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EP2603355B1 - Verfahren zum entfernen einer schicht von einer oberfläche eines körpers - Google Patents

Verfahren zum entfernen einer schicht von einer oberfläche eines körpers Download PDF

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Publication number
EP2603355B1
EP2603355B1 EP11796609.3A EP11796609A EP2603355B1 EP 2603355 B1 EP2603355 B1 EP 2603355B1 EP 11796609 A EP11796609 A EP 11796609A EP 2603355 B1 EP2603355 B1 EP 2603355B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
particles
almen
pressure jet
intermittently
layer
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.)
Not-in-force
Application number
EP11796609.3A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP2603355A2 (de
Inventor
Horst Pillhöfer
Johann ÖTTL
Markus Niedermeier
Thomas Cosack
Dirk Ruhlig
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.)
MTU Aero Engines AG
Original Assignee
MTU Aero Engines 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 MTU Aero Engines AG filed Critical MTU Aero Engines AG
Publication of EP2603355A2 publication Critical patent/EP2603355A2/de
Application granted granted Critical
Publication of EP2603355B1 publication Critical patent/EP2603355B1/de
Not-in-force legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B24—GRINDING; POLISHING
    • B24C—ABRASIVE OR RELATED BLASTING WITH PARTICULATE MATERIAL
    • B24C1/00—Methods for use of abrasive blasting for producing particular effects; Use of auxiliary equipment in connection with such methods
    • 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
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B24—GRINDING; POLISHING
    • B24C—ABRASIVE OR RELATED BLASTING WITH PARTICULATE MATERIAL
    • B24C1/00—Methods for use of abrasive blasting for producing particular effects; Use of auxiliary equipment in connection with such methods
    • B24C1/08—Methods for use of abrasive blasting for producing particular effects; Use of auxiliary equipment in connection with such methods for polishing surfaces, e.g. smoothing a surface by making use of liquid-borne abrasives
    • B24C1/086—Descaling; Removing coating films
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B24—GRINDING; POLISHING
    • B24C—ABRASIVE OR RELATED BLASTING WITH PARTICULATE MATERIAL
    • B24C1/00—Methods for use of abrasive blasting for producing particular effects; Use of auxiliary equipment in connection with such methods
    • B24C1/10—Methods for use of abrasive blasting for producing particular effects; Use of auxiliary equipment in connection with such methods for compacting surfaces, e.g. shot-peening
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B24—GRINDING; POLISHING
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    • B24C11/00—Selection of abrasive materials or additives for abrasive blasts
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B24—GRINDING; POLISHING
    • B24C—ABRASIVE OR RELATED BLASTING WITH PARTICULATE MATERIAL
    • B24C11/00—Selection of abrasive materials or additives for abrasive blasts
    • B24C11/005—Selection of abrasive materials or additives for abrasive blasts of additives, e.g. anti-corrosive or disinfecting agents in solid, liquid or gaseous form
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B24—GRINDING; POLISHING
    • B24C—ABRASIVE OR RELATED BLASTING WITH PARTICULATE MATERIAL
    • B24C3/00—Abrasive blasting machines or devices; Plants

Definitions

  • the invention relates to a method for removing a layer of at least one first material from a surface of a body of at least one second material according to the preamble of claim 1, as in the document EP 0 492 323 A1 described.
  • bodies are components of machines or devices whose surface is often provided with a coating of another material, such as a paint or a similar protective layer.
  • a particularly preferred use relates to components of aircraft engines, in particular components, such as flow around profiles such as runners or vanes or grids.
  • layers are, in particular, thermal barrier coatings or ceramic layers, for example coatings containing ZrO 2 or Al 2 O 3 , in particular faulty coatings, on newly manufactured or repaired components.
  • abrasive methods have hitherto been used for this, in which abrasives are used manually or with the aid of grinding machines for machining the surface.
  • chemical cleaning or etching agents are used, with the help of which the layer to be removed is attacked and detached.
  • thermal barrier coatings or ceramic layers are often removed by means of high pressure water jets, especially in combination with KOH lye. Such methods are often quite expensive, associated with the use of expensive equipment or with an undesirable change in the adhesive layer.
  • the present invention has for its object to improve a removal of a layer from a surface of a body.
