Festigkeit
ergibt sich teilweise durch die Gegenwart von Material mit Gamma-Prime(γ')-Phase. Eine Eigenschaft
von Inconel 713 ist der hohe Grad an Gammaprime in Gussmaterialien.
-
Es
ist von Nachteil, dass die Superlegierungen allgemein und insbesondere
Inconel 713 nur unter großen
Schwierigkeiten mit bekannten Schweißtechniken erfolgreich geschweißt werden
können.
Es sind verschiedene Verfahren entwickelt worden, die in der Ausbesserung,
Wiederherstellung, Reparatur und Rekonditionierung von verschlissenen
Turbinenschaufeln und Z-Kerben-Flächen betreffenden technischen
Literatur beschrieben werden. Jedes dieser Verfahren weist jedoch
Nachteile oder Grenzen auf, die die Nützlichkeit des Verfahrens deutlich
einschränken.
-
In
gegenwärtigen
Düsentriebwerken
verwendete Turbinenschaufeln enthalten oftmals ein Deckband mit
Z-Kerben für Niederdruckanwendung.
Der Ausdruck Z-Kerbe bezieht sich auf eine Konfiguration des Turbinenschaufeldeckbands
in Form eines „Z". Benachbarte Schaufeln
sind an den Z-Kerben-Bereichen miteinander verriegelt. Die Z-Kerben-Verriegelung
verleiht den Turbinenschaufeln einen zusätzlichen Steifheitsgrad zum
Ausgleichen der Verdrehkräfte,
die die Schaufeln erfahren. Z-Kerben gleichen auch schädliche Schwingungsbewegungen
in den Turbinenschaufeln aus. Die Z-Kerben sind Kontaktpunkte zwischen
Turbinenschaufeln, und die Verriegelungsflächen von Z-Kerben erfahren
somit Verschleiß und
Korrosion. Folglich können
die Z-Kerben-Verschleißflächen im
Laufe der Zeit im Betrieb einer Reparatur oder Ausbesserung bedürfen.
-
Herkömmliche
Reparaturmethoden haben sich für
das Inconel 713-Material als unzufriedenstellend erwiesen. Zum Beispiel
erwärmen
einige bekannte Schweißtechniken
das Werkstück,
den Z-Kerben-Bereich einer Turbinenschaufel, auf hohe Temperaturen,
die zum Schweißen
der Legierung ausreichen. Bei solch einer Temperatur kann die Turbinenschaufel
jedoch Wärmeriss
und -bruch erfahren, wodurch die Schaufel für weiteren Motorbetrieb unbrauchbar
wird. Somit ist es wünschenswert,
ein für
Inconel 713 geeignetes Reparaturverfahren zu finden, das die Werkstückmatrix
keiner wärmeinduzierten
Beschädigung
aussetzt.
-
Andere
Reparaturtechniken umfassen Plattieren eines Matrixmaterials mit
einem Hartauftragsschweißmaterial
oder anderen Materialien mit guter Schweißbarkeit.
-
Solch
ein Verfahren ist hinsichtlich aus Inconel 713 hergestellter Turbinenschaufeln
nachteilig. Insbesondere kann eine Schaufel aus mehreren Materialien
nicht mit anderen Turbinenschaufeln, bei denen es sich um Schaufeln
aus einem einzigen Material handelt, in den Betrieb zurückgeführt werden,
weil die Fehlanpassung der mechanischen Eigenschaften zwischen benachbarten
Schaufeln Materialverlust für
Schaufeln mit schlechteren Eigenschaften beschleunigen kann. Des
Weiteren können
die Erwärmungseigenschaften
zum Schmelzverbinden eines Mantelmaterials mit Inconel 713 das Trägermaterial übermäßiger Erhitzung
wie bei bekannten Schweißtechniken
aussetzen.
-
Demgemäß besteht
auch Bedarf an einem Reparaturverfahren, bei dem das Reparaturmaterial
selbst gleich dem Trägermaterial
ist, wie zum Beispiel, wenn die Schaufel aus Inconel 713 und das
Reparaturmaterial aus dem gleichen Material besteht.
-
Die
Möglichkeit
des Entsorgens verschlissener Turbinenschaufeln und ihres Ersetzens
durch neue ist keine günstige
Alternative, da die Schaufeln teuer sind. Das Austauschen einer
Niederdruckturbinenschaufel aus Inconel 713 kann teuer sein, und
eine einzige Stufe in einem Motor kann mehrere Dutzend solcher Schaufeln
enthalten. Des Weiteren kann ein typischer Gasturbinenmotor Reihen
oder Stufen von Turbinenschaufeln enthalten mehrere. Folglich bringen
akzeptable Reparaturverfahren für
Turbinenschaufeln aus Inconel 713 große finanzielle Nutzen mit sich.
-
Somit
besteht Bedarf an einem Turbinenreparaturverfahren, das sich mit
einem oder mehreren der oben genannten Nachteile befasst. Es ist
nämlich
ein Reparaturverfahren erforderlich, das nicht zu einer großen Komponentenbeschädigung führt und/oder
nicht die Verwendung von anderen Materialien als Inconel 713 oder
irgendeinem anderen Schaufelmaterial erfordert und/oder minimalen
Verbrauch von Superlegierung im Reparaturprozess erfordert und aufgrund
des Vorhergehenden im Vergleich zu der Alternative des Austausches
verschlissener Teile mit neuen weniger teuer ist. Die vorliegende
Erfindung bezieht sich darauf, einem oder mehreren dieser Erfordernisse
zu entsprechen.
-
KURZDARSTELLUNG
DER ERFINDUNG
-
Die
vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren zur Reparatur von Turbinenschaufel-Z-Kerben
mit Inconel 713-Pulver
bereit. Das Verfahren verwendet einen YAG-Laser zur Erzeugung eines
hoch lokalisierten Erwärmungsbereichs,
der keine schweißinduzierte
Beschädigung
oder Rissbildung der Turbine erzeugt. Das Verfahren gestattet die
Rückführung reparierter
Turbinenschaufeln in den Betrieb (mit anderen Einkomponentenschaufeln)
und bietet deshalb beträchtliche
Kosteneinsparungen gegenüber
der Austausch-Alternative.
-
Bei
einer Ausführungsform
und rein beispielhaft wird ein Verfahren zur Reparatur einer verschlissenen Fläche einer
Turbinenschaufel bereitgestellt. Das Verfahren umfasst die Schritte
des Bewegens eines YAG-erzeugten Laserstrahls über eine Turbinenschaufel-Verschleißfläche, Bereitstellens
eines Legierungspulvers, wie zum Beispiel Inconel 713, auf der Turbinenschaufel-Verschleißfläche und
Erzeugens ausreichender Leistung für den Laser zum Bewirken einer
Schmelzverbindung zwischen dem Legierungspulver und der Turbinenschaufelfläche.
-
Bei
einer anderen beispielhaften Ausführungsform wird ein Verfahren
zur Reparatur einer verschlissenen Z-Kerben-Verschleißfläche an einer Gasturbinen- oder
Aerojet-Turbinen-Schaufel bereitgestellt, die aus Inconel 713 besteht.
Das Verfahren umfasst die Schritte des Digitalisierens einer Schweißbahn über die
Verschleißfläche mit
einem Videomonitor einer CNC- Steuerung.
Es wird ein Laserstrahl mit einem Neodym-Yttrium-Aluminium-Granat-Laser erzeugt.
Inconel 713-Pulver
wird durch eine Austragsdüse,
deren axiale Ausrichtung sich von der axialen Ausrichtung des Lasers
unterscheidet, auf die Verschleißfläche ausgetragen. Die Legierungsaustragsdüse und der
Laser bewegen sich über
die Verschleißfläche der
Z-Kerbe, wodurch eine Schmelzschicht aus Inconel 713-Pulver mit
dem Trägermaterial
der Z-Kerben-Verschleißfläche verbunden wird.
Die Bewegung des Lasers und der Legierungsaustragsdüse werden
durch eine CNC-Steuerung unter Verwendung von digitalisierten Schweißbahninformationen
gesteuert. Die Tiefe der Mantelschicht wird gemessen, und, falls
gewünscht,
können
Schritte wiederholt werden, um der Z-Kerben-Verschleißfläche zusätzliche Mantelschichten
hinzuzufügen.
Auf diese Weise wird eine Mantelschicht mit gewünschter Tiefe erreicht.
-
Bei
noch einer anderen beispielhaften Ausführungsform wird ein Verfahren
zur Reparatur einer Verschleißfläche einer
Niederdruckturbinenmotorschaufel aus Inconel 713 gezeigt. Das Verfahren
umfasst Bewegen eines YAG-Lasers und einer Inconel 713-Pulver-Austragsdüse über eine
Verschleißfläche, wodurch
ein erster Bereich repariert wird, und dann Kühlenlassen des ersten Bereichs.
Dann werden der YAG-Laser und die Inconel-Pulver-Austragsdüse über einen zweiten Verschleißflächenbereich
nahe dem ersten Bereich bewegt, und dadurch wird der zweite Verschleißflächenbereich
repariert. Der zweite Bereich wird kühlen gelassen. Die Schritte
der Reparatur und des Kühlens
werden für
zusätzliche
Bereiche wiederholt, bis ein gewünschter
Gesamtbereich repariert worden ist.