  • the body the surface of which is to be freed from a layer, is exposed to a pressure jet of at least one blasting medium, in particular spherical, particles, the pressure blast having an alpine intensity during the entire impingement time or at least in a part of this time which is at most 0.35 mm Almen A, preferably at most 0.3 mm Almen A and particularly preferably at most 0.25 mm Almen A.
  • the pressure jet contains in addition to a blasting agent of particles, which preferably consist of a chemically less reactive material, at least temporarily still contains at least one further substance which reacts chemically with at least one material component of the layer to be removed.
  • These chemically reactive materials are preferably alkalis of an alkali metal hydroxide, for example potassium hydroxide (KOH).
  • a low-energy fatigue radiation in particular for the removal of thermal insulation and / or ceramic layers, for components of an aircraft engine such as guide or playpens, in particular a turbine or turbine stage, thus proposed over the prior art.
  • the process can equally be used to repair such components as well as to remove coatings in re-manufacture.
  • the almen intensity of the pressure jet is at least 0.005 mm Almen N, preferably at least 0.01 mm Almen N and particularly preferably at least 0.05 mm Almen N during the entire loading time or at least part of this time.
  • Almen intensity is a quantitative measure of blasting processes, in particular shot peening processes.
  • the deformation which causes the blasting process in a sample, in particular a strip of SAE1070 spring steel ("Almenstsammlung") when irradiated from 90 mm, in particular the deflection due to the impressed by the blasting process in the unilaterally irradiated sample residual compressive stresses, in particular the ( maximum) arc height of the alpine strip, determined.
  • the sample can be irradiated for a defined time or until the saturation point is reached. This is defined as the deflection, which only increases by 10% when the jet duration is doubled.
  • the deformation can be applied to the wall thickness of the AlmenstMakes be obtained. This is about 0.79 mm (0.031 ”) at N and about 1.29 mm (0.051") at A.
  • the first material may also be wholly or partly identical to the second material, in particular chemically or physically.
  • the particles are preferably spherical, but need not be exactly conical in this respect; It is also sufficient for an approximately spherical shape of the particles.
  • the body is exposed to the pressure jet only until the layer to be removed has been removed to a desired degree.
  • the body is still exposed to the pressure jet even when the layer to be removed has been removed to the desired degree until the surface of the body reaches a desired position where it has been exposed to the pressure jet , has reached specified strength level.
  • This embodiment of the invention has the advantage that the cleaning of a surface or the removal of a layer from a surface can be combined with a solidifying treatment of the surface in one operation. When irradiating a surface with shot peening, it is possible to introduce compressive residual stresses into the surface, which improves the fatigue strength of the surface material. In this way cracking, e.g. due to corrosion fatigue in the surface, decisively reduce.
  • the, in particular spherical, particles - during the period of irradiation at least temporarily - consist of a chemically less reactive ("inert") material.
  • the size of the particles, the material composition and / or the internal structure of the particles may change with the duration of the irradiation.
  • a change in the size of the particles, their material composition or their internal structure may advantageously affect the result of the irradiation.
  • At least temporarily particles are used which contain a concentric with a first material encased, in particular spherical, core of a second material.
  • glass beads or glass-coated particles are particularly suitable blasting agents. Additionally or alternatively, some or all of the particles may also comprise, in particular consist of, zirconium (Zr), ceramic and / or plastic.
  • Zr zirconium
  • the degree of coverage in the case of irradiation by the process according to the invention is preferably between 3 and 100.
  • Some or all of the particles preferably have, at least temporarily, a hardness of between 280 and 550 Vickers hardness (HV) at a test load of 0.3 kiloponds. Additionally or alternatively, their elongation at break ⁇ is preferably at most 0.3%, preferably at most 0.2% and particularly preferably at most 0.1%.