-
Bei
noch einer anderen beispielhaften Ausführungsform wird eine reparierte
Gasturbinenmotor-Turbinenschaufel beschrieben. Die reparierte Turbinenschaufel
enthält
ein Schaufelblatt mit einer konkaven Fläche und einer konvexen Fläche, eine
am Schaufelblatt befestigte Basisanordnung und eine am Schaufelblatt
befestigte Deckbandanordnung. Die Deckbandanordnung der reparierten
Turbinenschaufel weist einen reparierten Bereich und einen nicht
reparierten Bereich auf. Des Weiteren kann der reparierte Bereich
an der Z-Kerben-Verschleißfläche der
Deckbandanordnung liegen. Bei einer weiteren Ausführungsform
ist der nicht reparierte Bereich, wie zum Beispiel die Ausgangsmatrix
der Schaufel, Inconel 713, was das gleiche Material ist, das auch
zur Erzeugung des reparierten Bereichs verwendet wird.
-
Andere
unabhängige
Merkmale und Vorteile der Laserschmelzverbindungsanordnung und des
Laserschmelzverbindungsverfahrens gehen aus den folgenden ausführlichen
Beschreibungen in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen hervor, die
beispielhaft die Grundzüge
der Erfindung darstellen.
-
KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
-
1 ist
eine perspektivische Ansicht einer gemäß einer Ausführungsform
der Erfindung bearbeiteten Turbinenschaufel.
-
2 ist
eine Draufsicht, die die Z-Kerben-Verriegelungsschnittfläche an benachbarten
Turbinenschaufeln zeigt. Der Schaufeltaschenteil der Schaufel, wo
diese am Z-Kerben-Deckband befestigt ist, wird in gestrichelter
Kontur gezeigt.
-
3 ist
eine schematische Darstellung der Ausrüstung und Vorrichtung, die
zur Durchführung
von Laserschweißreparatur
gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
-
4 ist
eine perspektivische Großaufnahme
einer Bahn, der von der Laserschweißvorrichtung von 3 beim
Aufbringen einer Schicht aus Inconel 713-Pulver auf eine Turbinenschaufel-Z-Kerben-Verschleißfläche gefolgt
wird.
-
5 ist
ein beispielhaftes funktionales schematisches Blockdiagramm eines
Inconel 713 zur Reparatur einer Turbinenschaufel verwendenden Laserschweißprozesses.
-
AUSFÜHRLICHE
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
-
Es
wird nunmehr ausführlich
auf die beispielhaften Ausführungsformen
der Erfindung Bezug genommen, von denen Beispiele in den beigefügten Zeichnungen
dargestellt werden. Wann immer möglich,
werden in sämtlichen
Zeichnungen zur Bezeichnung der gleichen oder ähnlicher Teile die gleichen
Bezugszahlen verwendet.
-
Eine
typische Gasturbinenschaufel 10 wird in 1 dargestellt.
Solch eine Schaufel weist in der Regel eine Länge von mehreren Zoll auf,
obgleich die Größen verschieden
sind. Eine Turbinenschaufel enthält
eine gezahnte Basisanordnung 20, die auch als Montage-Schwalbenschwanz,
Montagelappen oder Tannenbaum bezeichnet wird, wo die Schaufel an
einer (nicht gezeigten) Nabe befestigt wird. Bei einer Düsentriebwerks- oder
Gasturbinenanordnung sind mehrere solcher Turbinenschaufeln in benachbarter
Umfangsposition entlang einer Nabe oder Rotorscheibe angeordnet.
Das Schaufelblatt 30, eine schalenförmige Konstruktion, enthält eine
konkave Fläche 40 und
eine konvexe Fläche 50.
In der Literatur der Turbinentechnologie kann das Schaufelblatt 30 auch
als Schaufeltasche bezeichnet werden. Das Schaufelblatt 30 erstreckt
sich von der Nabe radial nach außen.
-
Im
Betrieb treffen Gase auf die konkave Fläche 40 des Schaufelblatts 30 auf,
wodurch die Antriebskraft für den
Turbinenmotor geliefert wird. Viele Turbinenschaufeln weisen des
Weiteren eine Deckbandkonstruktion 60 am oberen (radial äußeren) Ende
der Turbinenschaufel 10 auf.
-
2 zeigt
eine Draufsicht einer typischen Deckbandkonstruktion. Das Turbinendeckband 60 ist
so geformt, dass Deckbänder
an benachbarten Turbinenschaufeln verriegelt werden. In 2 ist
mit gestrichelter Kontur das Schaufelblatt 30 gezeigt,
das das Deckband 60 unterstreicht. Die in gegenwärtigen Turbinenmotoren
verwendeten Deckbänder
können
eine Z-Kerbe 65 enthalten.
Die Z-Kerbe betrifft eine Konfiguration des Deckbands. In den Z-Kerben-Bereichen
werden benachbarte Schaufeln verriegelt. Die Z-Kerben-Verriegelung verleiht
Turbinenschaufeln einen zusätzlichen
Steifheitsgrad, um die Verdrehkräfte,
die die Schaufeln erfahren, auszugleichen. Z-Kerben können auch
schädliche
Schwingungsbewegungen in den Turbinenschaufeln ausgleichen und gewährleisten,
dass Schaufeln ordnungsgemäß ausgerichtet
sind. Die Verriegelungs-Deckbandkonstruktion ist darüber hinaus
als Mittel nützlich,
das verhindert, dass Gase die Turbinenschaufeln vermeiden. Die Z-Kerben
sind Kontaktpunkte zwischen Turbinenschaufeln, und die miteinander
verriegelnden Flächen von
Z-Kerben können
somit Verschleiß und
Korrosion erfahren. Folglich müssen über eine
Betriebszeitdauer Turbinenschaufeln möglicherweise repariert oder
ausgebessert werden. Der Z-Kerben-Kontaktbereich ist ein typischer
Bereich, der solch eine Nachbearbeitung benötigt; und somit bilden Kerbenflächen ein
Werkstück
für die
Laserpulverschmelzverbindungsreparatur der vorliegenden Erfindung.
-
Nunmehr
auf 3 Bezug nehmend, wird eine bevorzugte Vorrichtung
gezeigt, die in dem Laserschweißsystem
verwendet wird. Der YAG-Laser 100 erzeugt den im Schweißsystem
verwendeten Laser. Ein Laser wird durch die Strahlführung 102,
durch den Spiegel 104 und durch die Fokuslinse 106 geleitet.
Dann trifft der Laser auf das Werkstück auf. Komponenten, wie zum
Beispiel die Strahlführung 102,
der Spiegel 104 und die Fokuslinse 106 sind in
der Technik des Laserschweißens
bekannte Elemente. Die Strahlführung 102 kann
faseroptische Materialien enthalten.
-
Inconel
713-Pulver wird in der Pulverzuführvorrichtung 110 bereitgestellt.
Das Pulver wird durch die Pulverzuführdüse 112 auf das Werkstück geführt.
-
Andere
Komponenten des Systems umfassen die Videokamera 120 und
den Videomonitor 130. Das Werkstück wird auf einem Arbeitstisch 140 gehalten.
-
Die
Steuerung 150 kann ein CNC-gesteuertes (CNS: computer numerically
controlled – computerisiert numerisch
gesteuertes) Positioniersystem sein. Die CNC-Steuerung 150 koordiniert Komponenten
des Systems. Wie in der Technik bekannt, kann die Steuerung auch
ein digitales Abbildungssystem enthalten. Die Steuerung führt eine
Bewegung des Lasers und der Pulverzuführung über die Fläche des Werkstücks. Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
wird die Bewegung des Werkstücks
in der XY-Ebene durch Bewegung des Arbeitstisches erreicht. Bewegung
in der Auf- und Ab-Richtung oder Z-Richtung wird durch Steuerung
des Laserarms erreicht, das heißt
indem er nach oben gezogen oder abgesenkt wird. Es sind auch alternative
Steuerverfahren möglich,
wie zum Beispiel Bewegung des Werkstücks in allen drei Richtungen
X, Y und Z.
-
Unter
der CNC-Steuerung wird der Laser in einem gewählten Bewegungsmuster über eine
Fläche
des Werkstücks
geführt. 4 zeigt
ein bevorzugtes Muster zur Verwendung in dem Laserschweißsystem.
Der Laser folgt einem Stichmuster entlang der Fläche der Z-Kerbe. Der Abstand zwischen den Stichen 200 liegt
in einem Bereich von ca. 0,020 Zoll (0,0508 cm) bis ca. 0,028 Zoll
(0,07112 cm). Vorzugsweise werden aufeinanderfolgende Stiche so
beabstandet, dass zwischen den Stichen kein merklicher oder nur
ein minimaler nichtverschmolzener Bereich vorliegt. Des Weiteren
kann die Bewegung des Lasers beim Umfahren einer Ecke eine graduelle
oder gekrümmte
Bewegung sein, so dass bei der Bewegung von einem Stich in einer
Richtung in die andere Richtung eine übermäßige Ansammlung von verschmolzenem
Material vermieden wird. Als Alternative dazu kann der Laser, wie
in der Technik bekannt, „angestellt" werden, wenn er
den Endpunkt eines Stiches erreicht. Der Laser kann dann neu positioniert
werden, um das Niederlegen eines benachbarten Stiches zu beginnen,
wobei er an diesem Punkt „angestellt" wird. Auf diese
Weise kann eine übermäßige Ansammlung
an einem Stichendpunkt vermieden werden. In der Technik sind auch
andere Laserstichtechniken bekannt, welche auf das erfindungsgemäße Verfahren
angewandt werden können.