  • the mean velocity of the particles in the pressure jet is preferably at least 0.5 m / s, preferably at least 1 m / s and more preferably at least 20 m / s, and / or at most 80 m / s.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Application Of Or Painting With Fluid Materials (AREA)
  • Cleaning In General (AREA)
  • Photoreceptors In Electrophotography (AREA)

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Entfernen einer Schicht aus wenigstens einem ersten Material von einer Oberfläche eines Körpers aus wenigstens einem zweiten Material gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, wie in der Druckschrift EP 0 492 323 A1 beschrieben. Beispiele für solche Körper sind Bauteile von Maschinen oder Geräten, deren Oberfläche häufig mit einer Beschichtung aus einem anderen Material, wie beispielsweise aus einem Lack oder einer ähnlichen Schutzschicht, versehen sind. Eine besonders bevorzugte Verwendung betrifft Bauteile von Flugzeugtriebwerken, insbesondere Komponenten, etwa umströmte Profile wie zum Beispiel Lauf- oder Leitschaufeln bzw. -gitter. Beispiele für solche Schichten sind insbesondere Wärmedämmschichten bzw. Keramikschichten, beispielsweise Beschichtungen, die ZrO2 oder Al2O3 enthalten, insbesondere fehlerhafte Beschichtungen, auf neu hergestellten oder zu reparierenden Bauteilen.
  • Üblicherweise werden hierzu bisher Schleifverfahren verwendet, bei denen Schleifmittel manuell oder mit Hilfe von Schleifmaschinen zur Bearbeitung der Oberfläche verwendet werden. Bei anderen Verfahren kommen chemische Reinigungs- oder Ätzmittel zum Einsatz, mit deren Hilfe die abzutragende Schicht angegriffen und abgelöst wird. Insbesondere Wärmedämmschichten bzw. Keramikschichten werden häufig mittels Hochdruckwasserstrahlen, insbesondere auch in Kombination mit KOH-Lauge entfernt. Derartige Verfahren sind häufig recht aufwendig, mit dem Einsatz kostspieliger Geräte oder mit einer unerwünschten Veränderung der Haftschicht verbunden.
  • Aus der DE 10 2008 014 726 A1 ist ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zur Kugelstrahlbehandlung integral beschaufelter Rotoren bekannt. Dabei kann es jedoch zu einer Schädigung der Haftschicht, also der Oberflächenschicht, auf der die zu entfernende Schicht haftet, oder des Körpers aus dem zweiten Material, dem Grundwerkstoff, kommen.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Entfernen einer Schicht von einer Oberfläche eines Körpers zu verbessern.
  • Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Erfindungsgemäß ist vorgesehen, den Körper, dessen Oberfläche von einer Schicht befreit werden soll, einem Druckstrahl aus wenigstens einem Strahlmittel aus, insbesondere sphärischen, Partikeln auszusetzen, wobei der Druckstrahl während der gesamten Beaufschlagungszeit oder wenigstens in einem Teil dieser Zeit eine Almenintensität aufweist, die höchstens 0,35 mm Almen A, vorzugsweise höchstens 0,3 mm Almen A und besonders bevorzugt höchstens 0,25 mm Almen A aufweist. Der Druckstrahl enthält neben einem Strahlmittel aus Partikeln, die vorzugsweise aus einem chemisch wenig reaktiven Material bestehen, wenigstens zeitweise noch wenigstens eine weitere Substanz enthält, die mit wenigstens einer Materialkomponente der zu entfernenden Schicht chemisch reagiert. Bei diesen chemisch reaktionsfähigen Materialien handelt es sich vorzugsweise um Laugen aus einem Alkalihydroxid, beispielsweise Kaliumhydroxid (KOH).
  • Erfindungsgemäß wird somit gegenüber dem bekannten Stand der Technik ein Niedrigenergie-Ermüdungsstrahlen, insbesondere zum Entfernen von Wärmedämm- und/oder Keramikschichten, für Komponenten eines Flugzeugtriebwerks wie Leit- oder Laufgitter, insbesondere einer Turbine oder Turbinenstufe, vorgeschlagen. Das Verfahren kann gleichermaßen zur Reparatur solcher Komponenten als auch zur Entfernung von Beschichtungen, bei der Neuherstellung verwendet werden.
  • Vorzugsweise beträgt die Almenintensität des Druckstrahls während der gesamten Beaufschlagungszeit oder wenigstens in einem Teil dieser Zeit wenigstens 0,005 mm Almen N, vorzugsweise wenigstens 0,01 mm Almen N und besonders bevorzugt wenigstens 0,05 mm Almen N.