-
Der
Laser, von dem festgestellt wurde, dass er bei dem vorliegenden
Schweißverfahren
funktioniert, ist als ein YAG-Laser bekannt. YAG-Laser bedeutet
Yttrium-Aluminium-Granat-Laser.
Solche Laser können auch
ein Dotiermaterial, wie zum Beispiel Neodym (Nd) enthalten, und
solch ein Laser wird manchmal auch als Nd:YAG-Laser bezeichnet.
Die vorliegende Erfindung kann auch mit YAG-Lasern ausgeübt werden,
die andere Dotiermaterialien verwenden. Bei einer bevorzugten Ausführungsform
ist der YAG-Laser der vorliegenden Erfindung ein von US Laser hergestellter
YAG-Laser Modell 408, der im Handel erhältlich ist. Wenn der Laser
im Dauerstrichmodus (CW-Modus, CW: continuous wave) betrieben wird,
liefert der Laser an einem speziellen Punkt ausreichend Wärme, um
Laserschweißen
zu bewirken.
-
Die
Pulverzuführvorrichtung 110 lagert
pulverförmiges
Metall durch einen Düsenaustrag 112 ab.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform
verwendet das Laserschweißsystem
eine nicht axiale Anordnung für
die Pulverdüse;
das heißt
die Austragsachse der Pulverdüse 112 unterscheidet
sich von der Achsausrichtung des Lasers selbst. Die bevorzugte Pulveraustragsrate
liegt in einem Bereich von ca. 0,01 bis 0,10 Gramm pro Sekunde.
Der Metallpulveraustrag ist ein weiterer Teil der CNC-Steuerung.
-
Das
im Laserschweißsystem
ausgetragene Pulver kann pulverförmiges
Metall der Inconel 713-Legierung sein. Das im Laserschweißprozess
verwendete Pulver ist mit der Legierung kompatibel, aus der das Werkstück besteht;
das Pulver ist vorzugsweise die gleiche Metalllegierung, die zum
Gießen
des Werkstücks verwendet
wurde, obgleich je nach Bedarf in bestimmten Anwendungen auch andere
Materialien verwendet werden können.
Die Abmessungen des Pulvers, wie sie durch seine Korngröße gemessen
werden, sind mit denen der bei Gießvorgängen für Turbinenschaufeln in der
Regel verwendeten pulverförmigen
Legierung einheitlich. Eine bevorzugte Größe für pulverförmige Inconel 713-Legierung liegt in
einem Bereich von 120 bis 270, wie durch Korngröße des Pulvers gemessen. Praxair
ist ein Zulieferer für
dieses Material.
-
Eine
typische Zusammensetzung von Inconel 713 ist 13,5 Cr, 4,5% Mo, 6%
Al, 0,9% Ti, 2,1% Cb/Ta, 0,14% C, 0,01 B, 0,08% Zr, Rest Ni. Die
folgende Tabelle gibt die Bestandteilkonzentrationen in Inconel
713 bezüglich
des Bereichs an.
-
-
-
INCONEL
ist ein Handelsname in Besitz von Inco Alloys International, Inc.
Der Name INCONEL bezieht sich auf mehrere Nickel- und Chrom-Superlegierungen.
In Aerojet-Anwendungen
werden mehrere der Inconel-Superlegierungen verwendet, einschließlich Inconel
713. Die gleichen oder ähnliche
Legierungen können
auch von Quellen hergestellt werden, die einen anderen Namen verwenden.
Die in der Laserschweißtechnik
der vorliegenden Erfindung verwendete Superlegierung kann auch durch
die UNS-System-Nummer (UNS: Unified Numbering System) NO7713 gekennzeichnet
werden.
-
Der
Schweißvorgang
erfolgt, wenn die Laser- und Pulverzuführvorrichtung eine Fläche des
Werkstücks überquert.
Eine bevorzugte Lineargeschwindigkeit für den Schweißprozess
liegt zwischen ca. 5 bis ca. 15 Zoll pro Minute. Die Leistung des
Lasers während
des Betriebs liegt in einem Bereich zwischen ca. 100 und ca. 500
Watt. Ein Grundprinzip der Laserschweißreparatur besteht darin, den
Bereich, auf dem das Werkstück die
Wärmewirkung
des Lasers empfängt,
zu begrenzen. Somit liegt bei einer bevorzugten Ausführungsform der
zu reparierende Bereich in einem Bereich zwischen 0,001 und ca.
0,010 Quadratzoll (0,0064516 und 0,064516 cm2).
Durch Begrenzen des zu reparierenden Bereichs wird die Wahrscheinlichkeit
verringert, dass im Werkstück
infolge des Schweißvorgangs
wärmeinduzierte
Mikrorisse auftreten.
-
Es
können
auch Reparaturen über
eine Fläche über den
Bereich von 0,001 bis 0,010 Quadratzoll (0,0064516 bis 0,064516
cm2) hinaus erreicht werden. Das Reparaturverfahren
solch einer größeren Fläche umfasst
eine Reihe von getrennten Laserschweißvorgängen. Jeder einzelne Schweißvorgang
oder Reparaturschritt umfasst einen Laserschweißvorgang für eine Werkstückfläche in einem
Bereich von ca. 0,001 bis ca. 0,010 Quadratzoll (0,0064516 bis 0,064516
cm2). Die Reparatur solch einer Fläche erreicht
eine erfolgreiche Laserschmelzverbindung mit der akzeptablen Schmelzverbindung
des Pulvers mit dem Werkstück.
Nach der Reparatur einer einzelnen Fläche, wird ihr Abkühlen gestattet.
Nach dem Kühlen
kann dann eine zweite, benachbarte Fläche nahe der ersten Fläche einen
Laserschmelzverbindungsvorgang erfahren. Auf diese Weise können einzelne
Laserschmelzverbindungsvorgänge
durchgeführt
werden, um eine Laserschmelzverbindung auf einer Gesamtfläche gewünschter
Größe zu erreichen.
-
Obgleich
der Laserschweißreparaturvorgang
an andere Werkstückarten
angepasst werden kann, ist er für
eine bestimmte Anwendung auf Z-Kerben-Verschleißflächen an Niederdruckgasturbinen-
und Triebwerksturbinenschaufeln konzipiert und bestimmt. 2 zeigt,
wo solche Verschleißflächen in
der Regel an solchen Schaufeln auftreten. Im Gegensatz zu anderen
Schweißtechniken
stellt das Schweißsystem
der vorliegenden Erfindung die Verschleißfläche eines Z-Kerben-Deckbands
wieder her.
-
Nachdem
die Laserschmelzverbindungsanordnung von einem strukturellen Standpunkt
beschrieben worden ist, wird nun ein Verfahren zur Verwendung solch
einer Anordnung in einem Schweißvorgang
beschrieben.
-
Es
versteht sich, dass das beschriebene Verfahren nicht in der Reihenfolge
durchgeführt
werden muss, in der es beschrieben wird, sondern dass diese Beschreibung
nur ein Beispiel für
ein Verfahren darstellt. Nunmehr auf 5 Bezug
nehmend, wird ein funktionales Blockdiagramm der Schritte im Laserschweißprozess gezeigt.
Zunächst
wird in Schritt 300 ein geeignetes Werkstück identifiziert.
Eine Untersuchung des Werkstücks
bestätigt,
dass das Werkstück
ein geeigneter Kandidat zur Reparatur durch einen Laserschweißprozess
ist. Das Werkstück
sollte außer
Verschleiß,
der durch das Schweißverfahren
repariert werden kann, keine mechanischen Defekte und keine andere
Beschädigung
aufweisen, die seine Rückführung in
den Betrieb ausschließen
würden.
Schritt 310 stellt dar, dass das Werkstück Vorschweiß-Arbeitsgängen ausgesetzt
sein kann, um das Werkstück
zum Schweißen
vorzubereiten. Bei einer bevorzugten Ausführungsform erhält das Werkstück eine
Sandstrahlbehandlung. Durch den Sandstrahlschritt 310 werden
Materialien, die das Laserschweißen behindern, wie zum Beispiel
Korrosion, Ansammlungen von Unreinheiten und Verunreinigungen, von
der zu reparierenden Werkstücksfläche entfernt.
Als Nächstes überprüft in Schritt 320 das
digitale Überwachungssystem
der CNC-Steuerung die Schweißbahn
auf dem Werkstück.
Unter Verwendung von digitaler Abbildung durch eine Videokamera
zeichnet die CNC-Steuerung Oberflächen- und Maßdaten vom
Werkstück
auf. Der Bediener gibt Schweißbahnparameter
durch die CNC-Steuerung ein. Parameter, wie zum Beispiel Schweißbahngeometrie
oder „Stichmuster", Abstände und
Lineargeschwindigkeiten werden eingegeben. Des Weiteren werden Informationen über das
Schweißen,
wie zum Beispiel Laserleistung und Pulverzuführungsraten eingegeben.