  • Die Almenintensität ist ein quantitatives Maß für Strahlprozesse, insbesondere Kugelstrahlprozesse. Hierzu wird die Verformung, die der Strahlprozess in einer Probe, insbesondere einem Streifen aus SAE1070 Federstahl ("Almenstreifen") bei Bestrahlung aus 90 mm, hervorruft, insbesondere die Durchbiegung infolge der durch den Strahlprozess in der einseitig bestrahlten Probe eingeprägten Druckeigenspannungen, insbesondere die (maximale) Bogenhöhe des Almenstreifens, bestimmt. Dabei kann die Probe für eine definierte Zeit oder bis der Sättigungspunkt erreicht ist bestrahlt werden. Dieser ist definiert als die Durchbiegung, welche bei Verdopplung der Strahldauer nur noch um 10% zunimmt. Die Verformung kann auf die Wandstärke des verwendeten Almenstreifens bezogen werden. Diese beträgt bei N etwa 0,79 mm (0,031") und bei A etwa 1,29 mm (0,051").
  • Das erste Material kann auch mit dem zweiten Material ganz oder teilweise, insbesondere chemisch oder physikalisch, identisch sein. Die Partikel sind vorzugsweise sphärisch, müssen diesbezüglich jedoch nicht exakt kegelförmig sein; es genügt auch eine annähernd sphärische Form der Partikel.
  • Vorzugsweise wird dabei der Körper dem Druckstrahl nur solange ausgesetzt, bis die zu entfernende Schicht zu einem gewünschten Grad abgetragen ist. Bei einer anderen Ausführungsvariante der Erfindung wird der Körper dem Druckstrahl auch dann noch ausgesetzt, wenn die zu entfernende Schicht mit dem gewünschten Grad abgetragen ist, und zwar solange, bis die Oberfläche des Körpers an Stellen, an denen sie dem Druckstrahl ausgesetzt wurde, einen gewünschten, vorgegebenen Festigkeitsgrad erreicht hat. Diese Ausföhrungsform der Erfindung ist mit dem Vorteil verbunden, dass das Reinigen einer Oberfläche oder das Abtragen einer Schicht von einer Oberfläche mit einer verfestigenden Behandlung der Oberfläche in einem Arbeitsgang kombiniert werden kann. Bei der Bestrahlung einer Oberfläche mit Kugelstrahlen ist nämlich die Einbringung von Druckeigenspannungen in die Oberfläche möglich, wodurch die Dauerfestigkeit des Oberflächenwerkstoffs verbessert wird. Auf diese Weise lässt sich die Rissbildung, z.B. durch Korrosionsermüdung in der Oberfläche, entscheidend reduzieren.
  • Vorzugsweise bestehen die, insbesondere sphärischen, Partikel - während der Dauer der Bestrahlung wenigstens zeitweise - aus einem chemisch wenig reaktiven ("inerten") Material. Zusätzlich oder alternativ kann sich die Größe der Partikel, die Materialzusammensetzung und/oder die innere Struktur der Partikel mit der Dauer der Bestrahlung ändern. Insbesondere bei dem Übergang von der reinigenden, die Beschichtung abtragenden Wirkung der Bestrahlung zur härtenden Wirkung der Bestrahlung, kann sich eine Änderung der Größe der Partikel, ihrer Materialzusammensetzung oder ihrer inneren Struktur vorteilhaft auf das Ergebnis der Bestrahlung auswirken.
  • Vorzugsweise werden dabei wenigstens zeitweise Partikel eingesetzt, die einen konzentrisch mit einem ersten Material ummantelten, insbesondere sphärischen, Kern aus einem zweiten Material enthalten.
  • Untersuchungen haben ergeben, dass Glasperlen oder mit Glas ummantelte Partikel besonders geeignete Strahlmittel sind. Zusätzlich oder alternativ können einige oder alle Partikel auch Zirkonium (Zr), Keramik und/oder Kunststoff aufweisen, insbesondere hieraus bestehen.
  • Es hat sich gezeigt, dass Partikel, deren maximale oder mittlere Abmessung, insbesondere deren Durchmesser, wenigstens 5µm, vorzugsweise wenigstens 10µm und besonderes bevorzugt wenigstens 15µm und/oder höchstens 550µm, vorzugsweise höchstens 50µm und besonderes bevorzugt höchstens 450µm beträgt, bei wenigstens zeitweiser Verwendung zu vorteilhaften Ergebnissen der Oberflächenbeschaffenheit führen.