-
Nach
diesen Vorbereitungsschritten beginnt das Laserschweißen in Schritt 330.
Es erfolgt ein erster Ablagerungsdurchgang. Dann wird, falls erforderlich,
eine Reihe von Materialablagerungsschritten wiederholt, indem die
Schritte 330 und 340 wiederholt werden. Im ersten Durchgang lagert
der Laserschweißprozess
eine Schicht von Inconel 713 auf der Z-Kerben-Verschleißfläche ab. Die Dicke solch einer
Ablagerung beträgt
zwischen 20 und ca. 30 Tausendstel eines Zolls (0,00508 und 0,00762
cm). Die Bewegungsgeschwindigkeit des Werkstücks bezüglich des Lasers hängt von
der gewünschten
Dicke der Ablagerung ab, jedoch kann ein Geschwindigkeitsbereich
von zwischen ca. 5 bis ca. 15 Zoll pro Minute (12,7 bis 38,1 cm/min)
verwendet werden. Nach Beendigung eines ersten Schweißdurchgangs, überprüft die CNC
die Dicke der Schweißablagerung, Schritt 340;
wenn der Materialaufbau unter dem gewünschten liegt, erfolgt ein
zweiter Schweißdurchgang.
Obgleich ein einziger Schweißdurchgang
ausreichend sein kann, um die gewünschte Materialdicke abzulagern, könnten auch
mehrere Durchgänge
erforderlich sein, um die gewünschte
Abmessung von neu abgelagertem Material zu erreichen. Auf diese
Weise kann eine Reihe von Schweißdurchgängen eine gewünschte Dicke
von neu abgelagertem Inconel 713 aufbauen. Wenn der digitale Viewer
feststellt, dass die Materialdicke die gewünschte Grenze erreicht hat,
wird das Schweißen
beendet.
-
In
Schritt 350 wird die Turbinenschaufel maschinell bearbeitet,
um die Schaufel auf eine gewünschte Konfiguration
oder Abmessung zurückzuführen. Die
Ablagerung von pulverförmiger
Legierung kann zu einer unebenen Fläche führen. Durch maschinelle Bearbeitung
wird wieder eine ebene Fläche
mit einer gewünschten
Abmessung hergestellt. Ebenso kann es wünschenswert sein, Material
zu überlagern,
um zu gewährleisten,
dass auf der Z-Kerben-Verschleißfläche keine
Hohlräume
oder niedrigen Stellen verbleiben. Mit bekannten maschinellen Bearbeitungstechniken
kann überschüssiges Schweißmaterial
entfernt werden.
-
Nach
dem Schweißen
erfolgende Schritte können
auch Prozeduren wie zum Beispiel Wärmebehandlung umfassen, um
Spannungsabbau zu erreichen, Schritt 360. Vorzugsweise
wird durch nach dem Schweißen
erfolgende Behandlung ein Schritt wie zum Beispiel Hartauftragsschweißen mit
Materialien vermieden. Eine FPI-Inspektion (FPI: Fluorescent Penetration Inspection)
einer Turbinenschaufel, Schritt 370 gestattet eine Rückführung der
Schaufel in den Betrieb.
-
Ein
Hauptvorteil des offenbarten Reparaturverfahrens ist die hochkonzentrierte
Anwendung von Wärme
durch den YAG-Laser. Die Verwendung eines YAG-Lasers gestattet eine
ausreichende Erwärmung
des Trägers
und der pulverförmigen
Legierung, beide Inconel 713, um eine Schmelzverbindung zwischen
dem Träger
und dem Legierungsmaterial zu bilden. Die Wärme ist jedoch so konzentriert,
dass die bei anderen Schweißtechniken
angetroffene Rissbildung und Beschädigung vermieden wird. Der
Schmelz- und Härtegrad der
Schweißung
zwischen dem Träger
und dem neuen Material ist mit der des in der ursprünglichen
Turbinenschaufel gefundenen darunterliegenden Matrixmaterials vergleichbar.
-
Ein
weiterer Vorteil des Verfahrens kann die Verwendung eines Schweißlegierungsmaterials
sein, bei dem es sich um das gleiche Material handelt, das zum Gießen des
Werkstücks
verwendet wird. Durch dieses Verfahren wird das Erfordernis eines
Hartauftragsschweißens
der fertiggestellten Turbinenschaufel mit anderen Materialien vermieden.