  • Der Überdeckungsgrad liegt bei einer Bestrahlung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren vorzugsweise zwischen 3 und 100.
  • Einige oder alle Partikel weisen wenigstens zeitweise vorzugsweise eine Härte zwischen 280 und 550 Härtegraden nach Vickers (HV) bei einer Prüfkraft von 0,3 Kilopond auf. Zusätzlich oder alternativ beträgt ihre Bruchdehnung ε vorzugsweise höchstens 0,3%, bevorzugt höchstens 0,2% und besonders bevorzugt höchstens 0,1 %. Die mittlere Geschwindigkeit der Partikel im Druckstrahl beträgt vorzugsweise wenigstens 0,5 m/s, bevorzugt wenigstens 1 m/s und besonders bevorzugt wenigstens 20 m/s, und/oder höchstens 80 m/s.

Claims (11)

  1. Verfahren zum Entfernen einer Schicht aus wenigstens einem ersten Material von einer Oberfläche eines Körpers aus wenigstens einem zweiten Material, bei dem der Körper einem Druckstrahl, der wenigstens ein Strahlmittel aus, insbesondere sphärischen, Partikeln enthält, ausgesetzt wird, wobei der Druckstrahl wenigstens zeitweise eine Almenintensität von höchstens 0,35 mm Almen A, vorzugsweise höchstens 0,3 mm Almen A und besonders bevorzugt höchstens 0,25 mm Almen A aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckstrahl neben einem Strahlmittel aus Partikeln, insbesondere aus einem chemisch wenig reaktiven Material, wenigstens zeitweise noch wenigstens eine Alkalihydroxid-Lauge enthält, die mit wenigstens einem Material der zu entfernenden Schicht chemisch reagiert.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Almenintensität des Druckstrahls wenigstens zeitweise wenigstens 0,005 mm Almen N, vorzugsweise wenigstens 0,01 mm Almen N und besonders bevorzugt wenigstens 0,05 mm Almen N beträgt.
  3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 2, bei dem der Körper dem Druckstrahl nur solange ausgesetzt wird, bis die zu entfernende Schicht zu einem gewünschten Grad abgetragen ist.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 2, bei dem der Körper dem Druckstrahl auch dann noch ausgesetzt wird, wenn die zu entfernende Schicht mit dem gewünschten Grad abgetragen ist, solange, bis die Oberfläche des Körpers an den Stellen, an denen sie dem Druckstrahl ausgesetzt wurde, einen gewünschten vorgegebenen Festigkeitsgrad erreicht hat.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem einige oder alle Partikel Glas, Zirkonium, Keramik und/oder Kunststoff aufweisen.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem Partikel wenigstens zeitweise einen konzentrisch mit einem ersten Material ummantelten Kern aus einem zweiten Material enthalten.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem Partikel wenigstens zeitweise eine maximale oder mittlere Außenabmessung, insbesondere einen Durchmesser, aufweisen, die wenigstens 5µm, vorzugsweise wenigstens 10µm und besonderes bevorzugt wenigstens 15µm und/oder höchstens 550µm, vorzugsweise höchstens 500µm und besonderes bevorzugt höchstens 450µm beträgt.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Bestrahlung mit einem Überdeckungsgrad zwischen 3 und 100 erfolgt.
  9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem Partikel wenigstens zeitweise eine Härte zwischen 280 und 550 Härtegraden nach Vickers (HV) aufweisen.
  10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem eine Bruchdehnung von Partikeln höchstens 0,3%, bevorzugt höchstens 0,2% und besonders bevorzugt höchstens 0,1 % beträgt.
  11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem eine mittlere Geschwindigkeit von Partikel im Druckstrahl vorzugsweise wenigstens 0,5 m/s, bevorzugt wenigstens 1 m/s und besonders bevorzugt wenigstens 20 m/s, und/oder höchstens 80 m/s, beträgt.
EP11796609.3A 2010-08-14 2011-08-06 Verfahren zum entfernen einer schicht von einer oberfläche eines körpers Not-in-force EP2603355B1 (de)

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DE102010034336A DE102010034336B4 (de) 2010-08-14 2010-08-14 Verfahren und Vorrichtung zum Entfernen einer Schicht von einer Oberfläche eines Körpers
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