Eine Turbinenschaufel, die mit dem gleichen Material wiederhergestellt
worden ist, wie das, aus dem sie gegossen worden war, kann mit neu
gegossenen Turbinenschaufeln in Betrieb gehen. Eine Schaufel aus
gemischtem Material kann nicht mit neu gegossenen Schaufeln verwendet
werden. Somit bieten mit dieser Technik wiederhergestellte Schaufeln
die zusätzliche
Flexibilität,
dass sie mit neuen Schaufeln in Motoren angeordnet werden können.
-
Noch
ein weiterer Vorteil dieses Verfahrens kann die kleine Menge an
pulverförmigem
Material sein, die von dem Laserschmelzverbindungsvorgang verbraucht
wird. Der YAG-Laser verbindet unter geringem Pulverausschuss effizient
die pulverförmige
Legierung mit dem Trägermaterial.
Dadurch wird eine Materialkostenersparnis erzielt.
-
BEISPIEL
-
Sieben
Niederdruckturbinenschaufeln wurden dem hier beschriebenen Reparaturverfahren
ausgesetzt. Die Schaufeln waren aufgrund von Verschleiß im Z-Kerben-Bereich außer Betrieb
genommen worden. Eine der sieben Schaufeln war zum Vergleich in
ihrem empfangenen Zustand belassen worden. Eine zweite Schaufel
wurde inspiziert, um festzustellen, ob die Turbinenschaufeln während ihres
Betriebs Überhitzung
ausgesetzt waren. Die Gamma-Prime-Struktur in der Schaufel zeigte
an, dass die Schaufeln keiner übermäßigen Erhitzung
ausgesetzt worden waren, und entsprach Betriebsanforderungen. Die übrigen fünf Schaufeln
wurden mit einer alkalischen Lösung
gereinigt. Die Z-Kerben-Bereiche
der Schaufeln wurden durch Fluoreszenzpenetrationsinspektion untersucht,
um zu bestätigen,
dass vor dem Schweißen
keine Risse vorhanden waren. Der Z-Kerben-Bereich der Schaufeln
wurde sandgestrahlt. Dann wurden die Schaufeln Laserschweißen mit einem
US-LASER 408-1 YAG-Laser ausgesetzt. Drei Lagen von Inconel 713-Legierungspulver
wurden in drei Schweißdurchgängen abgelagert.
Dann wurden die Schaufeln im Schweißzustand einer Wärmebehandlung unterzogen.
Die Schaufeln wurden 2 Stunden lang auf 1650 Grad F (899 Grad C)
gehalten, um Schweißspannungen
zu beseitigen.
-
Von
den fünf
geschweißten
Schaufeln wurde eine in ihrem Zustand nach dem Schweißen gehalten. Die
verbleibenden vier wurden maschinell auf die ursprünglich konstruierten
Schaufelabmessungen bearbeitet. Diese vier Schaufeln wurden dann
Fluoreszenzpenetrationsinspektion ausgesetzt. Die geschweißte Fläche an den
Z-Kerben wies keine
Anzeichen für
Risse oder Unregelmäßigkeiten
auf.
-
Zwei
der geschweißten
Schaufeln wurden dann aufgeschnitten, um die Metallurgie der Schweißungen zu
untersuchen. Beide Schaufeln wurden an den Z-Kerben sowohl an der
konvexen als auch an der konkaven Größe jeder Schaufel geschnitten.
Die Mikrostrukturen dieser Schaufeln enthüllten akzeptable Verschmelzung und
Penetration der Mantelschichten mit der bzw. in das darunterliegende
Basismaterial der Legierungsmatrix. In den geschweißten Bereichen
und in der umgebenden thermisch beeinflussten Zone wurden keine
Defekte, wie zum Beispiel Risse, Porösität oder fehlende Verschmelzung,
entdeckt.
-
Obgleich
die Erfindung unter Bezugnahme auf eine bevorzugte Ausführungsform
beschrieben worden ist, liegt für
den Fachmann auf der Hand, dass verschiedene Änderungen durchgeführt werden
können
und Elemente davon durch Äquivalente
ersetzt werden können,
ohne von dem Schutzbereich der Erfindung abzuweichen. Darüber hinaus
können
zur Anpassung an eine bestimmte Situation oder an ein bestimmtes
Material gemäß den Lehren
der Erfindung viele Modifikationen durchgeführt werden, ohne vom wesentlichen
Schutzbereich der Erfindung abzuweichen. Deshalb soll die Erfindung
nicht auf die als die zur Durchführung
dieser Erfindung erachtete beste Art und Weise offenbarte bestimmte
Ausführungsform
beschränkt
sein, sondern die Erfindung umfasst alle Ausführungsformen, die in den Schutzbereich
der angehängten
Ansprüche
fallen.